（岩土工程专业论文）软粘土中基槽开挖对桩基稳定性影响分析.pdf

中文摘要 工程中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 坡或者有可能坍滑的山体。在很多工程实例当中，如港口码头、桥梁基础、工业 厂房建筑，常常由于基坑开挖引起地面下沉，抗滑桩常常在土层侧向位移的作用 下导致桩体弯曲和挠度过大，使相邻桩基产生水平偏位，从而引起码头、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，本文主要是对基坑开挖作用下桩基的性态特性进行 研究。对现有的被动桩理论研究，模型试验，仿真分析进行综述，为下一步的研 究打好基础。进行系统地总结现有的各种被动土压力理论、试验成果和计算方法， 分析了被动桩的变形机理；并在此基础上提出自己的观点，推导出新的理论计算 方法。对以往软土的本构关系进行了总结和分析，试图找到一种更能反映天津软 粘土本构关系的理论模型，并且通过三维弹塑性有限元软件a b a q u s 对被动桩受开 挖影响进行了模拟研究，重点研究了被动桩形成的机理与形成条件，通过三种不 同工况的分析，找到了影响被动桩的因素，为今后的工程实践，和理论研究提供 了宝贵的经验；并且，从土体蠕变的角度更深层的挖掘土侧向压力产生的原因， 讨论了各种影响因素如土体的工程性质、桩间距，施工顺序，支撑稳定性等对被 动桩稳定性影响。并对天津开发区某一实际工程基槽开挖对桩基稳定性影响进行 了数值模拟计算。这个实例可以代表天津开发区经常出现的一类工程事故：在软 土地基中的桩基础经常受到周边开挖基槽的影响，严重时会导致桩基倾斜，错断； 而且，这种现象具有自身的特点就是，尽管基槽本身是稳定的，但其邻近桩基还 是会受到其影响，而且这种影响具有滞后性，即并不是基坑开挖完，桩基马上就 变形，而是等上一两天才发生桩基的变形，挠曲，甚至是挫断，这对于工程实践 是相当危险的。通过这个工程算例，对该工程现象进行模拟，找出开挖前后桩基 础的变形特性，并且通过对桩基进行应力分析，桩基挠曲线的计算，分析说明开 挖对桩基础变形，桩端转角，桩端水平位移，桩基整体稳定性的影响；结合桩基 的力学特性与破坏准则，进一步剖析桩基的稳定性，破坏状态。在最后对被动桩 的特性进行了总结，并且指明了将来的研究方向。 关键词：开挖桩基础数值模拟有限元蠕变 a b s t r a c t g e o t e c h n i c a le n g i n e e r sa r eo f t e nr e q u i r et 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 s c a u s e d b 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 l 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 ，a n di 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 s o rf 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 ea s u b j e c to 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 n r e l a t i o nt ot h et h e o r e t i c a ls o l u t i o n sf o re s t i m a t i o nt h ep i l e sr e s p o n s e s oi t i s s i g n i f i c a n tt os t u d yt h eb e h a v i o ro fp a s s i v ep i l e s i nt h i sr e s e a r c hr e p o r t ，f i r s t l y r e s e a r c hb a c k g r o u n da n dar e v i e wi s p 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 e i n c l u d i n gs u b j e c t so fs o i lp 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 e c a l c u l a t i o na n da n a l y s i sm e t h o d s ，a n dr e p o r tt h em e c l m i c a lb e h a v i o ro