堆载土体侧移模式及对邻近桩基影响分析

1、堆载土体侧移模式及对邻近桩基影响分析*李忠诚 杨 敏（同济大学地下建筑与工程系，上海，200092）摘要：对地面超载条件下自由场土体的侧向位移模式进行了数值分析，得出了土体侧向变形规律。在此基础上，将堆载条件下土体的侧向位移简化为双线性变形模式，对堆载作用下邻近桩基的性状进行了分析，包括不同堆载大小、不同堆载距离和不同桩间距等情况下桩基的侧向变形和弯矩的变化规律。关键词：被动桩；位移模式；数值分析；堆载*1 引言地面堆载对于邻近建筑物地基基础的影响是一个不容忽视的问题。过去对于这一问题认识不够，引起了不少工程问题，甚至造成了严重的工程事故。例如天津中板厂原料车间地面堆载为200KN/m2，设计

2、时没有考虑大面积堆载对于桩基础的影响，致使厂房在使用期间桩身折断，柱角处水平位移102mm，桩顶位移220mm；建筑在软土地基上的上海宝山钢铁厂的钢渣处理厂房1，由于十多年的长期堆载，引起了柱下桩基发生了较大侧移，从而导致上部结构断裂而倒塌。土体在长期堆载条件下，必然产生较大的侧向位移，邻近桩基受到侧向运动土体的作用产生变形，属于被动状范畴。被动桩分析计算的难点是如何准确确定堆载自由场土体的侧向位移和侧移土体对桩施加的压力。由于地面堆载并不直接作用于桩上，而是通过土的侧向变形间接传递到桩身上，所以被动桩受力不明确，桩与土存在着一个相互作用的过程。由此可见，相对于通常情况下，在桩顶受明确竖向荷载

3、和水平荷载的主动桩基，被动桩不仅受力不明确，而且桩身受荷是一个动态的过程，这就给被动桩的研究带来了一定困难。为了避免侧移土体与邻近桩基复杂的相互作用过程，本文从自由场在堆载条件下土体的位移模式入手，分析土体的侧向变形规律，以此为基础分析堆载对邻近桩基的影响。探讨不同堆载大小、不同堆载距离、不同桩间距等影响因素对邻近桩基力学性状的影响。 2 自由场土体位移模式2.1 土体侧向变形数值分析受土体位移作用的被动桩的分析过程，是一个复杂的桩土相互作用过程。从目前对被动桩的研究现状来看，如果能准确预测无桩自由场的土体位移，则被动桩的问题就迎刃而解了，因此自由场中土体位移的确定是研究受土体位移作用被动桩的

4、关键。自由场地基在荷载作用下，会发生竖向变形和侧向变形，众多的专家学者对于土体的竖向变形即沉降变形进行了不懈的研究，而土体的侧向变形由于影响因素多，相对于竖向变形更加复杂，对此进行的研究相对较少 2。然而在许多工程中，土体的侧向变形又是非常重要的，侧向变形不仅影响沉降，也影响着结构的受力3。尤其是在港口码头和存在大量堆载 *基金项目：上海市科委重点基础研究项目资助 （02DJ14062）；高等学校博士学科点专项科研基金资助（20020247003）.*通讯联系人：李忠诚，男，博士生，主要从事桩基础理论研究和岩土工程数值分析。Email：lzenc的工业厂房，对于土体侧向变形的分析更为重要，由于

5、土体侧向运动而造成的桩基侧向变形和弯矩往往是工程建设成败的关键。下面以双层土体为例，如图1所示，探讨大面积堆载条件下土体的侧向变形模式。数值分析时，模型边界条件为单向约束，土体参数见表1所示，堆载宽度为8m。表1 土体参数体积模量土层分类 上层软土 下层硬土泊松比粘聚力内摩擦角容重E(Mpa)c( kPa)()o(kn/m3)4.24 0.40 10.0 22.7 18.0 20.18 0.25 40.0 30.018.0p-10深度(m)-10深度(m)-20-20-30-40-30图1 双层土模型平面侧向变形(mm)-40侧向变形(mm)图2 不同荷载下土体侧向变形 图3 不同堆载距离下土

