（岩土工程专业论文）地面堆载下水平桩作用机理研究.pdf

摘要 摘要 岩土工程师们不仅经常要评估已有桩基在侧向土体运动条件下的响应特 性，如与桩基相邻的桥墩基础，打桩，基坑开挖，隧道开挖盾构推进，边坡滑 移或山体坍移，都可能引起土层的侧向位移，而且经常要设计抗滑桩以加固不 稳定不安全的边坡或有可能坍滑的山体。在很多工程实例当中，如港口码头、 桥梁基础、工业厂房建筑，常常因为堆载超载引起地面下沉，以致工程桩在土 层侧向位移的作用下工作，导致桩体弯矩和挠度过大，使相邻桩基产生水平偏 位，从而引起上部码头、桥梁及工业厂房等结构功能失效或引发事故。 被动桩与土体的相互作用问题的研究有着重要的工程背景和研究意义，本 文主要是对地面堆载作用下桩基的性态特性进行研究。首先进行了文献综述， 系统地总结现有各种被动桩土压力理论、试验成果和计算方法，分析了被动桩 的变形机理；其次对有限差分法以及f l a c 软件在被动桩分析中的应用作了相关 阐述，并采用平面网格单元对地面堆载作用下被动桩基性态进行了详细的分析， 重点考虑了各种因素对被动桩性状的影响，如桩身几何条件、浅层土性质、堆 载性质、桩顶约束条件等等。通过对比分析，得出了有益的结论。 关键词：被动桩，堆载，土体侧移，桩基性状，有限差分法 a b s t r a c t a b s t r a c t g e o t e c h n i c a lc n g i n e e r sa r eo f t e nr e q u i r e dt oe i t h e ra s s e s st h el a t e r a lr e s p o n s eo f e x i s t i n gp i l e sc a u s e db ya d j a c e n ts e t t l i n ga p p r o a c he m b a n k m e n t ，p i l ed r i v i n g o p e r a t i o n s ，e x c a v a t i o no p e r a t i o n s ，t u n n e l i n go p e r a t i o n s ，m o v i n gs l o p e so rl a n d s l i d e s ， a n ds oo n ，o rt od e s i g np i l e st os t a b i l i z eu n s t a b l es l o p e so rp o t e n t i a ll a n d s l i d e s p i l e s m a yb e c o m eo fn ou s e ，w h i c ha r er e f e r e n c e dt op a s s i v ep i l e sa n df r e q u e n t l ys u b j e c t e d t ot h es o i lm o v e m e n t sd u et o s u r c h a r g el o a d si n d u c i n gb e n d i n gm o m e n t sa n d d e f l e c t i o n si nt h ep i l e si nm a n ye n g i n e e r i n gp r a c t i c ec a s e s ，s u c ha sd o c k ，b r i d g e a b u t m e n t s ，i n d u s t r yw o r k s h o p a n dt h i sm a yl e a dt ot h e i rs u p e r s t r u c t u r ed i s t r e s so r f a i l u r e t h ep r o b l e mo fp i l e ss u b j e c t e dt ol a t e r a ls o i lm o v e m e n t sh a sb e c o m eas u b j e c t o fc o n s i d e r a b l er e s e a r c hw o r k h o w e v e r , g r e a tu n c e r t a i n t i e ss t i l lr e m a i ni nr e l a t i o nt o t h et h e o r e t i c a ls o l u t i o n sf o r e s t i m a t i o nt h ep i l e sr e s p o n s e s oi ti ss i g n i f i c a n tt os t u d y t h eb e h a v i o r o fp a s s i v ep i l e s i nt h i sr e s e a r c ht h e s i s ，f i r s t l yr e s e a r c hb a c k g r o u n da n da r e v i e