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论文作者签名蓄熟指导教师签名!兰波论文评阅人隆坦焦教援级直王植例直送墅匡建筐史坠评阅人蔓炷副教援浙江太堂评阅人塞国丞副教援浙江太堂答辩委员会主席孙壶挞教握逝江太堂委员友么退硒究员逝江太堂委员工期延误由于基坑开挖过程中引起工程桩偏位的问题十分复杂,目前仍有大量问题没有足够的研究资料,在制定挖土方案时,也只能凭借经验进行编制而这些经验方法缺乏理论依据和试验验证,留下巨大的工程隐患.因此,对软土地区深基坑开挖对工程桩的挤压机理进行深入研究,探讨减少工程桩偏位的措施,为工程实践提供指导与参考,有着重要的现实意义.,基坑开挖带来的问题在挤土桩施工过程中,打桩或压桩引发的挤土效应会使桩周土体产生水平方向位移,引起邻近桩身挠曲,甚至会导致桩基的整体移动,为了减少桩基的侧向变形,开挖一般应分层分块进行,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,桩基的承载力下降,桩基挠曲失稳将危及建筑物的安全,】就报道了一个基坑开挖工程实例,基坑.深,土层主要为砂性土,尽管采用型钢、桩长.的拉锚支护排桩,但到支护结构开始拆除支护桩抽回再利用时,工程桩桩顶侧向位移仍然达到.O在开挖作用下或侧向土体位移作用下,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由于负摩阻力问题、堆载问题、开挖问题等等没有得到足够的重视,在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,采用的是中的钢筋混凝土预应力钢管桩,桩长,作为地面承载桩,在打桩完成后进行设备基础开挖,基坑深,导致了浙江大学硕.学位论文第一章绪论大部分桩体发生了近的桩端转角,部分桩体发生了错断,严重影响了桩基的承载力和稳定性.[]等都曾对承受土体水平运动的桩的现场试验作过报道,这些试验表明,软粘土地基侧向流动引起的作用于桩上的侧向压力很大,足以使较大尺寸的桩产生变形和较大内力,甚至破坏,,,,,在长期观察和研究后又指出,有了初始弯曲,桩的竖向承载力低于铅直桩的竖向承载力[,比如,在挪威,型钢桩的曲率半径低于时,其容许承载力要降低;在瑞典,对预制混凝土桩有相同的限制,当曲率半径在到范围内变化时,其容许承载力常呈直线变化・基坑开挖对工程桩影响的研究现状目前,关于基坑开挖影响的研究,多集中于对周边道路、邻近建筑和基础,管线等的变形效应的研究,而对坑内工程桩影响的研究,尤其是对工程桩的挤压机理的研究资料用以借鉴的很少于志军】等将深基坑开挖中的工程桩视为承受侧向荷载的桩体而利用弹性地基梁上的杆系有限元方法来进行分析,在同样土质条件下对四种不同放坡角度和高度的情况分别进行了计算,分析计算结果认为对于上海软粘土地区常见的工程桩类型灌注桩,确定在坑内放坡挖土时,安全的土坡高度位于之问,安全的土坡坡角不大于.徐枫【】等用有限元软件模拟分析了基坑开挖土体卸荷回弹对工程桩的上浮拉力计算结果显示基坑开挖越深,桩顶位移、桩身拉力越大;桩土接触越粗糙,桩顶位移越小,桩身拉力越大;离坑边越远桩顶位移、桩身拉力越大;靠近基坑中心处的工程桩受基坑开挖的影响较坑边的桩大.魏雪【在平台上进行二次开发,利用内嵌语言编写程序,建立考虑支护体系的基坑开挖数值模型,模拟基坑开挖三维动态施工,以基坑四个典型位移的桩为实例,分析不同位置处桩的不同反应;从桩身特征参数、土体参数、开挖工况三个方面研究桩土相互作用的因素;土体粘聚力、内摩擦角对桩土第一章绪论浙江大学硕学位论文相互作用影响明显,随着粘聚力的增大,土体隆起及桩身偏位都明显减小;不同位置的桩基,桩土相互作用明显不同,对于典型位置处的桩基给出最大弯矩点,同时,桩长、桩径对桩基受力有一定影响,但对于桩基偏位作用不大;不同开挖工况下,不同位置的桩基内力变化有较大差别基坑中部桩桩基内力变化最大,其弯矩值和最大弯矩点都发生很大变化.