ft h es o i l i n c l u d et h es o f ts o i lc r e e p s e c o n d a r y ，ag e o t e c h n i c a lf i n i t ee l e m e n tm e t h o di sa l s o u 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 es o i lm o v e m e n t sd u et os u r c h a r g e l 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 h 邪p i l es p a c e ，s o i lp r o p e r t i e s ，a n ds o o n i n f l u e n c eo fe x c a v a t i o no np i l ef o u n d a t i o ns t a b i l i t yi no n ee n g i n e e r i n go ft i a n j i n e c o n o m yd e v e l o p i n gz o n ew a sa n a l y z e db yu s i n ga b a q u sp r o g r a m f a i l u r ec a s e s r e p e a t e d l yt a k ep l a c ei ns o f tc l a yf o u n d a t i o ni nt i a n j i na r e a t h ep i l ef o u n d a t i o ni n s o f ts o i lo f t e ni sa f f e c t e db yt h es i d ee x c a v a t i o no ff o u n d a t i o ns l o t ，e v e nl e a dt ot h e p i l ef o u n d a t i o nt ot i l ta n db r e a k t h i sp a p e re s t a b l i s h e sam o d e lt os i m u l a t et h e s e p h e n o m e n ab yf i n d i n go u tt h ed e f o r m a t i o n ，s t r e s sa n dt h ed e f l e c t i o no ft h ep i l e f o u n d a t i o nd i f f e r e n c eb e f o r ea n da f t e re x c a v a t i o n t h er e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h e e x c a v a t i o nc a r ls e r i o u s l yi n f l u e n tt h ed e f o r m a t i o n ，t h er o t a t i o na n dt h ed i s p l a c e m e n t o ft h ep i l ef o u n d a t i o n ，t h es t a b i l i t yo ft h ew h o l ep i l ef o u n d a t i o n ，i n t e g r a t ew i t ht h e m e c h a n i c sf e a t u r et oa n a t o m yt h es t a b i l i t y , d e s t r o yc o n d i t i o n a tl a s ts u m m a r i z et h e p r e s e n tt h e o r y , a n dp u tf o r w a r d t h ef u t u r er e s e a r c h k e yw o r d s ：e x c a v a t i o n ，p i l ef o u n d a t i o n 。n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，c r e e p 独创性声明 本人声鞠所呈交的。位论文是本人在导师揩譬下进彳亍的研究工 乍和取褥的 研究成果，除了文中特澍瘸以标注帮致谢之处外，澹文中不雹含箕髓入己经发表 或撰写过的研究成果，唑不包岔为获 埽一墨姿态鲎一或其他教育机构的学位戚证 书露镬熏避瓣糕瓣。与我一黧工鼗：翡鄹恚对零磷究舞徽酶经俺贡献驽誊在谂文孛 作了明确的说明并表示j 7 谢意。 