wi sp r e s e n t e do nt h ee x i s t i n ga v a i l a b l el i t e r a t u r ei n c l u d i n gs u b j e c t so fs o i l p r e s s u r eo np a s s i v ep i l e s ，t h es t y l e so fs o i lm o v e m e n t s ，t h ec a l c u l a t i o na n da n a l y s i s m e t h o d s s e c o n d l y , ag e o t e c h n i c a lf i n i t e - d i f f e r e n c em e t h o da n a l y s i ss o f t w a r ep a c k a g e ， f l a c 5 0i su s e dt om o d e lt h ep i l e - s o i li n t e r a c t i o nr e s p o n s ea r o u n dt h e p a s s i v ep i l e s f i n i t e - d i f f e r e n c em e t h o di sa l s ou s e dt os i m u l a t et h eb e h a v i o ro fp i l e ss u b j e c tt ot h e s o i lm o v e m e n t sd u et os u r c h a r g el o a d su n d e rt h ev a r i o u si n f l u e n c i n gf a c t o r ss u c ha s p i l es p a c e ，s o i lp r o p e r t i e s ，a n ds oo n a tl a s t , s o m ea d v i c ea n ds u g g e s t i o na l e d e v e l o p e df o rf u r t h e rr e s e a r c ha n dp r a c t i c a lp r o j e c t ，a n dt h ep r o b l e m sr e q u i r i n g f u r t h e rs t u d i e sa l ed i s c u s s e d k e yw o r d s ：p a s s i v ep i l e s ，s u r c h a r g el o a d ，l a t e r a ls o i lm o v e m e n t ，p i l ef o u n d a t i o n ， f i n i t e d i f f e r e n c em e t h o d h 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：方夼中 年月日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月 日年 月 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 日卞寻 月 看 lii 、弭 年 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 桩作为一种古老的基础形式，在人类工程应用中有着漫长的历史。从早期 的木桩到1 9 世纪后期钢筋、水泥和钢筋混凝土桩的相继问世，桩的制作、桩身 材料、成桩方法经历了巨大的变革和发展。二战以后，随着经济的迅猛发展， 科学及工业技术的极大提高，各种新型复杂的建筑物( 构筑物) 得到大量使用。 而这也对桩基产生了新的需求。产生了很多的桩型，如预制桩、灌注桩。受力 形式也从以竖直受荷桩为主发展到水平受荷桩得到广泛应用。桩的广泛应用促 进了人们对桩进一步探索研究。近年来由于高层建筑和大型构筑物的大量兴建， 桩基显示出卓越的优越性，它以巨大的承载力和抵御复杂荷载的性质以及对各 种地质条件的良好适应性，已成为高层建筑的主要基础形式。 桩一般都受有竖向荷载、水平荷载和力矩的共同作用。水平荷载有多种型 式，如波浪力、风力等，早先的设计者并不重视桩的水平承载性能，假定桩基 只承受轴向荷载，并常在基础中配置斜桩作为竖向桩的辅助。到了5 0 年代初， 用竖向桩承受水平荷载的做法仍不普遍，常设计成低承台桩基础。这主要是由 于当时的技术水平不能制出较大直径或边宽和入土较深的桩，因而桩的承载力 和刚度都比较低，所能承担的水平荷载也比较低。此外，当时高桩承台设计方 法采用嵌固点的假设，认为嵌固点以上的土层抗力可略去不计。这一假设的方 法违背了力的平衡及变形协调原理，导致产生了土层强度越高，嵌固点越接近 地面的不合理现象，使高承台桩基在承担较大的水平荷载时处于相当不利的境 地，从而限制了水平荷载桩的广泛使用。 