6、体侧向变形图2为距堆载边缘2m不同荷载大小条件下土体的侧向变形。图3为堆载450kPa不同堆载距离条件下土体的侧向变形。由图可知，随着荷载的增大，土体侧向变形将增加，同时最大变形发生的深度也将增大。当堆载较小时，表层土体有向着荷载方向偏移的趋势，荷载增大时，表层土体逐渐向远离堆载的方向偏移。这主要是由于在靠近堆载的桩顶附近，往往出现拉应力区，导致桩顶可能向堆载方向移动。实际土体不能承受拉力，这动现象并不明显。当堆载较大时，无论数值分析还是实测结果，桩都会向远离堆载的方向位移。图46为距堆载边缘2m不同堆载大小时，土体的侧向位移场等值线（单位为m），由图可知，随着荷载的增大，土体侧向变形明显增大

7、，等值线相应变密，并且等值线逐渐向下突出，可见荷载的影响深度随着荷载的增大逐渐增加，最大侧移深度一般发生在812倍的桩径范围内。图4 堆载为50kPa条件下土体的侧向位移场图5 堆载为100kPa条件下土体的侧向位移场图6 堆载为150kPa条件下土体的侧向位移场2.2 土体侧向变形模式探讨迄今为止，已有一些学者提出或假定了自由场中土体侧移的分布模式，代表性的主要有：Ashour 5提出的经验应力楔块模型，Viggiani6提出的滑动土层内土体均匀变形模型（图7a）、Bolton7提出的倒三角形模型（图7b）、Ito和沈珠江提出的土体绕桩流动模型等；y(z)一般情况下，土体的侧向变形分布模式可

8、以采用图9所示双线性简化模式。即保持最大侧向位移值及其出现位置相同，软土层交界面的侧移值相等，从而形成双线性简化模式。显然，这样的简化对于工程设计是可以接受的2。图8为中曲线y0(z)方程按照Bourges经验公式确定：Y=1.83Z3-4.69Z2+2.13Z+0.73 （1）由式1可知，当Zz/L0.27时，Yy/ymax1.0，因此，当z0.27L时，yymax；当z0时，y0.73ymax，L为软土层厚度，z为计算点到地面的距离。按照双线性简化模式，土体最大位移值以下位移按照直线AC确定，而表层硬土层的侧移则按直线AB确定。直线AB由图2、3计算所得，土体侧移主要发生在软土层，形状近似

9、于双曲线型分布，最大值出现在812倍的桩径范围内。数值计算结果与Begemann8的经验模式较为吻合，最大侧移值出现的位置也基本一致（如图9所示）。将数值分析时得到的最大侧向位移Ymax代入Bourges经验公式中，即可得到土体的经验模式，这样可以考虑堆载距离和堆载大小对土体侧向位移模式的影响。 3 堆载对邻近桩基影响分析 采用上面的简化模式，下面对堆载作用下邻近被动桩的性状分析。分析模型如图10所示，土层参数见表1，桩采用弹性模型，桩长20m，桩径1m。 3.1 不同堆载大小对被动桩的影响 图10 被动桩模型0-5桩长(m)0-5桩长(m)-10-15-10-15-20桩身变位(mm)-20

10、桩身弯矩(kNm)图11 不同堆载大小对桩身侧移和弯矩的影响图图11为不同荷载大小条件下，桩的侧向位移和桩身弯矩图。数值分析时，桩间距采用3倍桩径，堆载边缘距桩2m，桩身刚度为12GPa。由图可知，随着堆载的增加，桩身侧移和弯矩都有比较明显的增大。当堆载较小时，桩顶向荷载方向偏移，随着荷载增大，桩顶逐渐向外偏移，桩身逐渐弯曲。堆载增大时，桩身弯矩有显著的增长，最大弯矩发生在桩的中上部，之下弯矩迅速减小。3.2 不同堆载距离对被动桩的影响0-5桩长(m)0-5桩长(m)-10-15-10-15-20桩身变位(mm)-20桩身弯矩(kNm)图12 不同堆载距离对桩身水平侧移和弯矩的影响图图12为不