粼姗懿：研丑鞘捌：知5 舭删爨 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者宛个了解。苤登基鲎有关傈甏、使用学位论文的规定。 特授权苤凌叁茎可! 蔓将学位论文的全帮或糯季 内容缡入有关数据库进行检 索，并采熏影印、缩印l 戈扫秘等复制手段保存、汇编以供套阏帮借阕。同意学校 向飚家有关部门或机构送交论文的复日j 件幂l l 磁盘。 ( 探密静学位论文燕麓鬻惹适焉本授投说翡 学楚论文捧誊签名： 签字蹬期：锄年 导鄹签名： 签字冀期； ，氧多 l 雌 缝帅 蛰；， 、孑 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 问题的提出与研究背景 第一章绪论 1 1 1 岩土工程中经常面临的基坑开挖带来的问题 岩土工程师们不仅经常要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施工，打桩，基坑开挖，隧道盾构推进，边坡滑移或山 体滑移，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的边 坡或者有可能坍滑的山体，如在铁路工程当中的挡土墙，水利水电工程中的抗滑 桩等：而在很多工程实例当中，如港口码头、桥梁基础、工业厂房建筑，隧道工 程，常常由于开挖引起地面下沉，桩基倾斜，房屋开裂等从而引起上部码头、桥 梁，工业厂房，已建隧道等结构功能失效或引发事故。为了避免这些由于地面堆 载，基坑开挖引起的结构物功能失效和破坏，使得对桩基础的破坏的研究是十分 必要的，特别是在天津港区这种软粘土地区，由于，软粘土的蠕变特性，桩基更 容易受到开挖的影响，所以关于基槽开挖导致桩基破坏的研究在天津软粘土地区 是十分重要的，本文就是针对以上问题进行展开的。 1 1 2 桩的分类 d eb e e r t 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 e p i l e ) 。工程实践当中主动桩应用的比较多，通过与承台联和作用，抵抗上部结构 传递下来的，水平荷载，竖向荷载，弯矩等。 第二类：桩基并不直接承受外荷载，只是由桩周土体在自重和外荷作用下产 生水平运动而受到影响，使桩基受力，称为“被动桩”( p a s s i v ep i l e ) ，这往往是 由一些不利工况造成的，是工程实践所不希望看到的，但是这些工况又不可避免， 而且由此产生的破坏性较大，需要充分重视。 在主动桩中，桩项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。事实上，被动桩因土体移动产生的桩 天津大学硕士学位论文第章绪论 侧荷载是难以确定的，这是因为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的多，如果设计不 当，会产生严重的工程问题。打桩、堆载、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 ( 1 e u s s i n k & w e n z ，19 6 9 ) 【2 1 。 1 1 3 国内外出现的工程问题 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桩周围土体产 生水平位移，引起邻近桩身挠曲，甚至会导致桩基的整体移动，尤其是一些柔性 桩，和没有打入持力层的刚性桩。h a g e r t y & p e c k ( 1 9 7 1 ) 1 3 】就发表了一工程实例， 在隔水幕墙后将桩打至软土层，将原先己打好的桩间隔水幕墙水平挤压，隔水幕 墙邻近的桩基平均侧向位移达到到5 8 c m 。 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，这在天津港地区是经常 发生的工程事故，值得注意的现象是白天在围埝后堆载的填土并没有造成围埝的 过大位移，或破坏，可过了一天之后才发现，围埝被推向海里较大的距离，说明 天津软粘土变形具有滞后性，软土蠕变特性对工程实践影响较大。 地面堆载附近的桩基，或路堤旁建筑物的桩基，由于堆载引起地基侧向移动， 甚至能对桩基施加巨大的水平荷载( 杨敏，2 0 0 2 t 4 1 ) ，故在堆载或路堤建造前，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问题 ( s t e w a r t 。d p e ta 1 ，1 9 9 2 e 5 1 ，1 9 9 4 6 1 ，c a r e t ，1 9 8 2 【7 3 hu l l & m c d o n a l d ，1 9 9 2 t 8 】) 。 