6 0 年代初起，管桩和大直径桩的应用日趋广泛，研究发展了水平荷载桩的 作用机理和分析方法并积累了水平静载试验桩的大量数据。实践表明，竖向桩 能通过抗弯和抗剪来承担相当大的水平荷载，它已不单是一个“轴向”受压构 件，用竖向桩而不用斜桩来承担水平荷载、竖向荷载和力矩的共同作用的桩基 工程日益增多。 第1 章绪论 1 2 问题的提出与工程背景 在港口码头、桥梁基础、工业厂房建筑，常常由于堆载超载引起地而下沉， 以致工程桩在土层侧向位移的作用下工作，导致桩体弯矩和挠度过大，使相邻 桩基产生水平偏位，从而引起上部码头、桥梁及工业厂房等结构功能失效或引 发事故。 为此，岩土工程师们需要经常评估己有桩基在侧向土体运动条件下的响应 特性，如与桩基相邻的桥墩基础，打桩，基坑开挖，隧道开挖盾构推进，边坡 滑移或山体坍移，都可能引起十层的侧向位移，而且经常要设计抗滑桩以加固 不稳定不安全的边坡或阻止有可能坍滑的山体。 d eb e e r u ( 1 9 7 7 ) 根据桩基与周围土体的相互作用，将桩分为二类：第一类桩 基直接承受外荷载并主动向土中传递应力，称为“土动桩”( a c t i v ep i l e ) ；第二 类桩基并不直接承受外荷载，只是由于桩周土体在自重和外荷作用下产生水平 运动而受到影响，称为“被动桩”( p a s s i v ep i l e ) 。 在主动桩中，桩顶荷载使桩在坚实土中移动，桩上荷载是因，桩相对于土 体的变形效应是果；而在被动桩中，侧移土体对桩产生土压力加载，土体相对 于桩的移动是因，它在桩身上引起的荷载是果。由于被动桩因土体移动产生的 桩侧荷载难以确定，引起桩土相互作用的土体位移不仅与土体本身的性质、桩 的性状、数量和布置等因素有关，而且还与产生土体位移的成因( 如堆载、开挖、 打桩) 有关，因此，被动桩的问题要比主动桩复杂得多，如果设计不当，会产生 严重的工程问题，打桩、堆载和开挖作用都可能导致桩周土体产生可观的水平 位移而使桩身受到侧向荷载的作用。在软土地基中，堆载或开挖引起的土体水 平位移可达到堆载高度或开挖深度的1 2 甚至更大。如此大的侧向位移引起 的作用于桩上的侧向压力会很大，足以使大尺寸的桩产生变形甚至破坏( l e u s s i n k w e n z ，1 9 6 9 ) 4 1 。 关于工程中常见的被动桩得分类，有学者依桩功能或荷载类型分为五大类 ( 陈福全，2 0 0 3 ) 1 7 9 1 。本文作者拟按被动荷载产生原因分类，主要有以下四种， 本文主要研究第二种，即堆载效应下的邻近桩基性状。 ( 1 ) 挤土效应：在挤土桩施工过程中，由于打桩( 或压桩) 引发的挤土效应会 使周围土体产生水平位移，引起邻近桩身挠曲【5 1 。 ( 2 ) 堆载效应：地面堆载附近的桩基，或路堤旁建筑物的桩基，由于堆载引 2 第1 章绪论 起地基土侧向移动，可能对桩基施加巨大的水平荷引2 】【7 l 。此外，由于桥头路基 的影响，桥台桩基及邻近桥头桥梁桩基也存在同样问题【8 】【9 】【1 0 】【1 1 1 。 ( 3 ) 开挖效应( 或称卸载效应) ：例如，基坑开挖或隧道开挖盾构推进条件 下相邻的桩基，此类工程引起的桩的挠曲变形甚至毁坏不容忽视【1 6 】1 1 7 】【1 剐。为减 少桩的侧向变形，开挖一般是分段分层进行，倘若一次开挖深度过大，土体产 生的水平位移会使桩产生挠曲。形成被动曲桩。由于曲桩承载力比直桩要低， 严重时会危及建筑物的安全【1 9 】。此外，建于软土地基中的桩基码头，由于港池 开挖和堆场的坡土而使土体产生显著的地基沉降和水平位移，从而导致码头的 偏位甚至损坏【6 】。此类被动桩亦可划归为此类，惟须注意的是码头建在河海岸边， 计算桩基受力是水压力的影响不可忽视。 ( 4 ) 抗滑桩：人们常利用桩的侧向承载能力来加固边坡，增加边坡的稳定性， 这类桩称为抗滑桩，属于典型的被动桩，在全世界中得到广泛应用【1 2 】【1 3 】【1 4 1 。在 我国，每年施工的抗滑桩超过上万根，投资达数亿元1 1 5 l 。 1 3 研究意义 被动桩的性状主要受到桩的形状、数量和布置的制约以及桩土相对刚度和 桩周土体的性质的影响，因此研究被动桩的受力特性和破坏机理，必须将桩土 体系当作整体来考虑，以桩土相互作用机理为研究核心，探讨荷载土体变 形运动桩变形受力土体变形之间的关系和作用机理，方能臻至研究目 的。然而，基于问题的复杂性和研究手段的局限，目前对于桩与土的相互作用， 特别是对于发生运动的土体与被动桩之间的相互作用，研究的并不充分。同时 在工程上由于设计理念的落后，对桩基负摩阻力和超载问题的不够重视，近一 二十年来，酿成了很多工程事故。 鄂北某厂的硫酸原料车间南区为单跨排架结构，钻孔灌注桩基础，该仓库 于1 9 9 0 年建成，大面积堆载作用下，此后基础沉降较大且不均匀，立柱倾斜， 最大沉降量达1 5 0 m m ，立柱顶最大水平位移9 4 m m ，最大水平位移差1 3 2 m m ，导 致桁车轨道变形，桁车无法正常运行。该车间立桩倾斜的根本原因就是大面积 堆载( 李旭照与郑俊杰，2 0 0 0 ) i 州。 1 9 9 8 年上海某钢铁集团公司工业厂房屋顶系统的坍塌就是当时发生的一重 大工程事故。