基坑开挖引起土体侧移对桩的影响

浙江大学宁波理工学院毕业论文挤土工程桩对基坑支护结构的影响陈若曦2005年6月12外文翻译基坑开挖引起土体侧移对桩的影响H．G．Poulos，Fellow，ASCE，andL.Chen摘要：在这篇论文中，我们将应用有限元分析法和边界元法分析基坑开挖引起的土体侧向位移对单桩的影响。具体要关注在黏土层中有支撑系统的基坑开挖情况。将考虑不同直径桩体的土体侧移的影响。用设计图表法的形式来估算桩的弯矩和偏移。这些工作可能已经被实际的工程师们用来估算基坑开挖时对桩性质的影响大小。我们将应用图表法的形式通过研究两件已经发生的历史案例来进行阐述。通过分别用图表和计算机分析的方法来比较已测桩和预测桩，我们发现图表法可以推广应用到相近类型的其他土体中，但不能应用到无支撑的基坑中。引言：有许多例子可以说明由于基坑开挖引起土体侧移而对桩基的影响甚至破坏。例如：Finnoetal（1991）、Amirsoleymani（1991）和Chu（1994）。因此对于工程师来说要能够估计建造工程时，基坑开挖对邻近桩群的影响是十分重要的。从理论上来说，有限元分析法可以用来做那样的估计而且确实是一种有效的方法。像上面阐述的Finnoetal（1991）和Haraetal（1991）都是用此法分析的。尽管如此，在许多情况下，由于缺乏详细的地址或者岩土信息，有限元法分析既不安全，使用时又不灵活，在那种情况下，利用合理的原始数据设计简单的图表法可能更适用。最初发展这种图表形式的意图是为现在的工作服务的。尽管基坑开挖将会引起土体竖向和侧向位移，但后者的影响因素被认为对邻近桩的影响更加关键，尤其是混凝土桩，因为桩通常在设计时很少考虑大的侧向荷载。因此，现在研究的桩都只是考虑基坑开挖引起土体侧向位移对其影响，它们的影响可以同时用有限元法和边界元法同时考虑。有限元法可以用来首先模拟基坑开挖的过程和确定自由场地土体的位移，也就是土体的位移发生在没有桩存在的情况下。这些确定的土浙江大学宁波理工学院毕业论文外文翻译陈若曦2005年6月13体侧移数据将作为一个初始进量用边界元法分析桩的反应情况。桩体的反应（如弯矩和偏移）将作为结果以图表的形式反映出来，既而将应用到实践当中去，我们将分析历史上发生的工程案例去阐明现行方法的可应用性。问题分析问题的分析将显示在图1中。在图1中，单桩埋在离基坑附近的土中，随着基坑的开挖，周围的土体将朝着开挖方向移动，这会引起桩的弯矩和偏移变化，影响单桩反应的关键因素包括基坑开挖的空间大小，基坑的支撑状况，施工的过程，土的性质和桩的性质。为了简化问题起见，图1中的土体是一种典型的粘土。基坑假定是无限长的，因此符合二维平面应变分析条件。图1基本问题分析基本问题的分析和参数的选择都显示于图1中。B=基坑的半径；H=整个原粘土层的厚度；X=桩距基坑边缘表面的距离；uC=土体的不排水的抗剪强度；sE=土体的杨式模量；r=单位土体的重度；pL=桩长；d=桩的直径；wEI=挡土墙的刚度；s=支撑的刚度；wL=挡土墙的长度；maxh=基坑的开挖的最大深度。基坑开挖从顶部到底部分为10个步骤，每一步都挖走1m厚的土层，拟定有四个水平支撑支持当墙。第一道支撑在第一步开挖后设置，其余三道支撑分别在第4步、第7步和第10步开挖工作完成后加设，所有支撑都没有预先加力。浙江大学宁波理工学院毕业论文挤土工程桩对基坑支护结构的影响陈若曦2005年6月14通常基坑开挖的深度可以用一个众所周知的稳定参数cN表示，cN的表达式如下：cN=uCrh（1）有限元法和边界法分析二维的有限元方法来模拟没有桩情况下基坑开挖的平面应变问题。这种有限元法又被称为AVPULLC（分析在侧向荷载作用下的垂直桩），在其他地方也有陈述（详见chen和poulos1993；chen和poulos1994；chen1994）。此法最早用于分析侧向荷载作用下或侧向土体位移中群桩的反应情况；随后经过改进使之适用于基坑开挖时的分析。