（岩土工程专业论文）软土地基中桥头路基填筑对桥台桩的影响研究.pdf

摘要 软土地基中桥头路基填筑对桥台桩的影响研究 摘要 在高速公路与桥梁的连接段通常需要将路基加高加宽，如果桥头路基下存在较大厚度的软 土层时，路基软土将在上覆路堤荷载作用下，发生侧向变形，此时的桥台桩将承受来自于士体水平 移动引起的侧向荷载。特别是在路堤施工完毕以前，建造的桥台桩将承受更大的侧向土压力。土的 侧向荷载对桥台桩基的水平位移和弯曲变形具有重大影响，往往导致桥台桩身发生挠曲，严重时将 导致桥台或桥梁结构的破坏。 针对上述问题本文在总结和阐述现有被动桩土压力理论、试验成果和计算方法的基础上，结 合具体的工程问题采用有限元方法对桥台桩与土体相互作用问题展开了初步的研究。 首先，根据国内外文献资料，主要就软土地基上桥头路基填筑对桥台桩的侧向影响研究现状进 行分析，总结了目前包括软基上桥头路基填筑对桥台桩基影响的试验、有限元分析以及路堤下覆软 士侧向变形引起的桩身土压力计算等诸多方面的研究成果。 其次，总结了侧向变形土体常见的位移模式分析了桥台桩的变形机制，然后分别阐述不同模 式下桩侧压力的产生机理及桩的几种破坏模式，在此基础上提出桩土间相互作用力与桩土间相对位 移的双曲线关系模型和理想弹塑性关系模型。 本文从填土荷重作用下土体位移的机理分析入手，总结了桥台桩位移的判断与分析方法，并提 出了软土地基上桥台桩设计应考虑的两个问题和避免桥台桩产生过大位移的处理对策。对软土地基 上的桥台桩。先从抗滑桩的角度分析了桥台桩所承受的侧向土压力以及桩的变形情况，探讨了桥头 路基填筑过程中下覆软土侧向变形引起桥台桩侧向位移的计算方法，并对这些方法进行了进一步的 评价。 最后，结合连云港软形成的地质背景，对该地区软土的工程性质进行了分析总结，对某一具 体的桥梁工程，通过( 平面应变) 有限元方法研究了桥头路基填筑高度、填筑速率、下覆软土层厚 度以及土性参数变化等对相邻桥台桩的侧向影响，得出了一些相关结论可供工程设计参考。 关键词；软土地基；路堤；桥台桩基：侧向变形；桩土相互作用；离心模型；有限元法 a b s t m e t r e s e a r c ho fe m b a n k m e n tl a t e r a ld e f o r m a t i o ne f f e c t so np i l e d b r i d g e a b u t m e n t so ns o f tg r o u n d a b s t r a c t p i l e ss u p p o s i n gb r i d g ea b u t m e n t so ns o f tc l a ym a yb el o a d e dl a t e r a l l yf r o mh o r i z o n t a l s o i lm o v e m e n t sg e n e r a t e db yt h ea p p r o a c he m b a n k m e n t c o n s t r u c t i o no fe m b a n k m e n t so n s o f t c l a y r e s u l t si nt h ed e v e l o p m e n to ft i m ed e p e n d a n tv e r t i c a la n dh o r i z o n t a ls u b s o i l d i s p l a c e m e n t s 鼢e r e 曲ee m b a n k m e n to ns o f tc l a yf o r m sa na p p r o a c ht o ap i l e db r i d g e a b u t m e n t ，t i m e d e p e n d a n tm o v e m e n t s w i t h i nt h ec l a ym a y p r o d u c es i g n i f i c a n tl a t e r a ll o a d i n g a n dd e f l e c t i o no ft h ep i l e s t h i sl o a d i n g a n da n ya d d i t i o n a ll a t e r a l l o a d i n gd e r i v e df r o m b a c k f i l le a r t h p r e s s u r ei nc a s e sw h e r e 也ea p p r o a c he m b a n k m e n t i sr e t a i n e db yt h ea b u t m e n t s t r u c t u r e ，w i l li n d u c eb e n d i n gm o m e n t sa n dd e f l e c t i o n si nt h ep i l e s i ns e v e r ec a s e s ，t h i sm a y l e a dt