被动桩对土层的遮拦作用机理

被动桩对土层的遮拦作用机理

1桩间土拱效应说当被动桩被移动到另一侧时，桩之间的土体验会受到挤压和积聚的影响。桩间距较小时，桩间土体在桩间形成土拱效应，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时，土体将从桩间滑出或产生绕桩滑动，使桩起不到有效的遮拦作用，但桩间距太小，则工程造价高。因此，桩间距的大小是被动桩设计中的关键问题之一。桩间土拱效应是桩土应力迁移的一种现象，即将桩后土体所承受的应力转移至桩体上，因此，土拱效应可定义为一种剪切应力迁移现象，或定义为将屈服土体所承受的应力转移至其相邻的土体或被约束的土体。土拱效应在各种土工结构中都可以见到，如隧道和基坑支护桩。因此，对于不同的结构中土拱定义有所差别。Terzaghi采用活门拱试验验证了土拱效应现象，并于1943年首先将这种应力转移的现象称之为“土拱效应”。随后在20世纪70年代，也有一些学者研究了隧道中土拱效应现象。在Liang和Zeng以及Chen和Martin等人工作的基础上，笔者采用有限元软件Plaxis8.1，详细地研究了土拱效应的产生机理，分析了导致侧向位移的荷载大小、土体性质、群桩以及桩土接触面性质等影响因素对土拱效应性态和桩土应力分担比的影响。2有限元分析对象根据前人的研究，被动桩的土拱效应可以简化成二维问题进行分析。本文运用土工有限元软件Plaxis8.1进行研究，将研究的对象简化成二维问题，如图1所示。采用地表下一定深度的单位厚度土层作为分析对象，并假定：(1)该单位厚度土层的位移限定在水平方向；(2)假定桩体水平位移为零，即桩体在水平向被约束。考虑对称性，在水平面上采用单位宽度作为有限元分析对象，d为被动桩桩径，s为桩的中心距，排桩的前后计算域取至少大于10d，对称边界采用x向约束，前侧边界采用y向约束，桩中心节点采用固定约束（见图1）。至于桩-土相互作用，可令桩间土体有一定的预位移来实现，也可在边界上施加一均布荷载来实现。本文采用后一种方法，大部分计算的土体本构模型采用Mohr-Coulomb模型，桩体采用线弹性模型。3桩间土的作用基本算例：采用桩径d=1.0m，桩中心距s=5dm，均布荷载p=10kPa。土层采用无粘性土，计算参数见表1。当未特别说明时，其它算例的计算参数与本算例相同。图2为单元大小主应力示意图；图3为位移等值图。从图中可以看出，被动桩后成拱的效应机理，在排桩后附近土层的主应力形成了一个非常明显的应力拱，而在排桩前的土层则形成了非常明显的位移拱。当桩土只有相对位移或出现相对位移趋势时，土拱效应才能发生。在均布荷载p的作用下，土层向桩身及桩间处挤压，形成相对位移或有相对位移的趋势，由于桩体是刚性的或是被约束的，因此，均布荷载所产生的应力转由桩体承担。从图4可看出，从均布荷载附近到排桩附近，y向上的主应力越来越小，而x向的主应力却越来越大，而且，这种应力变化过程还依赖于土层剪切力作用的结果。在桩后附近各土层单元的大应力的连线便是拱形，它可以承受拱后的荷载，并将应力转移到桩体。故有人将土拱称之为“大主应力拱”。图4为y轴上不同位置剖面的应力分量σy分布曲线，离排桩远的地方σy分布均布，越靠近桩身处，曲线更象拱形状，桩间的σy小；图5为桩间中心对称线上竖向剖面法向应力σx的分布曲线，其在成拱区域内急剧增大，在桩间连线前则变得很小，仅为最大值的20%，同样说明了应力转移至桩身由桩身承担。在被动桩设计中，桩间间距的大小是一个关键问题，一旦桩距大于某一值时，桩间就不会出现土拱效应，大部分的荷载就不能由桩体来承受，而且，土体将从桩间滑出或产生绕桩滑动，那么，桩起不到有效的遮拦作用；但是桩间距太小时，工程造价高。这里，涉及另一个重要的问题是桩与桩间土的荷载分担比问题。在图4中，各曲线与y=0.0m,x=0.0m及y=5.0m所围成的区域面积即为各曲线所在剖面的等效截面所承受的荷载，从图中可知，排桩前土体所承担的荷载仅为9.96kN/m，而总荷载为10kPa×5m，因此，桩的荷载分担比约为80.0%。计算表明，只要桩土有微小的相对位移，土拱的形状在不同的均布荷载作用下均相似，而且，不同的均布荷载作用下桩的荷载分担比均约为80.0%。4单桩荷载分担比桩间成拱效应受桩间距的影响，也受桩径的影响。事实上两种影响因素实质相似，可以采用参数s/d来表征，分为4种情况进行计算，即s/d分别为2,5,8,11，均布荷载以及桩土参数仍与基本算例一致。分析表明，随着s/d增大，土拱效应愈来愈不明显。图6,7分别为不同s/d条件下，桩土荷载分担比变化曲线和桩身承担的荷载比较曲线，其中，图7中的荷载采用归一化荷载，即各计算荷载与最大荷载也就是单桩时所承受荷载的比值。