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。p o u l o s ( 1 9 9 5 ) t 9 】进行过 类似的工程实践原位试验，和观测得出了较丰富的结果，为理论研究提供了可靠 的实践依据。 在我国，每年施工的抗滑桩超过上万根，投资达数亿元( 王化卿，1 9 9 6 i 加1 ) 。 在设计抗滑桩时，需要根据土坡的稳定状况确定抗滑桩的桩距、桩径、加固位置、 加固桩排数等，在验算土坡加固后的稳定性时还要验算土坡中桩的稳定性。由于 天津大学硕士学位论文第一章绪论 问题的复杂性，到目前为止，尚未形成为人们普遍接受的用于土坡抗滑桩设计的 确定性方法( h u l l & p o u l o s1 9 9 9 ) 因此，容易产生抗滑桩设计不当的问题，造成 花费过大或达不到应有的加固效果。在岩土边坡和易坍塌的土体中也有许多应用 的实例。 基坑开挖或隧道开挖，以及盾构推进等都可能导致相邻的桩基工程挠曲变形 甚至毁坏，这是不容忽视的。为减少桩基的侧向变形，开挖一般是分段分层进行， 因为，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。由于曲桩的承载力比直桩要低的多，如果桩基挠曲严重会失稳，尤其是裙 桩基础如果失稳将危及建筑物的安全。f i r m o e t a l ( 1 9 9 1 ) t 1 2 】就报道了一个基坑开挖 工程实例，基坑1 7 7 m 深，土层主要为砂性土，尽管采用型钢、桩长2 1 0 m 的拉 锚支护排桩，但到支护结构开始折除( 支护桩抽回再利用) 时，工程桩顶的侧向位 移仍然达到6 4 c m 。l e ee t a l 1 3 1 ( 1 9 9 4 ) 报道了一个隧道开挖的实例，伦敦a n g e l 地 铁车站位于一幢七层的楼房桩基和另一幢二层建筑物的基础间，隧道开挖采用盾 构推进，隧道纵向中心线离最近的建筑物桩基约5 7 m ，当隧道开挖完毕之后， 有些邻近的桩基己向隧道方向侧向位移了1 0 0 m m 左右。 总结以上，可以清楚地看出桩基受基坑开挖影响是一个普遍的工程实践问 题，无论是在国内还是在国外都成发生过比较严重的工程事故。 1 2 研究意义 大量兴建的港口、桥梁、工业厂房，隧道等由于没有重视桩基负摩阻力问题， 堆载问题，开挖问题，在运营过程中，事故频频。尤其是在天津软粘土地基中桩 基经常受开挖的影响：如天津某工业厂区兴建过程中，采用的是4 0 0 钢筋混凝 土预应力钢管桩，桩长1 4 m ，做为地面承载桩，在打桩完成后进行设备基础开挖， 基坑深4 m ，导致了大部分桩体发生了近1s 。的桩端转角，部分桩体发生了错断。 严重影响了桩基的承载力和稳定性。 在开挖作用下或侧向土体位移作用下( 如滑坡) ，土体不仅产生侧向变形对邻 近桩基施加水平推力，而且沉降会在桩身产生负摩阻力，在这样竖直向和水平向 荷载的耦合作用下，桩基受力比较复杂，而且土体和桩基的变形是一个长时间的 过程。当前对这一问题研究较少，主要原因为：土体在开挖作用下，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沦分析中不予以考虑；但对于 天津大学硕士学位论文第一章绪论 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小 觑。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，提出分析和设计 合理方法，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，而且从工程实践角度上看，控制由于开挖引起的桩基侧 移和不均匀沉降问题也具有非常重要的现实工程意义。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，包括桩身的弯矩和挠度计算。关 键的问题是准确地估算土层的位移大小和分布形式，以及位移的土体作用在桩身 的极限侧向压力，尽管2 0 世纪4 0 年代至今有许多学者和工程师对此做了大量的 研究、试验和讨论( 女i ：i p o u l o u & d a v i s ，1 9 8 0 1 4 1 ) 但是真正有实际应用价值的理论还 是较少。目前我国高速公路，铁路建设规模日益扩大，随之出现的问题是公路， 铁路边坡滑坡，特别是在山区和软土地区，此类问题将会频频发生；再者因降水 而发生大面积滑移，从而造成人员和财产的严重损失时有发生，治理这两类滑坡 其中之一的方法就是建立抗滑桩，而抗滑桩与土体相互作用的机理、分析理论及 其设计理论与开挖的桩基完全一致，因此相关研究成果也为边坡抗滑桩加固提供 理论背景。因此在开挖条件下，研发实用的相应分析与设计( c a e & c a d ) 软件系 统是非常必要的。