os t r u c t u r a ld i s t r e s so rf a i l u r eo f t h e p i l e so rb r i d g es t r u c t u r e t os o l v et h ep r o b l e m sm e n t i o n e da b o v e b a s e do nt h es y s t e m a t i cs u m m a r yo f e x i s t i n g t h e o r i e s ，t e s t sa n da n a l y t i c a la p p r o a c h e s ，t h eb e h a v i o ro fp i l e db r i d g ea b u t m e n ta g a i n s ts o i l l a t e r a lm o v e m e n t sh a sb e e ns t u d i e dt h o r o u g h l yb yf e m t h em a i nc o n t e n t sa n dc o n c l u s i o n s c a nb eg i v e na sf o l l o w s ： f i r s t l y , a c c o r d i n g t o g e o t e c h n i c a l l i t e r a t u r e s ，t h e c u r r e n tr e s e a r c hs i t u a t i o no f e m b a n k m e n tl a t e r a le f f e c t so nt h ep i l e db r i d g ea b u t m e n t so ns o f tc l a yi sa n a l y z e d t h ef i e l d o b s e r v a t i o nr e s u l t sa n dc e n t r i f u g em o d e lt e s t so f p i l e db r i d g e 曲u t m e n t so ns o f tg r o u n d f i n i t e e l e m e n ta n a l y s i so ft h es o i l - p i l ei n t e r a c t i o na n dv a r i o u sc o m p u t a t i o n t e c h n i q u e so f t h e1 a t e r a l e a r t hp r e s s u r ea c t i n go nt h ep i l e sf r o mh o r i z o n t a ls o i lm o v e m e n t sa r es u m m a r i z e d s e c o n d l y , d i s p l a c e m e n tm o d eo f u n s t a b l es o i la n dt h ed e f o r m a t i o nm e c h a n i s mo f p a s s i v e p i l ea r ea n a l y z e d ，t h e nae l a s t i cp e r f e c t l yp l a s t i cm o d e la n d ah y p e r b o l i cc u r v em o d e la b o u t t h eb e h a v i o ro f p i l e db r i d g ea b u t m e n ta g a i n s ts o i ll a t e r a lm o v e m e n t sa r ed e v e l o p e do nt h e b a s i so f t h ep r e v i o u sr e s e a r c h i nt h i s p a p e r , ap l a n es t r a i n f i n i t ee l e m e n ta p p r o a c hi sd e s c r i b e df o ra n a l y s i so fp i l e g r o u p si n f l u e n c e db y l a t e r a ls o i lm o v e m e n t sf r o mt h ea p p r o a c he m b a n k m e n ti nl i a ny u n g a n g t h ep i l e sa r er e p l a c e db ya ne q u i v a l e n ts h e e t - p i l ew a l lw i t hf l e x i b i l i t ye q u a lt ot h ea v e r a g e s t i f f n e s so ft h ep i