计算表明，随着桩间距加大，桩的荷载分担比越来越小，当s/d=8时，降至61%；而随着桩间距加大，每一根桩的桩身所承受的荷载却急剧增大，但当s/d=8时，桩身承担的荷载已达到单桩时的85%。因此，可以初步认为，当s/d大于8时，桩间土拱效应减速弱或没有土拱效应，桩的遮拦作用不明显。5桩体粘聚力小前人的研究表明，土体的性质对土拱效应有一定的影响。图8为s/d=8时，土体内摩擦角对土拱效应的影响。计算分析表明，土体内摩擦角越大，土拱效应越明显，桩的荷载分担比呈增长趋势，而且桩土相对位移越小。当土体粘聚力较小时，这种规律更为明显，当然，当土体粘聚力较小时，在桩体附近的土体已发生绕流，土体屈服区域较大。图9为s/d=8时，土体粘聚力对土拱效应的影响与图8相一致。计算分析表明，粘聚力越大，土拱效应越明显，桩的荷载分担比越大，且桩土相对位移越小，但是，当内摩擦角较大时，变化的幅度也较小。计算结果还表明，无粘性土层产生的桩间大主应力拱形状象半椭圆形，而粘性土层则更象等腰三角形。Liang和Zeng曾针对不同的桩径、s/d、土体内摩擦角及粘聚力条件下，对土拱效应进行了大量的二维有限元计算，采用表格形式列出了各种情况下桩间土体的残余荷载分担比。6桩土界面特性Plaxis8.1所采用的接触面性状的模拟方法是用一种弹塑性模式，采用Coulomb准则来判断接触面内发生微小结构与土体相对位移时的弹性变形和持久的变形发生时的塑性性状。对于接触面仍在弹性状态时，剪切力τ为对于塑性状态，τ为式中ϕi和ci分别为接触面的摩擦角和粘聚力，其与土层的强度性质有关，且用界面强度折减因子Rinter进行折减，采用如下方法进行计算：当Rinter<1时，ϕi=0°，其它情况ϕi=ϕsoil。接触面开裂时有式中σt,soil为土体的抗拉强度。当接触面强度取为土体强度时，Rinter=1.0，即接触面是刚性；当接触面为软弱或柔性时，设置Rinter<1。图10为桩土界面特性对被动桩土拱效应的影响。当Rinter=1.0时，可以认为桩土界面完全粗糙；当Rinter=.075时，可以认为粗糙度为75%。从图中可以看出，无论是砂性土还是粘性土，桩的界面越粗糙，土拱的效应越明显，从光滑到完全粗糙，桩的荷载分担比分别从72%和81%提高到了80%和90%（s/d=5时），即桩越光滑，桩土相对位移越大，桩身附近土体越容易产生绕流。7桩间土体模型Chen和Martin曾指出：当土体具有蠕变特性时，随着时间的增长，土拱效应会有一定程度减弱，但他们并没给出计算结果。本文采用Plaxis的软土模型(SSmodel)和软土蠕变模型(SSCmodel)进行分析计算，后者是从前者基础上发展的本构模型，只比前者多了一个参数µ*，可比性强。计算参数引自文献，两种本构模型均采用相同的计算参数见表2。具体相关理论可见文献。图11为在均布荷载p=10kPa的作用下，桩的荷载分担比随时间变化的曲线，其中，当时间t=30d时，荷载施加完毕。计算表明，土体蠕变特性在均布力施加及施加后一短时间内，使桩间土拱效应远比正常土层的桩间土拱效应要弱得多，但桩土相对位移却大得多，如图12所示。随着时间增大，伴随着桩土相对位移增大的同时，桩的荷载分担比也缓慢增大。这就意味着由于土体的蠕变，土体位移较大，且桩身受力也较大，较容易产生整体失稳破坏。因此，在此情况下工程实际的桩间距不能太大。8两组桩间隔的土拱效应显然，排间距对土拱效应及桩土荷载分担比也有影响。本文主要分析双排被动桩桩间的土拱效应，排列方式分为平行排列和间隔排列两种。图13为两排桩平行排列时的土拱效应示意图。显然，前排桩桩间土体也产生位移，因此，前排桩间土体也产生的土拱效应，但较后排桩更不明显。图14为两排桩间隔排列的土拱效应示意图。桩排间距l对桩间土拱效应也有一定的影响，分析表明：(1）平行布置的双排被动桩，随着行间距增大，对于砂质土层，土层荷载分担比略有减小，前排桩荷载分担比先增大后减小，后排桩荷载分担比先略为减小再稍为增大；对于粘性土层，土层荷载分担和前排桩荷载分担比逐渐减小，而后，排桩荷载分担略有增大。(2）间隔布置的双排被动桩，随着行间距增大，对于砂质土层，各种荷载分担比均变化不大；先略有减小，而后略有增大；对于粘性土层，土层荷载分担和前排桩荷载分担比逐渐减小，而后排桩荷载分担略有增大。一般地，当行间距小于2d和大于8d时，前排的土拱效应不明显或不存在。9桩间土拱效应的二维表现现有的国内外文献及本文对被动桩桩间土拱效应的研究都表明，可以用二维有限元技术有效地分析桩间的土效效应问题，可以得到如下结论：(1）当桩间距为3～8倍桩径时，桩间土拱效应才会存在。随着桩间距加大，桩的荷载分担比越来越小；（2）土体内摩擦角和粘聚力越大，土拱效应越明显，桩的荷载分担比呈增长趋势，当土体粘聚力较小时，这种规律更为明显；（3）无论是砂性土还是粘性土，桩的界面越粗糙，土拱的效应越明显；（4）土体蠕变特性使桩间土拱效应远比正常土层的桩间土拱效应要弱