相关研究可以为受开挖影响的的被动桩基设计，边坡加固抗滑 桩的计算提供理论依据和计算机辅助分析与设计。工具( c a e & c a d 软件1 ，属于 当前热点的岩土工程防灾减灾的研究范畴，然而这些软件的应用前提是能够比较 准确的揭示出桩土相互作用的机理，所以有关被动桩的理论研究，和相关软件的 开发是十分重要和迫切的。 1 3 本文研究的内容 如上所述，被动桩与土体的相互作用问题有着重要的工程背景和研究意义， 笔者主要是对开挖作用下桩基的性态特性进行研究，主要的研究内容有被动桩的 变形特性研究，包括三维有限元数值分析、简单的公式推导；被动荷载条件下桩 基性状的数值分析，包括二维三维数值分析研究；被动桩基础稳定分析；被动桩 在循环荷载条件下性状和动力响应特性，如动力打桩、交通循环荷载邻近桩基的 性状分析：模型试验；土体蠕变的机理等。 天津大学硕士学位论文第二章被动桩的试验与理论研究 2 1 概述 第二章被动桩的试验与计算理论研究 本章先对被动桩的已有现场试验，室内小比例尺模型试验，以及离心模型试 验进行简单介绍，而后对相关的理论进行推导计算，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，并在此基础提出一些适合计算开挖 对桩基稳定性影响的公式。s t e w a r t & j e w e u a t e 1 ( 1 9 9 4 ) t b 】、李仁平( 2 0 0 1 l 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介绍：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等。 2 2 试验研究 2 2 1 现场试验 “中远两湾城”二期工程桩基施工采用打入桩形式，共计打入1 8 0 4 根桩， 其中主楼1 5 0 4 根，裙房部分2 3 0 根。其桩型为o 4 5 0 4 5 2 8 m 预制砼方桩， 采用二次接桩，送桩深度3 2 8 m ，桩尖持力层选在砂质粉土层。在基坑开挖 后桩体产生了较大的水平位移。 f r a n x b o o s t r a ( 1 9 4 8 ) 1 7 】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，某工程在施工完成2 年之后，桩体还产生很大的水平位移，导致桩 基破坏。 2 2 2 室内小比例模型 日本的t a m o t s um a t s i n 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 天津大学硕士学位论文 第二章被动桩的试验与理论研究 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。 p a n e t a l ( 2 0 0 2 ) 1 8 】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，沿桩身分布的极限压力比 单桩要来得小，而且当桩距减小时，群桩效应随之减小。 我国西北铁道科研所( 1 9 8 6 ) 【1 9 】和南京水利科学研究院也曾在室内做过单桩抗 滑试验和桩排与上坡相互作用方面的试验。 2 2 3 离心模型试验 对于以自重为主要荷载的土工问题，一般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所无法比拟的，因此将离心模型试验研 究独立概述。 c f l e u n g ；d e l o n g ；a n dyk c h o w 2 0 j 做了一系列离心模型试验，研究 软土地基中挡土墙后端头自由的单桩，在开挖后挡土墙稳定和失稳情况下变形特 性。结果表明在土体开挖完之后，墙和土体继续移动，并且这种移动会带动临近 桩体平移和转动。当土体在开挖作用下应力释放导致剪应变大于2 时，在墙后 3 m 的单桩在一段时间内会达到它的最大值。南洋理工大学进行了一系列数值模 拟分析作为对离心模型试验的反分析。当土体在开挖作用下应力释放导致剪应变 大于2 时，在墙后l m 的单桩在一段时间内位移和转动都与数值模拟分析吻合。 