l e sa n ds o i li tr e p l a c e di nt h ea p p r o a c h t h e n t h er e l a t i o nb e t w e e nl a t e r a l d e f o r m a t i o ne f f e c t so nt h ep i l e db r i d g ea b u t m e n ta n dt h es u r r o u n d i n gi s s u e ss u c ha st h e t h i c k n e s so fs o f tc l a y , e m b a n k m e n th e i g h t ，l o a d i n gs p e e di ss u m m a r i z e d s o m ec o n c l u s i o n s a r ed r a w nr e g a r d i n ga p p l i c a t i o no ft h ea n a l y t i c a lm e t h o dt ot h ed e s i g np r o b l e m so ft h i s n a t u r e k e y w o r d s ：s o f tc l a yg r o u n d ；e m b a n k m e n t ； s o i l - p i l ei n t e r a c t i o n ；c e n t r i f u g em o d e lt e s t ； i i p i l e db r i d g ea b u t m e n t ；l a t e r a ld e f o r m a t i o n f e m 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( f l 括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 一躲堑牛：趣丝叫 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 近年来，高速公路的建设在我国迅速发展。到1 9 9 8 年底，我国高速公路通车里程已达8 7 3 3 k m ， 跃居世界第八位。尤其是1 9 9 9 年以来。在我国加大基础设施投资力度政策下，当年1 0 月底，我国 高速公路通车总里程突破一万k m ，从世界第八位跃居第四位，到年底，通车总里程达到1 1 万k m 。 在2 0 0 0 年，新增高速公路6 5 0 0 公里。截止到2 0 0 1 年底。我国高速公路里程达到1 9 万公里，居 世界第二位。2 0 0 2 年随着太原至介休高速公路的通车，我国高速公路里程突破2 万公里。 江苏省近年来加大了高速公路建设力度，最近1 0 多年是江苏省交通建设发展最快、投入最多、 规模最大的时期，全省纵贯南北、横穿东西的高速公路网络骨架初步形成。1 9 9 6 年，沪宁高速公路 江苏段建成江苏省高速公路实现了“零”的突破；1 9 9 8 年，江苏省提出在加快苏南高速公路建设的 同时，将高速公路建设的重心转移到苏北，相继建设和正在建设了淮江高速公路。沂淮高速公路， 连徐高速公路，汾灌高速公路，宁宿徐高速公路，宁靖盐高速公路，连盐高速公路；2 0 0 0 年以来， 江苏全省高速公路在建规模每年都保持在1 0 0 0 公里以上。 图1 1桥头路基填筑引起桥台桩基所承受的侧向荷载 高速公路是线形的带状构筑物，跨越地区广泛。沿线地质条件复杂。开始阶段我国高速公路多 建于沿海诸省沿线大部分为淤泥质海岸，土层分为淤泥、淤泥质土及淤泥混砂层，属于饱和的正 常固结软土。在沿海软土地基上修建高速公路时，将修建大量的桥梁。在高速公路与桥梁的连接段， 通常需要将路基加高加宽。如果桥头路基下，存在较大厚度的软土层时，路基软土将在上覆路堤荷 载作用下，发生侧向变形 1 i 此时的桥台桩将承受来自于土体水平移动引起的侧向荷载( 图1 - 1 ) 。 特别是在路堤施工完毕以前，建造的桥台桩将承受更大的侧向土压力。土的侧向荷载对桥台桩基的 水平位移和弯曲变形具有重大影响往往导致桥台桩身发生挠曲，严重时将导致桥台或桥梁结构的 破坏。另一方面路基边坡土体有可能在软土层中形成贯通的滑动面( 图1 - 2 ) ，当最危险滑面位置 较深，而桥台桩基又处于滑动体影响范围内时，滑带以上部分土体的移动或蠕动p 1 会对桩基产生相当 大的推力，足以使桩基毁坏。即使稳定系数较高的路基边坡，由于其下卧软土层的存在，仍会发生蠕动 滑移现象，边坡土体的间歇性蠕动滑移也能够引起桥台桩基结构的损坏。高速公路桥头填土高度一 般比较高，然而软土本身极限填土高度一般比较低。填土荷载远远超过地基土本身承载能力，由于 台后填土压力作用将下覆软土向河一侧临空面滑移，危及桥台桩基及其上部结构的安全。如果在桥 头地区存在暗坡，当发生地震时，桥台桩基往往出现侧向大面积的位移，甚至出现桩断。这是因为 地基液化永久大变形对桥梁基础的影响，特别在桥头地区，地基液化作用下，土体的侧向变形对桥 台桩基的影响更大。 