11、同堆载距离度条件下，桩的侧向位移和桩身弯矩图。数值分析时，堆载大小为200kPa，桩间距为3倍桩径，桩身刚度为12GPa。由图可知，随着堆载与桩距离的接近，桩的侧向变位与弯矩都有明显的增加。当桩逐渐接近堆载边缘时，桩的最大侧移和最大弯矩发生的位置逐渐上移。3.3 不同桩身刚度对被动桩的影响图13为不同桩身刚度条件下，桩的侧向位移和桩身弯矩图。数值分析时，堆载大小为200kPa，堆载边缘距离桩2m，桩间距为3倍桩径。由图可知，随着桩身刚度的不断增大，桩的弯曲程度逐渐减小，变形逐渐接近水平。这与刚度很大的短桩在侧向桩顶荷载作用下会发生整体侧移的现象一致。桩身弯矩随着桩身刚度的增大呈增加的趋势，当桩

12、的刚度较小时，桩身弯矩也较小。桩的刚度逐渐增大时，桩身侧移逐渐减小，相应的桩身弯矩却逐渐增大。桩长(m)0-5桩长(m)-10-15桩身变位(mm)-20桩身弯矩(kNm)图13 不同桩身刚度对桩身水平侧移和弯矩的影响图4 结论长期以来土体的侧向变形常常被忽视，但由于过大的土体侧移导致的工程事故却屡见不鲜。本文首先对堆载作用下自由场地基侧向变形规律进行了探讨，将土体的侧向位移简化为双线性变形模式，并将位移简化模式与有限元分析结果进行了比较。在此基础上，利用不同加载条件下给定的双线性模式，分析了堆载对邻近被动桩的影响，得出了堆载和桩参数变化时，邻近被动桩侧移和弯矩的变化规律。 参考文献：1 2

13、3 4杨敏，朱碧堂堆载引起某厂房坍塌事故的初步分析J岩土工程学报，2002，24（4）：446-450 杨敏，朱碧堂堆载下土体侧移及对邻桩作用的有限元分析J同济大学学报，2003，31（7）：772-777. 殷宗泽土体的侧向变形第三届全国青年岩土力学与工程会议沦文集A南京，1998，4 Poulos H.G. Difficulties in prediction of horizontal deformations of foundations,” JSMFD, ASCE, 1971, Vol. 98 (8): 843-848.5 Ashour, M., Pilling, P., and N

14、orris, G. Lateral behavior of pile groups in layered soils. Journal ofGeotechnical and Geoenvironmental Engineering, ASCE, 2004, 130(6): 580-592 6 7 8Viggiani C. Ultimate lateral load on piles used to stabilise landslides. Proceedings of the 10th International Conference on Soil Mechanics and Founda

15、tion Engineering, 1981, vol. 3: 555-560Bolton, M.D. et al. Foundation displacement mechanisms. Ground Engineering, 1991, 4: 26-29Begemann H.K.S. & De Leeuw E.H. Horizontal earth pressures on foundation piles as a result of nearby soil fills. Proc.5th Eur. Con. SMFE，Marid，1972，Vol.1：3-9Soil Lateral M

16、ode Subjected to Surcharge Loads and Its Influenceon Adjacent PilesZhongCheng LI，Min YANG(Department of Geotechnical Engineering, Tongji University of Shanghai 200092, China)Abstract：Numerical analysis method is adopted to explore soil lateral deformation mode in thefree field state and conclusion of soil lateral deformation is drawn in the paper. On the base of that, soil lateral deformation is simplified to the bilinear abbreviated mode, then the mode is applied to discu