该厂房由日本工程师设计，多以日方厂房为样板，对特殊的软土 3 第1 章绪论 地基在设计选型和局部构造处理未进行较为完善的考虑，经过十多年来的生产 运作和生产负荷一再扩大，在地基处理和厂房结构设计方面的缺陷日益凸显， 部分厂房行车频繁啃轨。1 9 9 8 年1 月建造十多年的该厂房屋盖系统突然坍塌。而 且该集团公司的其它厂房也存在类似事故的危险( 杨敏等，2 0 0 2 ) 3 3 l 。 天津中板厂原料车间栈桥，采用2 0 m 长灌注桩桩基础，设计地面堆载为 2 0 0 k n m 2 。由于设计桩基础时未全面考虑大面积地面堆载对桩基础的影响，桩 身配筋长度和数量严重不足，而造成使用时桩身折断，柱脚处水平位移1 0 2 m m ， 柱顶水平位移达2 2 0 m m ，严重影响厂房的正常使用，并危及厂房的安全( 魏焕 卫，2 0 0 0 ) 【引。 在堆载作用下，土体因为桩土相对沉降差而在桩身产生负摩阻力，而且基 于材料的泊松比和土体剪切应力的存在，土体在沉降的过程中必定会水平向的 变形和位移，进而对邻近桩基施加水平推力。同时土体的固结沉降和蠕变是一 个长期的过程。当前对这一问题研究较少，主要原因为：土体在堆载作用下， 人们往往低估，甚至于忽略了工后侧向位移效应和工后沉降效应；在软土地 基中土体的蠕变效应问题由于理论较难，使工程技术人员在理论分析中不予以 考虑。但对于港口、桥梁、工业厂房等使用年限长久的构筑物，桩基较大的侧 向位移和不均匀沉降常常引起上部结构偏位、开裂、破坏。由软土蠕变、固结 等长期效应而产生的变形虽然在总变形中相对较小，但对桩基和上部结构的稳 定性影响却不可忽视。 所以我们对这些承受被动荷载的桩基性态有必要展开研究，提出合理的分 析和设计方法，进而采取措施对建( 构) 筑物进行变形控制或结构加固。这样的研 究不仅具有重要的理论意义，而且从工程实际角度上看，控制由于堆载引起的 桩基侧移和不均匀沉降问题也具有非常重要的现实意义。然而，对于评估被动 桩的性状的理论解仍然存在着很多的不确定的因素，包括桩身弯矩和挠度计算， 关键的问题是准确地估算堆载与土层位移大小与分布形式的关系，土层的位移 大小和分布形式，以及位移的土体作用在桩身产生的极限侧向土压力。尽管2 0 世纪4 0 年代至今有许多学者和工程师对些问题做了大量的研究、试验和讨论( 如 p o u l o u & d a v i s ，1 9 8 0 ，c h e n & p o u l o s ，1 9 9 4 ，1 9 9 7 ) 。然而在理论领域，关键性的突 破还未出现，尤其是建立堆载与土体位移及土体位移与桩土压力的关系式，至 今还未有实质性的进展。虽然在工程设计领域，长时间的工程经验积累，目前 已取得很多成果，但显然应该引起更大的重视。本文作者不揣简陋，选择地面 4 第1 章绪论 堆载下临近桩基作用机理的研究，期望通过对大量相关文献的整理分析和数值 模拟，能得出有益的结论，为堆载下桩基的研究和设计提供参考。 1 4 本文研究内容 如上所述，被动桩与土体的相互作用问题有着重要的工程意义与研究价值。 笔者主要是对地面堆载作用下桩基的性态特性进行研究，主要的研究内容包括 简单的公式推导，运用有限差分软件f l a c 对被动桩在不同因素影响下进行了桩 基性状的数值分析，并着重讨论了浅层土体对此类被动桩的影响。在研究过程 中，主要涵盖一下几个方面的工作： 1 文献综述。主要是对水平桩研究现状和研究方法作了系统的介绍，尤其 是对被动桩的研究现状作了着重的阐述。 2 介绍有限差分法并探讨了邻近堆载被动桩基f l a c 数值模拟的步骤及所 需注意的问题。确定了分析所选取的土体本构模型和桩土单元。 3 对影响被动桩性状的因素，分别从堆载、桩身以及桩周土体三个方面， 用有限差分法分析了这些因素的影响。 4 结论与展望。总结本文分析得出的结论，并指出进行下一步研究的方向。 1 5 本章小结 本章提出了本文研究课题的工程背景，探讨了此课题的意义，并介绍了国 内外有关被动桩的应用范围和分类。在此基础上，介绍了本文的分析思路和主 要研究内容。 5 第2 章被动桩研究现状 2 1 概述 第2 章被动桩研究现状 本章对被动桩相关文献进行综述，主要针对土层侧向位移对邻近桩基影响 的研究现有文献与成果进行总结。s t e w a r t & j e w e l la t e 1 ( 1 9 9 4 ) 1 1 1 】、魏汝龙 ( 1 9 9 5 ) 1 2 3 1 、王年香( 2 0 0 0 ) 【3 1 1 及z e n g & l i a n g ( 2 0 0 2 ) 3 6 1 均进行过相关的工作，本文 在他们基础上分别就几个方面进行综述介绍国内外被动桩的现场实测情况、室 内小比尺模刑试验及离心模型试验；再系统地总结和阐述现有的各种被动桩土 压力理论和计算方法；被动桩与土体相互作用性状，其它如被动桩中土拱效应 的研究现状将在后续章节进行阐述。 