东南大学硕士学位论文 路面桥面 l j 路基填土 桥台 、 朴+言爿 ：桩 il u 图1 - 2 软基中桥头路基填筑对桥台桩基的影响 根据土的蠕变原理，在一定偏应力f 作用下。软弱土将产生蠕变i ”。偏应力水平愈高，软土的 蠕变速率愈大。一旦偏应力高于软土的屈服极限( 长期强度f 。) 。软土将不停地产生加速蠕变，直 到最后破坏( 图i - 3 ) 。 t + + + + + + + n 软土 一y s 图l 一3 软土的蠕变特性( 茜平一，1 9 9 3 )图1 - 4 路堤下软土水平位移( 茜平一，1 9 9 3 ) 当桥头填土高度较低时。路堤下软土中偏应力水平较低，土的侧向位移较小，主耍为弹性瞬时 位移( 图1 - 4 ) ；填土高度较高时，其接近或超过临界高度时，土的侧向瞬时位移增加，并伴有缓慢 的稳定蠕变：当填土足够高时，软土层中的偏应力达到屈服值土将产生较大的加速蠕变。在连徐 高速公路连云港地段软土地基中某桥梁即产生这样的现象，在桥头路基填筑过程中，下覆软土的塑 性流动致使桥台桩产生较大的水平位移，使桥台前移过大而无法安装预制梁和盖梁下面柱顶处产生 裂缝；杭州某桥梁o 建成至今已有1 0 年之久，建桥时填筑桥头路基过程中发现原1 # 位桩体双双向江 面方向倾斜并发生断裂，只好在路基筑完后再行补桩。近来发现1 # 位地面以上部分桩身迎江面一侧 出现了一系列相互平行的水平横向裂缝，裂缝最大长度超过1 5 m 。最大缝宽超过3 m m ，最大裂缝出 现在近地面承台与桥墩的交接处，2 # 位桩也有类似现象，只是损坏程度较轻，最大缝长一般不超过 1 0 m ，缝宽一般在0 5 r a m 以内上述情况表明：桥头路基填土对邻近桥梁桩基的影响不仅仅发生 在施工期内。而且还发生在旌工期后相当长的一段时间内；下覆软土的蠕变持续发展会对邻近桥 台桩基产生相当大的推力，足以使桩基毁坏。 在实际工程中，由于桥头路基填筑引起桥台侧移、开裂，桥台桩身剪切破坏、弯曲破坏的事故 屡见不鲜，因此，工程中如何有效地考虑路基填筑过程中下覆软土侧向推力对桥台桩的影响，且应妥 善解决。公路桥涵地基与基础设计规范( j t j0 2 4 8 5 ) 推荐算法为m 法，由于其计算参数的确定较近 似，又未考虑桥头路基填筑引起下覆软土对桥台桩的侧向推力荷载，因而计算结果准确性差。安全度 没有保障。为了保证施工及安全，必须注意严格控制路堤填筑速率。公路软土地基路堤设计与施工 技术规范( j t j 0 1 7 - 9 6 ) 规定：路堤填筑过程中，应进行沉降和稳定监测。当接近或达到极限填土 高度时，严格控制填土速率，以免由于加载过快而造成地基破坏。一般每填一层，应进行一次监测， 2 第一章绪论 控制标准为：路堤中心线地面沉降速率每昼夜不大于1 0 c m ；坡脚水平位移速率每昼夜不大于o ，5 c m 。 观测结果应结合沉降和位移发展趋势进行综合分析。其填筑速率，应以水平位移控制为主，如超过 此限应立即停止填筑。桥头路堤应于结构物施工前填筑，并不应小于6 个月，使桥台地基先预压稳 定后再开挖。在预压期内不应在路堤上做任何工程，只允许添加由于沉降而引起的附加填土。软土 地区的桥台、涵洞、通道以及加固工程应于预压期沉降完成后再进行修建。在软基上填筑路堤，当 桥头路堤边坡受到河流冲刷时，应补设防护工程。在相应涵洞位置设置临时排水涵管；对路堤工程 亦应做好临时排水设施，以防流水浸泡和冲刷路堤。路堤与桥台衔接部位、路堤与锥坡预压填土应 同步填筑与碾压。在大型压路机不易到位的边角宜用小型打夯机夯压密实。其分层碾压厚度控制在 1 5 c m 为宜填料亦宜选用渗水性土。 软土地基中桥台桩的设计与桥头路基填筑工艺有很大关系，稍有不慎，便会引起桩的侧向位移 与破坏。软土地基中，桥头路基填筑对于邻近桥台桩基的影响，主要表现在下述两个方面：桥头 路基填土引起下卧软土层侧向变形而挤压桩身，使桩挠曲甚至断裂；桥头路基填土引起地基土固 结，使邻近桥台桩基受到负摩擦而下沉，并且往往造成不均匀沉降，这对桥台甚至桥粱上部结构不 利。一般说来，这两种影响是同时存在的。不过。在一些情况下第一种影响比较突出i s l ，而在另 一些情况下，第二种影响是主要的。本文主要针对第一种影响进行阐述。该论文拟以软土地基上桥 头路基填筑对桩的侧向影响为研究对象，研究加载高度、速率、蠕变性等对桩的侧向影响。 1 2 被动桩研究现状 下覆路基软土受桥头路堤填筑作用发生侧向挤压从而带动邻近桥台桩基发生侧向变位，不同于 常规的水平受荷桩。常规的水平受荷桩属于主动桩，即桩受外力作用向土体中传递荷载，而受土体 水平运动作用的桩属于被动桩，此课题所涉及的桥台桩问题是典型的被动桩问题。因此，要进行软 土地基上桥台桩的研究，必须先要对被动桩问题有一个深入的认识。李仁平1 1 1 对被动桩问题进行如 下总结： 1 2 1 被动桩的定义 桩根据功能进行分类，可分为抗轴压桩、抗侧压桩和抗拔桩1 6 i 。一般工业民用建筑中的桩基，在 正常工作条件下( 不考虑地震) ，主要承受从上部结构传来的垂直荷载；港口码头工程用的板桩，基 坑的支护桩等主要承受作用在桩上的水平荷载，这类桩桩身要承受弯矩力，其整体稳定是靠桩侧的 土压力，或水平支撵和拉锚来平衡：抗拔桩主要抵抗作用在桩上的拉拔荷载( 如锚桩) 。