基坑开挖引起土体侧移对桩的影响.doc

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；=土体的不排水的抗剪强度；=土体的杨式模量；r=单位土体的重度；=桩长；d=桩的直径；=挡土墙的刚度；s=支撑的刚度；=挡土墙的长度；=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。通常基坑开挖的深度可以用一个众所周知的稳定参数表示，的表达式如下：=（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（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