用8节点的相关参数来形成土体和挡土墙，而goodman类型的元素用来形成土和挡墙的分界面。在本次研究中，墙与土体的分界面假定是粗糙的，也就是说没有发生滑移，支撑被看作是弹簧，它的刚度是由各支撑节点相应的位置所决定的。土体和边界元素看成是弹—塑性材料，服从Tresca屈服准则和不相适应流动法则。挡土墙被视为线弹性材料。应该指出，根据Hashash和Whittle（1992）分析，用有限元法计算的土体的位移是依靠组成土体的成份模型而得出的。这种相对简单的弹塑性土模型应用在目前的研究中可能因为没有考虑土体的质量特别是在很高的稳定系数的情况下（cN接近于6）而不能获得固定的应变值而导致错误。有限元网法用来分析如图2所示的基本问题，由于对称性，这里只模拟了一半基坑的情况。在有限元模拟中，挡墙假定设置在基坑前面，它对于周围土体没有影响。用有限元法计算的土体位移将作为用边界元法分析桩的反应的初始数据，边界元法有称为PALLAS（用作桩的和侧向荷载分析），其他地方也有介绍（例如poulosetal1995）。PALLAS用简化形式的边界元法分析。在分析中，他将桩理想化为一根弹性梁，土体是一种弹性的连续介质，但是限制了桩土表面的压力，允许考虑由于地域原因土对邻近桩没有影浙江大学宁波理工学院毕业论文外文翻译陈若曦2005年6月15响。这种方法可以分析单桩和非理想化的群桩，但不能处理顶部有桩帽的群桩。组成桩的原始参数有抗弯刚度，桩群中每根桩的直径和长度。土体模型需要具体的泊松比（尽管一般来说影响很小）和随着土层深度分布的各种杨氏模量。图2有限元法对基本问题的分析虽然从理论上说桩与侧土的相互作用的极限土压力uP可用有限元法分析获得（chen和poulos1994）曾推导过。在本次论文中，极限压力uP假定简化为9uC（uC为不排水的抗剪强度）。这样的假定对于基坑表面到桩的距离小于4倍桩直径的情况特别是基坑支撑条件较灵活时可能偏于保守，因为在此情况下，基坑开挖或挖方会使uP减小，poulos（1976），chen和poulos（1994）曾指出过这种情况。chen（1994）曾检测过桩在极限压力uP下的反应。这里采用基础工程的方法已经用于解决许多问题，包括桩受外部地面动力荷载时的情况（poulos和Davis1980；poulos1989，poulos.etal.1995）与单桩分析法用于土、基坑支护和桩间相互作用相比较，基础工程方法在挖方过程中使用相同的计算土位移的方法来反映大量不同桩对基坑开挖时的影响方面有巨大优势。这样的便利能力极大地推动了参数研究和设计图表的发展。浙江大学宁波理工学院毕业论文挤土工程桩对基坑支护结构的影响陈若曦2005年6月16基本问题的结果图3显示了在离基坑表面不同距离的四个基坑开挖阶段挡土墙侧移和土体侧移的计算情况。可以看出挡土墙和土体位移随着稳定系数cN的增加而增加。增加的比率在土体接近破坏时会明显加快。土体的侧移在远离基坑表面的地方比在挡墙或其附近更加缓和。图3显示的土体侧移本质上与其他研究者预测的类似，像Hashash和Whittle（1992）年预测的那样。图3挡土墙侧移和土体位移的计算如图4所示土体的最大侧移量maxy与不同的稳定参数相关，而与基坑表面离桩的距离成反比，可以推断（尤其是对那些稳定系数大的基坑来说），随着X的增大，maxy会减少，桩对于自由土体的位移在X=1m（如图3（b）所示）时所产生的结果在图5中显示，桩图在图1中有图示。桩的偏移量与自由土体的位移密切相关，这表明桩相对较柔的事实，桩的弯矩在图5（b）中显示，可以发现有两种曲率。弯距的最大值随稳定系数的增大而增大。当土体接近破坏时，弯距的增大率随稳定系数在较大范围内增大而增大。我们还可以发现在离基坑表面的一切距离内桩的偏移与土体的位移密切相关。