拉拔荷载由 桩侧摩阻力承担。显然，许多建筑物的桩要同时承受轴向荷载和水平荷载，或要同时考虑拉和压的 作用。 d eb e e r i _ 1 根据桩基与周围土体的相互作用，将桩分为两大类；第一类桩基直接承受外荷载并主 动向土中传递应力，称为“主动桩”( a c t i v ep i l e ) ；第二类桩基并不承受外荷载，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 ) 。显然，在主动桩中， 桩上的荷载是“因”，而土的变形或运动是“果”：而在被动桩中，土体运动是“因”而它在桩身引起的 荷载是“果”。可以想象，被动桩闻题要比主动桩f 鼋匪复杂得多。例如，在主动桩中，桩上所受的外 荷载一般是明确的，与桩的存在和土体运动无关只是桩土相互作用力的分布不清楚而已。在被动 桩中，虽说土体运动是因。但它却与有无桩的存在以及桩的性状、数量和布置有关。也就是说，这 个问题的原始数据是变化的，由此而引起的桩身荷载与桩土相互作用处于动态的平衡状态，表现出 强烈的相互作用特性，给问题的解决带来了困难，所以从一开始就必须将桩土体系当作整个来考虑， 才能搞清桩土之间的相互作用。由此可以看出，被动桩与运动土体之间的相互作用是一个非常复杂 的重要课题。 1 2 2 被动桩常见的工程问题 对于被动桩，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”。 3 东南大学硕士学位论文 对于被动桩，如果设计不当，会产生严重的工程问题，例如： 1 建筑桩基础( 对挤土桩而言) 在施工过程中，由于打桩引发的挤土效应会使周围土体产生水 平位移，引起桩身扰曲1 9 l ；对于高层建筑物除了打桩的挤土效应外由于基坑开挖引起工程桩的 扰曲变形甚至毁坏也不容忽视i “。为了减少桩的侧向变形。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扰曲，形成被动曲桩。由于曲桩的承载力比赢桩要低， 严重时会危及建筑物的安全i ”i 。 2 建于软土地基中的桩基码头，由于港池开挖和堆场的填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i l “。 3 大面积堆载附近的桩基或路堤旁建筑物的桩基，由于堆载引起地基土侧向移动，可能对桩 基施加巨大的水平荷载1 1 2 1 ，故在堆载和路堤建造前，必须对侧向土压力在桩中引起的弯矩进行准确 计算，以判断是否需要采取防范措施。此外由于桥头路基的影响，桥台桩基及邻近桥头桥梁桩基 也存在同样的问题。 杨敏”经过研究发现。堆载甚至超载对邻近桩基主要存在以下影响： 1 ) 堆载引起软土地基的失稳，滑动体对邻近桩基产生推挤作用，导致桩基的失稳( 见图1 5 ( a ) ) ； 2 ) 堆载引起土体的侧向移动。对桩基施加推力作用，导致桩基产生侧向弯曲( 见图1 5 ( b ) ) ； 3 ) 堆载b i 起土体的固结沉降。使邻近桩基产生负摩阻力作用，从而产生沉降和差异沉降； 4 ) 长期反复堆载作用下土体流变和塑性屈服引起邻近桩基的位移累积。 弋h 2 j ( 1 3 ) 当实际稠度指数大于临界值时，就可不考虑侧向土压力对桩的影响；当实际稠度指数小于临界 值时，单位长度的侧向土压力p 6 取下列各计算值的最小值： = 1 0 黾d = ( g 一2 s 。) s = ( g 一2 s 。) 3 d = ( g 一2 s 。) 吃 = ( g 一2 s 。) b o n ( 1 4 ) 式中：d 为桩宽或直径：口为地面荷载；5 为桩间距：, e s 为软土厚度；a c 为桩群的总宽度：n 为桩 数。用该法可计算出土堤破坏时极限状态下的最大弯矩值。 6 ) s p r i n g m a n 2 1 1 法，依据桩土间的相对位移分析了土压力的可能分布型式。 7 ) s t e w a r t l 2 2 l 法 则考虑了堆载( 路堤) 型式及土体非线性对土压力的影响，对s p r i n g m a n 确定土压力的方法进 行了适当改进。在确定出土压力之后，他们各自提出了桩身位移及弯矩的计算方法，s t e w a r t l 2 ”则是 提出了桩顶位移及桩身最大弯矩的表达式。 8 ) v i g g i a n i l 3 6 1 介绍了粘性土中桩土体系可能破坏模式的有关分析，这一分析是假定桩土相对位移完全 动用了桩土相互作用的屈服荷载( 只) 来完成的。其屈服荷载可定义为： 只= k 。c 。d ( 1 5 ) 式中：c 。一土的不排水抗剪强度；d 一桩的直径；k c 一侧向承载力系数。 显然，上式未考虑桩间距对只的影响，仅适用于单根桩或桩间距大于临界桩间距厶的情况。 1 0 第一章绪论 关于足，值，主动桩与被动桩有所区别，主动桩在坚实土中移动，而被动桩是由流动土加载其 结果是两种桩的承载力系数存在很大的不同。就主动桩而言，在不排水条件下，b r i n c h h a n s e n 发现 承载力系数足在2 6 0 8 1 4 间变化，其大小取决于计算点到地面的深度。