s p r i n gm a n & e l l i s ( 1 9 9 4 ) 2 l j 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 被动桩极限侧向压力研究方法 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 天津大学硕士学位论文第二章被动桩的试验与理论研究 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 建议的计算公式，主动土压力被动土压力则通常 采) 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 ) 2 2 】、 f a n g & i s h i b a s h i ( 1 9 8 6 ) 2 3 】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：土坡中的桩基：码头桩基、加固土坡用 的抗滑桩、大面积堆载附近的桩基、基坑开挖附近的桩基等，属于典型的被动桩。 而这些被动桩的侧向土压力，即土体移动对桩产生的推力的确定较为复杂，这是 被动桩研究中最关键的问题。 由于土坡中的抗滑桩及码头边坡中的桩基通常设置成排桩型式，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，桩间土体在桩问形 成土拱效应， 土体不致于从桩间滑出；当桩间距增加时，土拱效应减弱，一旦 桩距大于某一值( l 。) 时，土体将从桩间滑出或产生绕桩滑动，l c 称为临界桩间距。 杨雪强( 1 9 9 7 ) 【2 4 】曾研究了基坑支护临界间距l 。的表达式；沈聪t ( 1 9 9 2 ) t 2 5 i t r - f i a c c tpo f a l lo b ( 1 9 9 6 ) t 2 6 1 也研究了相关问题。 r a n d o l p t h & h o u l s b y ( 1 9 8 4 ) 1 2 7 在分析不排水情况下桩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，则荷载的因子在桩土界面理 想光滑条件下6 + x 的和完全粗糙状态下的4 4 2 + 2 x 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 ) 1 2 8 】和沈珠 江各自都提出了能够考虑桩土相互作用的设计方法，对于研究开挖条件下桩基的 计算有借鉴意义。 顾晓鲁等人根据文克尔假设：提出了弹性地基梁法，即认为桩基在抵抗水平 力时按弹性地基梁进行计算，笔者本人在进行开挖对桩基稳定影响分析中认为， 作用在桩基上的被动土压力应与开挖面等深度的土体的被动土压力相等，这样进 行假设计算。 2 - 3 1 塑性理论变形法 由于被动桩上侧压力是桩基稳定性分析中最关键的参数，无论是开挖对邻近 天津大学硕士学位论文 第二章被动桩的试验与理论研究 地表i 厅f ! 删；融臼土肭 滑动碰 抗滑桩 ，丝 ， 2 5 z 一f ，坐 。1 4 ， h ( l 为梁长，h 为粱高) 为了解决这些问题，廖雄华提出了一种用广义位移法模拟二维大尺寸桩 体结构。但是对于一般的被动桩性态研究，采用实体单元或梁单元来离散桩体结 构足以达到研究的目的。 3 4 土体的本构关系 土体的变形特性极为复杂，表现为明显的非线性特性，现有的本构模型中， 非线性弹性d u n c a n c h a n g 模型，弹塑性m o h r - c o u l o m b 模型，修正的剑桥模型 应用最为广泛，其中，m o h r - c o u l o m b 模型因其物理概念明确，参数较少，且参 数的获取较为方便简单，因而大部分的分析中采用m o h r - c o u l o m b 模型，本文大 部分的分析采用有限元软件a b a q u s ，该软件就是使用了非相关联的 m o h r - c o u l o m b 模型。此外，考虑软粘土特性及蠕变特性时，采用a b a q u s 软件 中的软土模型c a pc r e e p 及可以考虑蠕变的软粘土模型。 天津大学硕士学位论文第三章桩土有限元分析中的若干问题 一 、 ， 口t 。：- 。； 一，_ ，o - ， 一。 、，3 图3 1m o h r o o u i 伽b 模型在土应力空间的屈服面( o = 0 ) 3 4 im o h r - c o u l o m b 模型 该模型物理概念明确，简单易用，因此在土工有限元分析中得以。广泛地应 用。根据经典的塑性理论，塑性应变率与应力屈服函数偏导数成正比，即为相关 联塑性理论。但是，对于密实无粘性土或砂，在剪切时产生塑性体积应变增量( 或 膨胀) ，如果使用相关联塑性理论进行分析，将会导致不正确的结果。所以，除 了屈服函数，n e h e r e t a l 【4 2 】提出了另一可以考虑剪胀的塑性势能函数以确定塑性 应变率，即非相关联塑性理论，大型通用有限元软件a b a q u s l l p 可以采用修正的 m o h r - c o u l o m b 模型，即非关联的塑性理论，又可以采用关联的塑性流动理论。 m o h r c o u l o m b 屈服条件是将c o u l o m b 准则引申至常规应力状态。