2 2 试验研究 2 2 1 现场测试 f r a 皿& b o o s t r a ( 1 9 4 8 ) t 2 】通过荷兰的几个桥梁和高架桥工程取得了桩基在土 体侧向位移条件下变位的观测资料，该工程中的桩和桥台都产生了很大的侧向 位移，其中，有个工程在施工完成2 年之后，土体还产生很大的水平位移，导致 桩基破坏。 h e y m a n ( 1 9 6 1 ) 1 3 】通过现场试验以确定土堤坝对相邻己有建筑桩基的影响，该 试验中，3 根桩穿过8 5 m 厚的粘土和泥炭土至持力层，不允许桩头水平侧移，先 在距桩3 0 0 m 处填筑高达7 0 m 的路堤，然后将桩以5 0 m 的间距向外推移，对桩身 最大弯矩和桩头反力进行量测，试验得出的结论是当桩离路堤坡脚大于3 5 0 m ， 即约为软土层厚度的4 倍时，土堤对桩的影响可忽略不计。显然，还与路堤和桩 基其它条件有关。 h e y m a n ( 1 9 6 5 ) t 5 】还进行了另一个试验。图2 1 是一段路堤的剖面，它是为高 级公路而设计的，底宽6 5 m ，堤趾离开一幢与公路平行的楼房的距离约1 2 m 。楼 房下的桩为预制钢筋混凝土桩，桩长1 3 m ，其扩大桩尖支承在较深的砂层中。为 6 第2 章被动桩研究现状 了尽可能减小作用于桩上的侧向土压力，决定分级填筑路堤，每级填高1 4 m ， 在每级之间休止几个月，使地基逐渐固结。在填筑第一层砂前打设四排间距3 m 、 深1 2 m 的砂井，以提高地基固结速率。采取这些措施，可以避免在堤趾产生过高 超静孔压。沿路堤在几处埋设电阻式孔压计，以监测排水的有效性。为了估计 距离路堤1 2 m 的楼房下的桩中的应力，于路堤施工开始前，在楼房附近的空地上 打入一根长1 3 m 的试桩。试桩的类型和断面尺寸与楼房下的预制钢筋棍凝土桩完 全相同。在桩顶下2 2 m 至1 6 7 m 的范围内装设6 个断面的电阻应变计。桩顶支承在 自由的水平支撑上，并装有电阻式荷重计和油压千斤顶，利用千斤顶尽可能使 桩顶维持在原位置。图2 2 为测量结果，其中i 、i i 和i 相当于三级填土，每级 高1 4 m 。图2 2 ( a ) 三级荷载与桩顶反力的关系，图2 2 ( b ) 表示从应变计推算出的试 桩弯矩。对于第1 和第1 i 级填土各标出两条线，低值相应于刚刚加荷后的应力， 高值则是加荷2 个月后下一级荷载前的测量结果。在堤趾和距离堤趾1 2 m 处的测 斜仪测量结果表明，在地面下1 2 m 深范围内，各层土的位移是均匀的，试验桩所 在位置( 距离堤趾1 2 m ) - i - _ 体水平位移为1 5 c m ，堤趾下土体的水平位移则为3 o c m 。 l o m 0 5 1 0 1 5 m 图2 1 路堤试桩 7 第2 章被动桩研究现状 1 1 1 ， ? ? i i ， ?i i 0 51 0 l52 02 5 试验桩 1 1 1 0l o2 03 0 4 0 桩顶反力( 弯矩( k n m ) ( a )( b ) 图2 2 ( a ) 桩顶水平压力与路堤荷载的关系( b ) 第二级填土时试桩中的弯矩 试桩的实测最大弯矩为2 4 5 k n m ( 根据应变计推算) ，三级荷载下的桩顶水平 反力分别如图2 2 ( a ) 所示。对于地基只发生小变形的情况，可以利用桩顶反力与 分级加载的实测关系曲线。图中所示基本为线性关系，即属该情况合理地估计 侧向土压力所引起的弯矩。如果在已有建筑物前打入一根与该建筑物桩基相同 的桩，并在其间设置测力计，同时利用测斜仪检验地基土的侧向变形，就能对 已有的建筑物下的桩基所受影响作出估计。 w e n z ( 1 9 7 3 ) 4 j 报道了一矿石堆场对软土中桩基影响的试验。土层中的软土不 排水抗剪强度s 。约为1 5 o k p a ，矿石堆载荷载高达2 5 0 0 k p a ，远超过软土的初始 承载力，共埋设3 根桩，量测了土体水平位移，结果表明土体最大位移达1 0 m ， 而土体水平位移达至t j 4 0 0 5 0 0 m m 时，桩已破坏。 b i g o te ta 1 ( 1 9 7 7 ) 1 1 2 j 也做过类似的现场试验，利用试验结果研究了利用旁压 仪试验的曲线对受堆载影响下桩进行位移评估的可行性。 n i c ue ta 1 ( 1 9 7 1 ) p j 对一建在1 3 5 m 厚的硬粘土上的桥台桩基中的6 根桩的位 移进行了观测，同时量测了桥台的沉降与水平位移，结果桥台翼墙的沉降达 8 0 o o 0 o o o 0z王小孓丘& 暑v 赵畿 0 0 o 0 o 0 o 加 如 加 m 。uvz筻_)撂裂叁 第2 章被动桩研究现状 5 5 m m 时，桥台往路堤向位移，当荷载超过3 倍软土层不排水抗剪强度时，桥台 产生了侧向位移急剧增大。 严人觉等人( 1 9 8 6 ) 在长江入海口附近的上海宝钢进行了试验。测得了大面积 堆载下相邻桩的挠度和土的侧移。魏汝龙等人( w e i ，e ta 1 1 9 7 8 ，1 9 8 2 ，1 9 8 5 1 9 8 6 1 9 9 2 ) 对后方回填土和堆货引起高桩码头位移和码头结构损坏的性状进行了现场 观测，并指出：岸坡的侧向变形对桩基产生水平推力导致码头位移，岸坡的竖 向变形使桩基产生负摩阻力并造成码头不均匀沉降，而且在码头竣工初期以水 平变形为主，之后后者就起主要作用。 