b r o m s p i 在他的分析中发 现承载力系数k 。在8 2 8 1 2 5 6 间变化。r a n d o l p h 和h o u l s b y l 3 b i 提出过一种用于粘土中排水条件下 的分析方法，发现光滑桩k 。= 9 ，十分粗糙桩k 。= 1 2 。有关被动桩的k 。值，只有少量的报道可 以利用。d e b e e r l 7 1 列举了按y o m i o l t o m a t s u i l 3 3 1 的塑性变形理论推导出的k 。值等于3 3 3 。另一方 面，采用d eb e e r & c a r p e n t i e r p g l 的分析，修改成足。= 2 8 0 。根据上述这些五。值，有理由认为滑动 面( 软硬土交界面) 以上的移动土( 软土) 和滑动面以下的稳定土( 硬土) 分别具有不同的k 值。 对于被动桩，土的承载力系数要比主动桩小一些，这一点也和s o m m c r l 4 0 1 在1 9 7 7 年的分析结果相符 合。根据m a u g e r i 和m o t t a l 4 1 1 的分析，流动土的j 0 值一般在3 3 5 之间变化，而稳定土的k ，值一 般在5 6 8 0 之间变化。二者相差一倍左右，但是，除了接近地表处的一些影响外，为什么存在这 样的差异还无法解释。实际上x ，的取值取决于许多因素，如桩间距、桩和土体的变形和强度等，它 本身并没有明确的含义。因此，要想精确地计算流动土作用于被动桩的侧压力是极为困难的。 3 基于土体位移的分析方法( d i s p l a c e m e n t - b a s e d m e t h o d ) 该方法是直接依据土体位移分布计算桩身侧向位移及弯矩的分布情况。用位移法分析桩土相互 作用更为合理，但是必须已知无桩时土体自由侧向位移分布，然后把这位移叠加到桩上，而桩土相 互作用则用弹性理论或地基反力法计算。位移法可以得出桩身弯矩和位移分布情况。 ( 1 ) 弹性法p o u l o s i ”i 提出了弹性土体中单桩的有限差分边界元分析方法，假定桩周土体为均质弹 性介质，其应力和变形满足弹性半无限体内作用有水平力的m i n d l i n 解答。土体变形模量和屈服应 力沿深度线性变化。而土体中的桩被简化为简单的弹性梁，满足梁的挠曲微分方程，然后通过桩土 接触面上的应力平衡求解桩的挠度和内力，p o u l o s 的方法考虑了土体的连续性和性状随深度的变化 情况，得出了单桩计算的各种图式，并考虑了桩的刚度、边界条件、土的屈服等的计算图式，与现 场实测结果进行了比较。李国豪1 4 ”则采用弹性地基梁解析法利用桩的挠曲微分方程来求解竖向荷载 作用下曲桩的变形和内力。 ( 2 ) 地基反力法与p o u l o s 的弹性法不同，用地基反力法分析承受土体侧向位移桩时，未直接考 虑地基的连续性。控制方程为 彤参叫；) s ， 式中：y 和y 。分别为桩和土的位移；k 为地基反力模量。该法利用现场实测土体自由位移和考虑了 地基性状随深度变化的计算结果和实测值非常吻合。m a r c h e 等1 4 4 1 进行类似分析，用弹性法计算土体 自由位移时，考虑了土的不均质性和各向异性，也得到了与实测值非常一致的结果。b o u r g e s ，f r a n k m i e u s s e n s 和b i g o t 等用非线性弹簧( 即p j ，曲线) 来模拟土体，采用地基反力法分析桩土相互作 用，并编制了单桩的计算程序。b i g o t 等通过输入实测土体自由位移，计算桩的弯矩和位移得到结 果与实测值非常一致，b i g o t 等在用经验法计算的土体位移进行分析桩土相互作用时发现，只有桩弯 矩最大值与实测结果吻合，而其它的弯矩则相差较大。 东南大学硕士学位论文 ( 3 ) 用于群桩的分析方法将上述方法之一改进后，可用于分析桩群。 ( a ) 把进行单桩分析时的桩头固定条件改为近似模拟刚性桩帽的影响，即假定各排桩的土体侧向 位移相同。这一假定偏于保守，特别是当相邻桩的遮帘作用位移会明显减小时。 ( b ) 修改单桩计算程序，以适用不同的土体自由位移。尽管在缺少更详细的试验或分析资料情况下， 很难确定相邻桩的遮帘作用所引起的位移减小时，仍能符合实际情况。 由于桩群的遮帘作用，输入的土体自由位移可能比单桩周围实际发生的要大，所以，以上两种 改进都可能得出偏保守的计算结果。当桩群使土堤的稳定安全系数得以增加很多时，这种影响就格 外显著。但如果土体的自由位移己知或可以准确计算，这些影响就不存在了。 这里简要介绍以下几种分析方法：( p o u l o s 、李国豪、杨敏) p o u l o s 的分析方法属于弹性力学方法。在分析中，桩被模型化为一个简单的弹性粱，土体则作 为一个弹性连续介质。基本问题如图1 1 l 所示，桩每一个单元的侧向位移都是与桩的弯曲刚度和水 平向的桩一土相互作用应力相关，相应土体的侧向位移则是与土的弹性模量或刚度、桩一土相互作 用应力和自由场水平士体位移相关。