事际上其屈服 条件使其在材料区域内任一平面上遵循c o u l o m b 准贝, u m o h r - c o u l o m b 屈服条件可 以用三个引用主应力来表达的函数来定义， 厂= 1 一口3 i + 二( 仃2 + ) s i nc p c c o s 缈s o i - 1 0 2o r 3 ) s i n t pc c o s 缈0 ，1 2一仍i + i 仃2 + 一 s 厂2 = 去i 盯3 一仃i l + 去b + 仃i ) s i n 矽- - c c o s 9 0 厶2 扣嘞嵯1 ( 仃z ) s i n 痧- - c c o s 妒0 像】) 该模型屈服函数中的两个参数是从所周知的摩擦角和内聚力，在土应力表达 的空间状态中，该模型是一个六角形的锥形体，如图3 1 所示，除了屈服函数， 三个塑性势能函数可以定义为： 天津大学硕士学位论文第三章桩主有限元分析中的若干问题 g ；= 三k 一仍| + 喜k 沈) s i 珏歹 9 2 _ 扣硇心b 场) s t n y 铲互11 仃1 - 0 5 1 + 喜佶z + m ) s m y ( 3 - 2 ) 式中， 参数、i ，是膨胀角。一般地，v 用来表示塑性体积应变增量的正值， 诈如鬻窑砂所表现出来的特件。对千很松的秒、l ，县个极小的债值。 3 4 2 软土模型( s o f t s o i lm o d e l ，n e h c r 、w e h n e r t & b o n n i e r ，2 0 0 1 ) 近年来，越来越多的建筑物与路堤建在软弱地基上。在软土下工作者们考虑 最多的是正常固缩粘土，粘质淤泥和炭泥土。这些土层的最大的特点就是它们的 高压缩性。j a n b u 指出在竖向固结压力为1 0 0 k p a 时正常圆结粘土固结试验所得到 侧隈压缩模量为露耐2l 蓟3m p a ，对予正常凝结砂，链得戮昀相应模量为1 0 到 5 0 m p a 。因此，在固结试验中正常固结砂土比正常固结粘土要硬上十倍。软土的 另一个特征就是隧结试验审应力与侧限压缩模量的关系，当我们雨赵应力与变形 模拟关系曲线时，就会得到e 训= 釜关系式，这一特征即为众所周知的对数压缩 曲线。 = a h ( 三) 3 ， 其中，无论是应力还是应变，都以压缩为正。这些对于正常固结的应力状态 是有效的，并不包括次固结压缩。但是各种土都表现出或多或少的蠕变特性，因 蓝主要麓国结压缩完成孟通常是次豳结压缩，假定次固结压缩远魄圭霆结压缩要 小得多，很明显，蠕变是土固结沉降的一大因素，例如粘土。 n c h e r 。w e h n e r t & b o n n i e r 对两个试验路堤的施工对及后继的性态进行了模 拟，包括路堤变形和孔压变化。采用两种本构关系进行计算，以便考察蠕变所起 的作用，一个是粘土模型( s s m o d e l ) ，这是一个以修正剑桥模型为基础的本构模 型，敬m o h r - c o u l o m b ( 醚c ) 作力破坏准剩，舅一个是软蠕变模_ 型( s s c - m o d e l ) ， 是对s s m o d e l 进行改进以便考虑蠕变。s s m o d e l 是建在修正剑桥模型基础上的， 它假定了体积应变s ，积中主有效应力p 为对数线性关系。因为鼹体积应变占。来 代替空隙比，式( 3 卅改用修正压缩指数彳代替b u r l a n d 提出剑桥模型的指数九。 天津大学硕士学位论文 第三章桩土有限元分析中的若干问题 对于各向等压卸荷再加荷条件下，弹性体积应变可表达为 小厶“- n p ( 3 - 4 ) ( 3 - 5 ) 其中，参数k 。是修正的回弹指数，以确定在卸荷再加荷时土的性质。这个性 质假定为弹性，可用h o o k e 弹性定理来描述，式( 3 5 ) 是切线劲度模量表达式。 e 。= 3 0 2 v 。) 尝 ( 3 6 ) 庀 下标b r 用来表示与卸荷再加荷相关的参数。在s s m o d e l 模型中k 和v 。， 作为计算弹性应变的输入参数。 灯十二维型1 日j 比刀状态，s s - m o d e l 嗣屈服幽毅日j 足义为 f = p 田一p 7 式中p 凹对应手真实的应力状态，而p 詈为等效的先期固结应力， 矿2 雨厕q + 0 + c c o t r p ) 露为如下塑性应菱的函数 ： 俨p 品( 等) ( 3 7 ) 见图3 - 2 。 ( 3 8 ) ( 3 9 ) 天津大学硕士学位论文 第三章桩土有限元分析中的若干问题 可 j 彦 卜一 ca 瞳 图3 2 在p q 平面中s s 模型屈服面 在p 一帅l a n e 中式( 3 7 ) 屈服函数可描述为椭圆形。椭圆顶部位正好位于倾 斜率为m 的直线上。在修正的剑桥模型m 直线为临界状态线，描述在应力破坏 时应力峰值后的应力状态。