刘方治【分析了儿个典型淤泥地层中基坑失稳造成坑内预制桩倾斜的事故原因,阐述了预制桩倾斜对承载力和工期、造价的影响,提出了预防和治理基坑开挖造成预制桩倾斜的措施,包括确定合理边坡、选择适当的挖掘方式、监控打桩路线和沉桩速度、防止在坑周过多堆载和基坑附近出现振源等成红之【通过对某工程现场的实例剖析,得出在软土较厚或人工填土较疏松的场地,进行基坑开挖时,会造成大批基桩向同一方向倾斜甚至倾倒,主要原因是由于开挖基坑方法不当,产生侧向土压力及未消散的超孔隙水压力的释放以及挖土机械的外力作用,使得软土向同一方向移动,从而造成基桩因受到推力而倾斜甚至倾倒的事实韩丽娟一文针对大面积地面堆载条件下的邻近桩基进行了分析,假定桩为简单的弹性地基梁,而桩周土作为弹塑性变形体,基于桩与土的变形协调条件,确定桩侧土压力的表达式,在此基础上建立桩身挠曲控制微分方程,联合采用非线性曲线与有限差分法进行求解,并编制了相应的计算程序刘敦平【一文在桩土间设置了严格意义上的摩擦接触单元,利用软件对单桩的桩土相互作用进行了横向平面应变分析,得出被动桩桩身土压力分布规律.鲁宏【一文中用平面应变有限元法,采用轴向刚度等效的方法模拟基坑内存在的工程桩,用软件模拟基坑开挖对工程桩的影响分析,有限元分析表明,工程桩的存在对基坑变形和支护结构内力产生影响,同时基坑开挖也相应地对坑内工程桩产生一定影响,软土地基基坑内的工程桩在基坑开挖时将产生变位,桩身位移主要在桩顶以下一定范围内,在基坑开挖边沿部分工程桩水平位移较大,竖向位移较小;在基坑开挖的中心部位,工程桩水平位移较小,竖向位移较大肖健【】分析在考虑工程桩的存在和不存在两种情况下基坑开挖回弹的空间第一章绪论浙江大学硕学位论文效应,即对比不同基坑形状、不同开挖面积以及不同开挖深度情况下基坑回弹变形的变化规律肖军华【等以某软土地基上建造多栋毗邻的小高层住宅,在地下车库基坑的开挖过程中,软土流动推挤坑内桩基导致偏位的工程实例背景,借助三维有限差分程序,选取简化计算模型,对基坑开挖流动土体作用下工程桩的反应性状进行了模拟与分析,并与实测值进行了比较,最后讨论了影响桩基变形的相关因素黄伟达考虑桩、土相互作用的三维效应一一“绕流作用”和“土拱效应”,采用软件系统地对堆载作用下邻近单排桩进行了三维弹塑性分析,并对土压力分布规律进行了总结,提出桩身侧压力的经验分布公式,重点研究堆载条件、桩的尺寸以及软土性质等因素对被动桩性状的影响,并将结果与平面应变有限元加以比较黄广龙】从分析基坑土体开挖时工程桩上受到的荷载作用入手,研究了滑动土体及施工荷载对工程桩变位的影响,运用弹性抗力法分析了荷载作用下工程桩桩身任一点内力和位移的分布情况,对某工程实例进行分析,计算开挖时作用于桩身的最大弯矩及其位置,与现场实测的桩身断裂位置基本一致,表明开挖形成的临空面滑动土体及施工荷载引起的水平荷载是导致桩身偏位甚至断裂的根本原因.桩土相互作用的研究..桩土相互作用的研究现状桩土相互作用问题属于固体力学中不同介质的接触问题,桩土接触面在复杂受荷条件下表现出四种形态黏结、滑移、张开、闭合,表现为材料非线性和接触非线性,是典型的非线性问题研究桩土相互作用问题需要研究土的变形特征、桩的变性特征、桩的埋置深度、时间效应土的固结和蠕变、外部荷载的形式静载或动载及施工顺序目前桩土相互作用的研究方法主要有理论分析法和试验方法理论分析法分为经典理论分析法和数值分析法两种方法,试验方法分为室内模型试验和现场原型试验两种方法浙江大学硕学位论文第一章绪论弹性理论法剪切位移法厂经典理论分析法广理论分析法荷载传递法研数值分析方法究常规模型试验方一室内模型试验离心模型试验试验方法现场原型试验图.桩土相互作用的研究方法其中以加】方法为代表的弹性理论法,是假定桩和土是弹性材料,在轴向荷载下求得桩身位移,由荷载作用于半无限空间内某一点所产生的位移解求得桩周土体的位移,在假定桩土界面不发生滑移的情况下求得桩身摩阻力和桩端力的分布,继而求得桩的位移分布假定位移解适用于群桩,则该方法可以被推广至群桩的相互作用分析,剪切位移法是将每根桩分成若干段并考虑地基土分层特性,可得到比公式积分大为简化的数值计算方程组,它的优点是在竖向引入一个变化矩阵,可方便考虑层状地基的性状,均质土不需对桩身模型进行离散,分析群桩时不依赖于许多共同作用系数,给计算带来很大方便荷载传递法的本质是地基反力法,传递函数分为.