就可以确定一个极限的侧向桩土应力，因而允许土体中产生局 部破坏，也就可以得到非线性的反应。 通过在每一个单元上桩和土的水平位移的一致性 桩一士位移协调原理) 的考虑，如果桩一土 作用界面维持弹性状态的话就可以得出下面的表达式： rrr 1 一i rr 1 - 1 l d 】+ 告| 和) = 告 帆 ( 1 7 ) l 月珂 a r ” j。 1 l | | 2 一2 - 一l l l j 三p j p j 三 一 j - _ m f 1 一 ( a ) 桩上的应力、力和位移； ( b ) 土中的应力：( c ) 土中确定的水平位移 图i - i l 在土中承受侧向位移的桩的模型( p o u l o s ，1 9 7 3 ) 式中： d 】桩的有限差异系数抗弯矩阵； d - 土体位移因数的逆矩阵；k 。桩的无量 纲挠度系数。k 。= e ，e f ；玎把桩分成的单元数； 户) 桩的侧向位移增量； p 。 自由场土体侧向位移增量；e ，桩的抗弯刚度；e 。治桩身土体的平均杨氏模量：三桩 的埋置深度。 此外，水平力和弯矩平衡方程式，桩头和桩尖的边界条件都可用位移来表示。在解答了位移增 量所得到的等式以后可以根据桩的弯矩方程式计算压力增量，然后加上既有的压力就可获得总的 桩一土压力把这些值与相应单元处土的屈服压力值做比较，以确定桩侧土单元是否进入破坏状态， 1 2 第一章绪论 一旦进入破坏状态，桩一土压力就由屈服压力取代而不再增加，相容方程式可由包括了侧向压力增 量为零的条件的挠度方程所替代，照此反复计算。直到没有一个单元处的计算压力超过屈服压力为 止。根据最后算出的位移和压力，可以算得沿桩长的转角、弯矩和剪力等分布。如有需要。还可以 修正上述的分析。以考虑桩与土脱离或桩的塑性弯曲等不同情况。 李国豪曾对桩土间的相互作用力与桩土相对位移关系采用线弹性模型，利用弹性地基梁解析法 对被动桩的反应进行了分析。 图1 - 1 2 表示由于路基填筑致使下覆软土地基发生水平位移甜( 功，同时其中的桩产生水平位移 y 。( x ) a 根据w i n k l e r 假定，桩土之间的相互作用力q o 与彼此的相对位移成正比。这个比例数，即 弹性系数k ，等于桩的直径或宽度d 乘以地基侧向反力系数以，对于软土，可近似地取缸为与深度 无关的常数。故运动( 流动) 土中桩的挠曲微分方程为： e l d 4 y o ( x ) 出4 一v 叫螂) y ( x ) o i 少勺o ( x ) 一 x 胆，匈 或者争+ 掘4 舶4 “ 图1 一1 2 桩土相对位移关系图 热“= 压儿堋蝴愀一慨 ( 1 8 ) ( 1 9 ) 根据式( 1 9 ) 求解乩( x ) 时，需要根据具体情况从理论计算或实测结果先确定土体的水平变位 u ( x ) ，李国豪在宝钢课题中依据所实测的三条y 。 ) 曲线来求出一根有代表性的y o ( 工) 曲线，著使 它能满足桩的边界条件，而土的位移“( 工) 却是未知函数。只好试假设合适的“o ) ，用式( 1 9 ) 米 求得满意的y 。o ) 。 上述宝钢课题由于以下两种情况比较容易解决，第一，式( 1 9 ) 左边的第一项在这里比第二颈 1 3 东南大学硕士学位论文 小的多，因而甄 ) 和“( x ) 相差不大：第二桩顶边界条件对粥( 工) 的影响不大，而且主要限于桩 顶附近。因此，可以用如下形式的函数或几个这种函数之和来表达土的水平变位 h ( x ) = u o e 一也。( 芦s i n x + d c o s x ) ( 1 1 0 ) 通过适当选择常数、t 、u 、 、如能够逼进一个给定的( x ) 曲线或乩( z ) 曲线针对具 体的宝钢课题，他选用了 u ( x ) = , t o e “1 ( s i n x + c o s a x ) ( 1 1 i ) 其中： = 三h ，为桩长。 将式( i 1 i ) 代入式( 1 9 ) 解得： y o ( 砷= ”o p 一抽( 口os i n 枉+ 6 0c o s a x ) + u o e 一雄( a s i n c + b c o s g o f ) ( 1 ，1 2 ) 其中含2 的部分是满足微分方程式( 1 9 ) 的特解，含口的部分是式( 1 9 ) 的右边为零的齐次解， 其积分常数a 和b 用以满足桩顶边界条件。考虑到地基深处y 0 0 ) s0 ，式中舍去了含p “的解。注 意到桩项边界条件： x = o 时： 膨= 一印。”= o b ”( o ) = o i( 1 1 3 ) q = 一e l y o = o ，即y o ”( o ) = 0j 结果得出 铲= 禹 a = - 乓 t t t 口= 等知 ( 1 ，1 4 ) 从式( 1 1 0 ) 和式( 1 1 1 ) 可以求出土表面和桩顶的水平位移的比例： 鱼：!( 1 1 5 ) 民6 0 + b 土与桩之间的水平位移之差表示桩土之间的作用力分布情况，它等于 “( x ) 一y o ( x ) = 一u o c o e 一抽( s i n , , i x + c o s g x ) 一“o e 一“( a s i n a + b c o s 似) 1 1 6 ) 热铲南 通常比口4 小得多，所以“( 功和y 。 ) 相差不太：但是随着桩的抗弯刚度e 的增加 材( 功一y 。( 茗) 会增加，桩土之间的相互作用力即为 1 4 第一章绪论 g o ( j ) = 譬【“( x ) - y o ( x ) 】 ( 1 ，1 7 ) 桩的弯矩可以从式( 1 1 1 ) y 0 0 ) 的曲率求出，其中a 、b 可按式( 1 1 3 ) 代入，结果得： 肘o ( x ) = 一e 饥“( x ) ( 1 1 8 ) 即 m o ( x ) = 甜0 2 e 1 2 2 a o e 一血( c o s 2 x s i n a x ) 一p 一础lc o s ( r + ( 1 一三! ) s i n c l ( 1 1 9 ) 【l 口 j j 由于李国豪的方法是将土视为弹性土。所以该方法只适用于土体发生小变形的情况，当土体水 平位移较大时，会得出不切实际的结果。p o u l o s 的方法由于设定了桩周土极限侧压力，相当于视土 体为理想弹塑性体，因此，即使在大变形的情况下，结果也较为准确。 杨敏1 4 5 1 在分析软土地基条件下桩基础堆载作用下的变形时，对常规的弹性地基粱法( m 法) 作 如下改进：( 1 ) 堆载引起的土体位移挤压邻近桩基，同时桩基对土体的运动具有遮拦作用，两者相互 作用力假设满足： p = 丸( 氏一y ) ( 1 2 0 ) 式中：k 。为假定运动土体对桩施加的水平推力与桩土相对位移的比例系数；矗为无桩时( 自由 场) 堆载引起的土体位移；y 为桩身变位：( 2 ) 由上式和w i n k l e r 模型，土体可简化为沿桩身前后连 续分布的弹簧。根据上述理论，他还编制了相应的弹性地基梁有限杆系分析程序e b e a m ，程序中 士体采用修正的剑桥模型模拟，被动桩作为弹性地基梁，用两节点单元进行离散采用有厚度的薄单 元模拟桩土界面。此改进弹性地基梁法只能计算桩身的瞬时位移，并不能考虑土体流变和反复加卸 载引起的累积位移。 魏汝龙将上述方法称为地基反力系数法，一般可根据梁挠曲经典理论得到的桩的微分方程进行 求解，并认为该方法仅适用于单桩问题。对于群桩用此法是不可行的。 4 有限单元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 在该方法中。桥台桩和土介质均采用离散数值模型来模拟，因而，有可能方便地采用土的非线 性应力应变关系来描述桩周土的特性。早在1 9 8 2 年，c a r t e r l 4 6 i 就利用有限单元法分析了不对称荷载 作用下单根桥台桩的受力性状。有限单元法可以分为以下两种： 1 ) 平面应变分析 当用平面应变有限元分析桩土相互作用时，桩用等值的板桩墙替代，其刚度取桩和桩间土刚度 的平均值，这样可以把桩群直接分成单元网格进行计算。s p r i n g m a n l 2 ”用平面应变有限元进行计算时， 土堤用线弹性模型软土用线弹性模型或修正的剑桥模型。其计算结果与离心模型试验结果不太吻 合，这主要是由于板桩墙模型不8 模拟桩土之间的相对位移的结果。n a y l o r i ”嚏平面应变方法分析 时，在板桩墙和土体之间设置了连接单元，允许土和墙有相对位移，且接近桩周三维特性。由于软 土、路堤和连接单元均用线弹性模型，故不能考虑土和墙之间的极限土压力这就表明，对于柔性 桩或软土层很深时并不需要设连接单元。s t e w a r t 等1 4 s l 利用平面应变有限元分析路堤施工时邻近软 土中桥台桩基的性状。替代桩基的等值板桩墙采用三结点粱柱单元模拟，用m o h r - c o u l o m b 模型模 拟土体的应力应变性质，桩土接触面设置弹塑性节理单元，计算结果与离心模型试验和有限的现场 实测结果基本一致。e l l i s 等1 4 ，j 基于平面应变有限元分析，建立了软土地基上桥台桩土共同作用模型， 并且把有限元理论分析结果与离心模型试验结果作了很好的对比，同时也验证了有b 日元和离心模型 试验分析此问题的有效性。费正华等1 5 建立了软基上单排桩桥台、桩、土相互作用的平面杆系有限 元计算模型，并编制了相应的计算机程序，并应用该程序对某一桥梁进行了计算其计算结果与实 测结果吻合较好。平面应变有限元分析可以更加精确地计算桩的整个反应性状，然而，合理地考虑 土的非线性性状即选用合适的土本构模型，是该法进步发展的方向。 1 5 东南大学硕士学位论文 2 ) 三维分析 s p r i n g m a n l 2 11 使用线弹性土模型进行了桥台桩土相互作用的三维有限元分析由于单元网格划分 太粗糙，在一定程度上影响了计算的精度。b r a n s b y 等i ”i 运用三维有限元分析了台后路堤填筑过程 中桥台桩基的反应性状，土按线弹性模型计算，将分析结果与离心模型试验结果进行了比较，二者 吻合很好。三维有限元可以定量地考虑各种复杂边界条件、土的非线性、路堤施工顺序等影响，这 就解决了统一分析各种不同条件下的现场观测和离心模型试验结果的问题。由于该法使用较复杂， 还要编制计算机程序，用来解释和确定桩土相互作用性状的机理和一般趋势还可以。但很难用于实 际工程设计。 有