此外，l c u s s i n k & w e n z ( 1 9 6 9 ) ，b e e r & w a l l a y ( 1 9 7 2 ) 、b e g e m a r m & d e l e e u w ( 1 9 7 2 ) 、m a r c h c ta 1 ( 1 9 7 2 ) 及p o u l o s ( 1 9 7 3 ) 都曾进行过类似的现场试验。 2 2 2 室内小比尺模型试验 日本的t a m o t s um a t s i n 等( 1 9 8 2 ) 曾在长6 0 c m 、宽3 0 c m 、深3 0 c m 的钢制模型箱 内观测不同桩径和桩距时，作用于抗滑桩排上的土压力随土体位移变化的情况。 试验结果表明，理论值与实测值吻合得很好，为其塑性变形理论法的准确性作 了很好的佐证。c h e n p o u l o s ( 1 9 9 7 ) 也曾做过类似的试验，研究了在土体侧向位 移下群桩响应的模型试验。 p a nc ta 1 ( 2 0 0 2 ) 进行了一系列的模型试验，研究了在土体侧移下的排桩性状， 指出桩成行或成排，桩间距约为2 至5 倍桩径时，沿桩身分布的根限压力比单桩 要来得小，而且当桩距减小时，群桩效应随之减小。 天津大学( 1 9 7 4 ) 曾在长6 o m ，宽0 8 m ，高1 o m 的钢制模型槽内进行高桩码头 基桩的抗滑稳定性试验，我国西北铁道科研所( 1 9 8 6 ) 和南京水利科学研究院 ( 1 9 9 0 、1 9 9 2 ) 也曾在室内做过单桩抗滑试验和桩排与土坡相互作用方面的试验。 铁道部第二勘测设计院( 1 9 8 6 ) 衄d 通过室内模型试验研究了排架抗滑桩与双 排单桩的对比模型试验及抗滑桩前滑体抗力的分布情况，该模型试验的装置图 ( 参见图2 3 ) 。试验分二个阶段进行，第一阶段滑体材料为石英砂，第二阶段为 砂粘土，模型槽由左右二部分构成，左半部为滑坡的土动区，长2 o m ，滑动面 坡度可在1 0 。 - - 3 0 。间调整；右半部为滑坡的被动区，长1 6 m ，滑动面坡度可 在0 。 - - 1 0 。间调整，在该区设置一排抗滑桩。模型槽的边界采用刚化玻璃和板， 模型槽宽1 2 m ，深1 1 1 9 m 。 9 第2 章被动桩研究现状 2 0 图2 3 模型试验装置图 采用应力环量测试桩位置的下滑力，采用压力盒量测桩土间的应力分布情 况，图中滑面以上部分实线表示桩两侧的土压力，虚线笔者为计算得到的桩两 侧土压力之差，表示桩身实际受到的侧压力，桩项部右侧受到土压力作用，说 明这部分桩的位移大于土体位移。滑面以下部分因桩的移动受到桩右侧土体抗 力的作用。 1 0 第2 章被动桩研究现状 滑 一 引 ： 动面 j r 图2 4 试验桩实测下滑力及抗力与深度关系曲线 通过试验得到如下几点有价值的结论： 1 、无论滑体为粘性土还是松散介质，滑体下滑力基本为三角形分布，合力 的重心约在滑动面以上0 2 6 加3 0 h 间( h _ 滑动面以上桩长) ，这比目前设计时采 用值要低，因此，在设计抗滑桩时，可适当降低下滑力的重心高度，使抗滑桩 设计更加经济合理。 2 、抗滑桩承受由滑体自重产生的下滑力，其中一部分下滑力通过桩传至滑 面以下稳定地层，另一部分传给桩前滑体，这基本反映了抗滑桩的实际情况。 3 、桩前滑体抗力图形接近抛物线形，合力重心在滑动面以上0 4 5 h 左右处。 桩前滑体抗力的大小和分布，除与滑体和滑动面的性质外，还与滑体的大小和 形状有关。滑体越大，抗力越大。但不可能超过桩前滑体的剩余抗力或桩前被 动土压力。 4 、当桩的间距较大时，相当大的一部分下滑力从桩间漏出，这部分力与通 过桩传至桩前滑体的下滑力一道，推动桩前滑体向前移动。因此在设计抗滑桩 时，桩的间距不宜过大，否则不能保证整个滑体的稳定。 第2 章被动桩研究现状 2 2 3 离心模型试验 对于以白重为主要荷载的土工问题，土工离心模型试验可以在短时间直观 而正确地模拟原型土工结构物的变形和应力的变化过程，如与时间有关的地基 固结与沉降，其优点是一般室内模型试验无法比拟的，因些将模型试验研究单 独列为一节概述。 s p r i n g m a n ( 1 9 8 9 ) 、s t e w a r t ( 1 9 9 2 ) 及k i m u r ae ta 1 ( 1 9 9 4 ) 都利用离心模拟试验研 究了堆载超载下邻近桩基的响应性状。 s p r i n g m a n e l l i s ( 1 9 9 4 ) 通过离心模型试验研究了受被动荷载影响的桥台桩 基，得到许多有意义的结果，并指出：尽管己经有非常丰富的现场被动实测资 料，但桩土相互作用复杂，目前其机理仍未完全研究清楚，因此，有越来越多 的学者来研究相关问题。 2 3 被动桩侧向极限压力计算方法 在进行被动桩的受力分析与设计中，合理地计算作用在桩上的土压力最为 关键。对于基坑围护结构这一类被动桩，其桩侧土压力的计算较为简单，一般 可分解为静止土压力、主动土压力和被动土压力加以计算。