等提出的签红旦副数援逝迢太堂委员芒垩副教援浙江太堂委员席苴副教援逝选太堂学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解逝至三盘堂有关保留、使用学位论文的规定,有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借阅本人授权进婆盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文保密的学位论文在解密后适用本授权书学位论文作者签名秦每乙导师签名*孙签字日期加年弓月/日位移协调法和佐藤悟【等提出的解析法,它可以较好的模拟单桩性状,不考虑土体的连续性,荷载传递法不能直接适用于群桩.孙福杰【】等将桩体考虑为线弹性材料,土体为理想弹塑性材料,破坏准则选用.屈服准则,对桩体和土体采用结点三维实体单元进行网格离散,赋予不同的材料属性,桩土接触面采用面面接触,桩体表面为目标面采用单元,土体表面为接触面采用单元,通过有限元方法的计算模拟,确定出特定荷载作用下桩基的沉降张向东瞄等以桩土复合地基为研究对象,采用有限元数值分析,在模型中,采用节点四面体单元和材料模型;桩体采用弹性各向同性模型进行模浙江人学硕:学位论文第一章绪论拟,对复合地基承载变形特性进行了系统的分析.张崇文【冽等提出一种解决三维空间桩与土相互作用的有限层.有限元混合模型,将半无限空间问题转化为准二维平面问题进行求解王玉杰【等应用有限棱柱单元、无限棱柱单元离散桩土体系,在计算中用理想弹塑性弹簧模拟桩土之间的相互作用,对在集中荷载作用下由根长柱组成的群桩与土相互作用体系进行了三维弹塑性分析..被动桩与土体相互作用理论的研究及其发展方向提出了被动桩的概念:主动桩是桩向土体传递荷载,而被动桩则是承受土体传来的荷载基坑开挖改变了土体原有的平衡的自重应力场,土体应力场向新的平衡转变,使得土体可能侧移或隆起,从而对坑内己有的工程桩造成影响,如桩偏位或上浮另外,当支护方案不合理或开挖降水也会对基坑变形和稳定造成很大影响,从而间接影响工程桩的性能和状态因此,对基坑开挖过程中坑内工程桩的研究属于被动桩桩土作用的范畴对于被动桩的研究,大致可分为三个阶段第一阶段大致从世纪年代到年代初,这一阶段的研究主要是以实测资料建立被动桩的水平位移与堆载或填筑,桩体刚度等因素之间的经验关系为主.第二阶段以发表被动桩的弹性力学解法为起点,之后不少岩土工程工作者不断致力于被动桩与土体相互作用机理和理论分析方法的研究第三阶段是计算机数值模拟分析技术在该领域的应用,有限元成了分析桩土相互作用的重要手段,有限差分、边界元作为辅助手法各种平面应变分析、轴对称分析、三维分析方法均用于研究复杂的桩土相互作用机理关于被动桩的研究分析方法、第一阶段具代表性的是和方法和、分析了单排被动桩的变形与受力,力学模型如图.所示浙江大学硕学位论文第一章绪论”■••口??泊捌叫刑麓捌叫制叫图.桩土相互作用力学模型图假设桩身滑动面以上受移动土体作用,按被动桩分析,侧压力大小按公式计算;桩身下部埋于稳定土层之中,按主动桩分析,稳定土体中侧向抗力按文克尔地基受力计算,比例系数为地基反力系数计算公式如下移动土体中桩基的挠曲方程稳定土体中桩基的挠曲方程瓮“泓式中,表示滑动面以上的被动桩的挠度,表示滑动面以下的主动桩的挠度,代表桩的抗弯刚度,七,为稳定土体的地基反力系数,式中为单位桩长桩土间的相互作用力/,式中,一,为桩的计算宽度通过趋于无穷时的条件,解上面两个方程,可得桩挠曲的一般解如下篇一仁卜正%—坞胤儿一叩S峨邮,雕厂式中,口、口、口、口,、、均为积分常数;,;为在四重不定积分./,浙江人学硕学位论文第一帝绪论中,排除积分常数口、口、口和口解法的余量:声扣而、第二阶段的基于弹性理论和边界元的解答假定桩周土体为均质弹性介质,其应力和变形满足弹性半无限体内作用有水平力的解答,土体变形模量和屈服应力沿深度线性变化,而土中的桩被简化为简单的弹性梁,满足梁的挠曲微分方程,然后通过桩土接触面上的应力平衡求解桩的挠曲和内力在解的基础上提出了一系列在均质土中水平荷载下被动桩的弹性力学分析方法在该方法中,桩被简化为一个简单的弹性梁,土体则按弹性连续介质考虑,满足窘觥力式中,,为桩的弹性模量,,为桩的截面惯性矩;为桩宽,,为水平地基反力,为桩前桩后水平土压力综合值将运动土中长度为己,宽度为的桩等分为段,共刀个节点,每段长,对这些点建立有限差分格式,转化为行个代数方程,以矩阵表示如下移一为扫式中,陋卜一X阶系数矩阵99••99••【:丢伽卜?