必须注意，在s s 模型中，以p 和c 以强度参数的 m c 准则被用来描述应力破坏。m c 直线和m 直线与x 轴的交点均离原点c c o t ( p ， 如图j 所示，以及在( 3 1 1 ) 式中也考虑了这一点。屈服等值线如图3 2 粗线所示， 为弹性区域的边界，m c 破坏直线位置固定不变，但是椭圆顶部随着主要压缩而 逐步增大。 3 4 2 软土蠕变模型( s o f t s o i l c r e e p m o d e l ，n e h e i w e h n e r t & b o n n i e r ，2 0 0 1 ) 在总结经典的固结理论不能很好地解决软土沉降后，b u i s m a n 大概是第一个 提出蠕变本构模型的学者。其他学者如b j e l t u m 和c h a r l a n g e 也对一维次固结压缩 理论作出贡献。随后，s e k i g u c h i ( 1 9 7 7 ) 4 3 ，a d a c h i & o k a 以及b o r j a & k a v a z n j i a n 等学者研究了二维蠕变本构模型，b u t t e rf i e l d 提出了一个蠕变方程 如m + p l n 睁 ( 3 w 1 0 ) 式中占，h 描述固结时的变形，修正的指数p 描述了每一时间增量对数所对应 的次固结压缩，在式( 3 1 0 ) c 9 占片是对数应变。使用上标h 是因为对数应变刻 度最初由h e n c k y 提出。使用对数应变刻度替代传统的工程应变的例子是b u t t e r f i e l d 和d e n h a a n 。但是式中的时间厶并不是固结时间t 。也不是材料参数，因为它 天津大学硕士学位论文 第三章桩土有限元分析中的若干问题 不仅取决于固结也取决于试验试样的几何尺寸。j a n b u 通过试验建立了评估参数 斗和时间f 。的方法如图3 3 所示，而且f 。和t 。的区别也如图3 - 3 所示。 图3 - 3 在三轴试验软土固结与蠕变性状 从式( 3 1 0 ) 中可以推出应变速率 占：上三：丛 + t 或占 ( 3 1 1 ) 对于各向相等的应力状态，使用同样的修正蠕变指数p ，因此，包括次压缩， 可以得到体积总应变 铲甜弘甜昏沦足h 扯咖仙睁) 式中占。是在t c + t 期间内，随着有效中主应力从p 。增长n p 时的体积总应变。体 积总应变可分为弹性和粘塑性两部分，分别用e 和c r 表示。粘塑性部分又可分为 固结期间的应变和固结后的应变，分别用下标c 和a c 表示。同时下标c 在弹性应变 中使用，以表示与固结相关，图3 - 4 表明了它们之间的关联。我们必须注意到在 固结完成之后并没有达到等向固结直线( l c 直线) ，但是己有蠕变产生。实际上， l c 直线可以通过每天施加一荷载步得到。这是基于在一天内发生固结的假设。 天津大学硕士学位论文第三章桩土有限元分析中的若干问题 对于恒定的中土有效应力，式( 3 1 2 ) 是有效的，但对于瞬时荷载或连续荷载， 必须提出不同形式的本构关系表达式，而且还存在着如何表达时间r c ，因此，根 本思路是所有的非弹性应变均与时间相关。根据b j e r r u j 假定先期固结应力与整 个蠕变相关，而整个蠕变可由式( 3 1 2 ) 对时间积分得到。 铲舟加惫h 扯惫t ) l n ( 3 - 1 3 ) 柞p ，碣0 e x p ( 筹) ( 3 - 将式3 1 3 与3 1 4 合并，可得 昏手昏，n 叫n ( 譬) 假定常规的试验中加压是逐级施加和每一级加压保持一段固定的时间 f c + ，= r 式中f 正好为一天，n 1 n n i w i 构p p 2 p ，l c 直线可得出。式3 - 1 5 从 。积= 考一推至n 叫n ( 半) 至于f ，由于r e - - t c 相差很小，因此，式3 1 5 可简化为 考：( 去广乱：f ( 等广 协 z i c 的表达式推导过来，即可得到蠕变的微分方程 二。：矗毒：后，旦+ 上 ( 3 1 7 ) 天津大学硕士学位论文第三章桩土有限元分析中的若干问题 二，：；：+ 毒：尼7 吾+ 尝( 等 与冬 式中p 。由式3 - 1 4 确定将式3 - 1 7 带入3 - 1 8 可得到 ；。：二：+ 毒：k ，言+ 尝( 去 气竽 占。= 占占c ，= 导+ 当i 二i ( 3 1 8 ) ( 3 1 9 ) 假定与s s - m o d e l 模型一样的屈服函数式( 3 - 7 ) ，应变速率可定义为 ；：d - i 盯+ 土兰l 丝l 卢掣 ( 3 2 0 ) 2 l p 罗j 衍 热p 7 - - p 品e x p ( 筹j协2 。， 以及口可定义为口：粤，自此己从s s 模型引入蠕变即为s s c 模型。 v p 软粘土蠕变模型是当前土力学，研究的重点，热点内容，因为