静止土压力通常根 据工程经验或采用j a k y ( 1 9 4 8 ) 建议的计算公式，主动土压力和被动土压力则通常 采用c o u l o m b ( 1 7 7 6 ) 和r a n k i n e ( 1 8 5 7 ) 土压力理论进行计算。t e r z a g h i ( 1 9 3 4 ) 、 d u n c a n & s e e d ( 1 9 8 6 ) 、f a n g & i s h i b a s h i ( 1 9 8 6 ) 等许多学者都曾对支挡结构这一类 的被动桩土压力问题进行过模型试验研究。对于另一类桩基一土坡中的桩基( 如 码头桩基、加固土坡用的抗滑桩或大面积堆载附近的桩基，是典型的被动桩。 桩侧土压力即土体移动对桩产生的推力，它的确定较为复杂，这是被动桩研究 中最关键的问题( r a n d o l p h h o u l s b y , 1 9 8 4 ) 。 由于土坡中的抗滑桩及码头边坡中的桩基通常设置成桩排型式，故在计算 桩所受到的侧压力时必须考虑桩间距的影响。当桩间距较小时，桩间土体在桩 间形成土拱效应，土体不致从桩间滑出：当桩间距增加时，土拱效应减弱，当 桩距大于某一值( t ) 时，土体将从桩间滑出或产生绕桩滑动，t 称为临界桩间距。 w e nl w a n g & k h o r i ns a l m a s s i a n ( 1 9 7 8 ) , 及杨雪强等( 1 9 9 7 ) 曾研究了基坑支护桩临 界桩间距t 的表达式，沈珠江( 1 9 9 2 ) 也研究了相关问题。 1 2 第2 章被动桩研究现状 r a n d o l p t h & h o u l s b y ( 1 9 8 4 ) 在分析不排水情况下受侧向被动荷载性状的分 析中，指出一个关键的参数便是完全承受土层水平滑动位置处的极限阻力。将 土层描述成完全塑性的粘性材料，则这个参数即桩的极限阻力在塑性理论中可 以简化为平面问题，即简化为计算作用在无限体中水平位移的桩上的作用力。 r a n d o l p t h & h o u l s b y 据此提出一个作用在被动桩上的荷载的精确解，考虑土体的 强度和桩的直径，如果这个作用力简化成平面问题，则荷载因子在桩土界面理 想光滑条件下的6 + 万和完全粗糙状态下的4 2 + 幼之间变化。 对于加固土坡用的抗滑桩，目前常用的设计方法是推力传递系数法，该方 法基于许多简化和假设，实际上是回避了桩土相互作用，因而有不足之处。 i t o ( 1 9 8 2 ) 和沈珠j q ( 1 9 9 2 ) 各自都提出了能够考虑桩土相互作用的设计方法，对于 研究大面积堆载条件下桩基的计算有借鉴意义，故现介绍如下。 2 3 1 塑性变形理论法 地表面 。，i ) r ， 釜、 = = j 旨帕c 土体 至刍 兰罗少 z f f , ：，mr 骨动面 抗滑相 。 ：。一 塑性区 - 三 ：一 五 - - ： = 宜 【 - j 。 图2 5 ( a ) 桩的稳定 滑动方向 ( b ) 土坡的稳定 由于被动桩上侧压力是桩基稳定性分析中最关键的参数，无论是大面积堆 载下邻近的桩基分析还是边坡加固的抗滑桩分析，正确地估算侧压力是稳定性 分析的关键，如图2 5 所示。侧压力如估计过大，将导致桩稳定性的保守和边坡 第2 章被动桩研究现状 稳定性的不足；反之，亦然。 这里的侧压力意味着作用于桩两侧的压力差。一般来说，侧压力变化范围 很大，由滑坡体不动时的零值，到桩周土体出现大位移时的最大值。日本学者 i t o ( 1 9 7 5 ) 根据塑性变形理论从单排桩角度提出了移动士体产生的极限侧压力计 算公式，从而用来研究排桩间距、桩顶固定条件、桩在滑动面以上的长度、直 径和刚度等因素对岸坡稳定性的影响。 图2 6 桩周土的塑性状态 l t oe ta 1 ( 1 9 7 5 ) 假设，如图2 6 所示： 1 、当土层变形时，沿a e b 和a e b 发生两个滑动面，e b 和e b i 与x 轴的交角 等于兀| 冬+ 甲| 2 ； 2 、土层只在桩周土区a e b b e a 中变为塑性，服从m o h r - c o u l o m b 屈服准则， 此后，土层可用c p 和c 的塑性体表示； 3 、在深度方向上，土层处于平面应变条件； 4 、桩为刚性； 5 、假设州上面上作用力为土动土压力； 1 4 第2 章被动桩研究现状 6 、在考虑塑性i x a e b b e f a i 的应力分量时作用在a e b ( a eb ) 面上的剪应力 忽略不计。 然后根据塑性区a e b b e a 力的平衡条件，认为作用于平面b b 和平面删 上的侧向力之差就是x 轴方向上单位厚度土层作用在桩上的侧向力p ( z ) ： p 蜘“ 志h 警虬t a n t p t a n ( 8 耕巩v 2 t a n o - 1 蚓g l c d 1 器一2 d z 以叫2 ) + 薏p e x p ( 马 虬t a n 蚰n ( 詈+ 詈) ) _ 皿 ( 2 1 ) 对于妒一0 的软土，有 比( 3 h 瓦4 9 1 + 警t 锄加z ( q - d 2 ) ( 2 - 2 ) 式中以= t a n 2 降孙彳一d 1 ( q d 2 ) h 啦唧嵋1 1 ，9 1 1 2 t 柚驴+ 珥啦+ 以帕， 9 2 = 虬v 2 t a n q p + 虬一1 ，c 为土的内聚力，驴为土的内摩擦角，d l 为桩中心距， d 2 为桩净间距，) ，是土体容重，z 表示到地表的深度。 