因此，桩的最大偏移量可以认为与土体的最浙江大学宁波理工学院毕业论文外文翻译陈若曦2005年6月17大位移相等（如图4所示），而离桩不同距离的X的侧向弯矩都具有十分相似的形状，而弯矩的最大值随着X的增大而减小，（如图6所示）图4土体最大位移随离基坑表面的距离大小变化曲线图5桩对基本问题的反应：a）挠度曲线b）弯曲弯矩曲线图6基本问题中最大弯矩随距离变化曲线参数的研究和图表的设计为了研究对桩的影响最大的关键参数，我们研究了许多不同的情况下各种参数的变化。如：不排水抗剪强度uC，挡土墙刚度wEI，支撑刚度K，支撑距离s和桩的直径d。土的杨氏模量假定为400uC。通过参数的研究浙江大学宁波理工学院毕业论文挤土工程桩对基坑支护结构的影响陈若曦2005年6月18可以得出以下结论：（1）土的极限侧向荷载对桩的影响（弯矩和偏移量）随着uC（和sE）的增大而增大。（2）更大的土体的侧移对桩的影响随稳定系数的增大而增大。（3）桩的影响随着基坑支撑刚度条件的改善而减少。（例如增大挡土墙刚度和支撑刚度，减少支撑间的距离s）因为那样的支撑条件会使土体的位移减少。（4）因为桩自身刚度的原因，桩的弯矩会随桩直径的增大而增大。桩的偏移减小的趋势很微小，但桩的偏移一般会随着土体的位移一起，只要桩的刚度不是太大（比如直径d﹥10m）基于上述对参数的研究分析，我们可以发现桩的最大弯矩和偏移量可以用以下公式表示：maxM=bM*cuK*dK*NcK*EIwK*kK*sK（2a）maxP=bP*'cuK*'dK*'NcK*'EIwK*'kK*'sK（2b）其中：maxM=最大弯矩，KN·m；maxP=最大偏移量mm；bM，bP=各自的为修正的弯矩和偏移；cuK，'cuK=不排水抗剪强度的修正系数；dK，'dK=桩径的修正系数；NcK，'NcK=基坑开挖深度的修正系数；EIwK，'EIwK=挡土墙刚度的修正系数；kK，'kK=支撑刚度的修正系数；sK，'sK=支撑距离修正系数。图7初始弯矩随离基坑表面距离大小的变化曲线浙江大学宁波理工学院毕业论文外文翻译陈若曦2005年6月19bM和bP两者的值和所有修正系数如图7—10所示。从图6和图4分别获得的。结论相应取cN=3，我们可以得出bM和bP随X的变化而变化，如图7和9分别所示，所有的修正系数都在相应取cN=3基本结论的基础上修正。用公式（2）和微型化的图表形式，这里不可避免的出现了误差，这样的误差是由于用公式（2）计算的结果与直接从边界元法得出的结果所产生的。不过这种偏差在15%范围内，除了十分软的粘土以外（如，Cu低于20kp）。图8弯矩的影响因素修正图需要说明的是，公式（2）仅仅是计算桩的附加影响，它是假定在基坑开挖前桩自身不存在初始弯矩和偏移将会随着基坑开挖的进行而或增大或减小，这也取决于桩原来在工作载荷下的弯矩和偏移。同样需要指出的是单桩的侧向特性一般不会受邻近群桩的密切影响，桩群受影响的程度取决于桩的数量，各桩距和桩顶部的约束条件，土的特性等因素。公式（2）也可以用于估计类似的群桩。浙江大学宁波理工学院毕业论文挤土工程桩对基坑支护结构的影响陈若曦2005年6月20图9随基坑表面距离大小变化的初始位移值为了避免问题过于复杂，公式（2）没有涉及无支撑的基坑开挖情况，那种情况也可以用类似的方法分析。事实上，有限元研究表明在无支撑的情况下基坑开挖时对桩的影响是十分不同的，在这种情况下，考虑用分别的图表法会更加适合。由于限于篇幅，这种图表法没有在本文中介绍。图10挠度的系数修正图浙江大学宁波理工学院毕业论文外文翻译陈若曦2005年6月21问题的应用为了检验本方法对预测桩的影响能力，我们分析了两件已发生的有关案例，并作简要表述，在每一个案例中，在对具体场地进行分析时，我们运用有限元法AVPULL去估计土的位移，用PALLAS法计算桩的影响。公式（2）也被用来计算第一个桩的最大弯矩和位移。案例1Finnoetal（1991）曾描述过在框架结构内部进行大型基坑开挖的情况。这种框架结构是被阶梯状的锥型群桩支撑的，这些桩离基坑表面很远，虽然基坑在开挖是用临时的锚杆支护，但当要开挖基坑的板桩墙时，群桩就向基坑内部倾斜严重。基坑开挖被分为好几个阶段，板桩墙的偏移和桩的影响