当土体相对于桩产生移动时，作用在桩上的侧向力由零逐渐增大到极限值 p ，将p ( z ) 沿土层深度积分，即可得出桩上所受的总的极限侧向力。尽管上面 两方程是在假设桩为刚性的情况下得到的，但仍可推广到弹性桩的情况，这是 因为：根据上述对地层的假定，桩周附近土体变形很小，故桩变形产生的影响可 以忽略( i t o ，1 9 8 1 ) 。一系列野外试验及室内模型试验( i t oe ta 1 ，1 9 8 2 ) 表明，计算 结果与实际抗滑桩上的实测值相比，即使在桩顶自由的情况下也能吻合，在桩 项受约束的情况下更为准确。 d eb e e r 和c a r p e n t i e r ( 1 9 7 7 ) 认为：当土层内摩擦角小于2 0 。，桩的中心距为 桩径的3 5 倍时，该方法可得到让人满意的结果。 由于极限侧压力p 并非总能发挥出来， 后来又提出了侧向作用力动u i t oe ta l 员因子口。的概念，进一步完善了他的理论。当桩土相对位移由零逐渐增加时， 侧压力也由零逐渐增加到极限侧压力p ( z ) ，桩身实际受到的侧压力应为 1 5 第2 章被动桩研究现状 c t ) ，口。称为侧向作用力动员因子 ，一般介于 之间。m p ( z ( i t o1 9 8 2 ) 0 - 1 0 i t o ( 1 9 8 1 ) 采用塑性变形理论计算被动桩的极限侧压力，提出了抗滑桩的稳定 分析方法。由于抗滑桩是受滑动面以上那部分土体下滑所导致的横向力，故桩 的稳定分析可采用承受水平荷重的方法，只是该水平荷重是分布力，极限状态 下，该分布力p ( z ) 由( 2 1 0 ) 等式计算得到。而滑动面以下桩上的侧向反力则与桩 的挠度成正比，其基本方程如下： 鲁；p ( 三) ( 一日s ；so ) a t z j ，了d 4 y 2 ；一巨y ：( 三2 0 ) 口z ( 2 3 ) 其中z = z h ；是滑动面到地面的深度；日i 贝0 是从桩顶到滑动面的长度；y ， 和y ：分别为桩在滑动面以上和以下的挠度：桩的弹性模量；桩的 惯性距；e 。二土的变形模量。 根据z 呻o o 处y ，= 0 的条件解得桩挠度的通解如下： m 。a o + 口- ；+ a 2 一z 2 + a 3 一z 3 + 厂( 三) l ( 2 4 ) m 。+ 口1 z + + + ，i zji，、 y ：玎正( 4 c 0 s 卢：+ b s i n 卢三) l 式中口0 ，口。，a ：，口，彳和b 是积分常数，它们可由桩头联结条件和桩在滑动面处的连 续性条件而确定：，( 三) 是解的余项；一4 e 1 4 e , t , 。 桩的挠度、弯矩、剪力可由上式解得。由于桩的抗弯安全系数一般低于其 抗剪安全系数( i t o & m a t s u i ，1 9 7 9 ) ，故在桩的稳定分析中，可将其容许挠曲应 力吒黼与侧向力引起的最大挠曲应力比较而得出其安全系数。 e ，础；肛一 ( 2 - 5 ) ，j ，p 妇20 0 枷仃口 k z 。) 计算分析表明：桩的稳定性与桩顶约束条件有关，其稳定性安全系数就越 大。因此，可以认为，应该约束桩顶使之不能移动或转动，才能更有效地发挥 桩的抗滑效应。 如果假定滑动面为圆弧，则可以将滑动面以上土体的抗滑力矩m ，和驱动力 1 6 第2 章被动桩研究现状 矩m 。进行比较而得出其安全系数： f s , s l o p e = 鲁；警 协6 ， m ，驱动力矩 m ，。滑面上土体的抗滑力矩 m 桩的抗滑力矩 此夕b i t ot o m i o 等人同时还把土体作为b i n g h a m 型粘塑性材料，进而推导作用 于桩体上的侧向土压力，提出了塑性流动理论。但由于该理论中一个对计算结 果影响很大的重要参数塑性粘滞系数难以精确估计，用该套理论计算的结 果往往与实测值和试验值都不符，因此并没有形成具有实用价值的设计计算方 法。塑性理论方法也被用于多排桩的设计计算，此时假设每个桩排均远离相邻 的桩排，从而忽略各桩排之间的影响。 2 3 2 散体极限平衡理论法 国内现有的抗滑桩设计方法往往只按桩的折断计算抗滑阻力，而未考虑土 体绕桩滑动的可能。沈珠江0 9 9 0 ) 提出，完整的抗滑桩极限设计方法应当包括各 种可能的破坏验算，即应当包括土坡整体滑动验算，土体绕桩滑动验算和毁桩 滑动验算。他利用散体极限平衡理论推导了土体沿水平方向绕桩滑动时桩身受 到的绕流阻力公式，并在此基础上提出了抗滑桩的具体设计步骤。 假设土层无限广阔并沿水平向对垂直桩作相对运动，且桩的侧面绝对粗糙， 得到圆形桩单位桩长上的绕流阻力公式如下： p ( z ) ；( r z + c c t g 妒胁嚼 扩妒3 t g 妒c o s # + ( 2 t 9 2 刊s 洫p + 篱s m 卅 + 3 t g t p s i n