一以阶的桩身侧向挠度列向量;,一一桩身计算抗弯刚度;扫力阶桩位移方向上桩前后的土压力差列向量浙江大学硕学位论文第一章绪论土的侧向位移是由于外荷载如开挖形成的高差等和桩土相互作用引起的压力伽而产生的,其合成结果为..百知九饥式中,伽,—土体位移列向量;,—各分段土的变形模量;,一一任意取定的土参考模量;陋,/,】一一模量比对角阵;卜一土的侧向位移影响矩阵;协一一软土在外荷载作用下的侧向位移列向量【,矩阵由方程确定,即半无限体内水平荷载引起的水平位移来估算由桩土位移协调条件:切伽,,将・、两武联立得到五,卜咎咎••式中,磁桩的柔度系数,磁孕?,按照%值将桩分为丘.一,柔性桩.,中等刚性桩・墨凡刚性桩可以通过实测、有限元计算或者弹性力学解答给出,也可以通过经验方法确定、第三阶段的有限元分析】等利用平面应变有限元分析路堤施工时对邻近软土中桥台桩基的影响,替代桩基的等值板桩墙采用三节点梁柱单元模拟,用弹塑性模型模拟士体的应力应变关系,桩土接触面设置弹塑性节理单元,计算结浙江大学硕:学位论文第一章绪论果与离心模型试验和有限的现场试验结果基本一致等基于平面应变有限元分析,建立了软土地基中桥台桩.土的共同作用模型,并且把有限元理论分析结果与离心试验结果对比,两者吻合较好三维数值分析中,使用了线弹性模型进行桥台桩与土相互作用的三维有限元分析,州等使用三维有限元方法分析了后台填筑中桥台桩基的反应性状:土按线弹性模型考虑,模拟计算结果与离心模型试验结果较一致,但由于该法使用较复杂,用来解释和确定桩土相互作用性状和一般趋势还可以,不可能用于设计.最近几年来,建立在模型试验基础上的对被动桩的研究成果多了起来如.【研究了基坑开挖时,坑外侧邻近桩基的变形、受力与桩基参数间的关系,如桩头固定条件、桩身在稳定与流动土层之中的长度比、桩身直径、刚度等,并给出了估算最大弯矩的表达式;.研究了基坑开挖对坑外单桩的影响,包括单桩距离基坑的距离、单桩随开挖步骤还研究了开挖过程中坑外群桩的反应性状的反应等;.纵观各种相互作用理论,仍然存在着各种问题,数值分析法存在的问题主要是接触面的处理、材料的本构、计算参数的选用及计算机容量的限制等,试验方法的问题是不能模拟自重应力条件,桩的小比例尺模型试验无法准确地观测到桩基深处土层在实际应力条件下的性状及其与桩的相互作用,室内试验存在着尺寸效应,而桩的现场静载荷试验,因影响因素过多,必须经过大量的试验积累,才能找出规律【知.被动桩桩土相互作用分析领域今后的发展方向之一,是模型试验和数值分析相结合,优势互补.本文研究内容与研究方法本文第一章首先提出了基坑开挖带来的问题及研究意义,接着论述了基坑开挖地应力场变化对坑底工程桩的影响研究现状,本文引用的大部分是基于有限元方法进行的模拟分析然后系统地总结和论述了国内外被动桩桩土相互作用理论的研究现状,包含了桩土相互作用的理论分析和试验方法,并比较分析了各种研究方法存在的问题,总结得出被动桩桩士相互作用理论的发展方向第二章首先分析了基坑开挖造成围护墙、坑内土体以及坑外土体三部分的变形机理和造成桩变形的原因详细地研究了基坑开挖中被动桩桩间土拱效应的产浙江大学硕十学位论文第一章绪论生机理,运用有限元技术分析了侧向土体位移、桩身水平位移、土性参数及桩间距等因素对土拱效应的影响及其规律,并推导出了桩间距与桩间土体抗剪强度参数之间的关系,从而定性定量地解释了工程桩与土体相互挤压的内在实质第三章介绍了有限元分析软件,学习其基本原理和计算流程.第四章基于前一章所述的建模思想,选取一个典型算例对基坑开挖时坑内工程桩的性态进行了平面有限元分析,进一步研究开挖工况,桩土接触面特征,开挖方式对工程桩内力和位移的影响,选取不同位置处工程桩进行研究,比较其桩基反应的不同,得出基坑开挖过程中,桩体内力及其位移签字日期:矿乒.;月,日学位论文作者毕业后去向工作单位电话:致谢本文是在我的导师严平副教授的悉心指导下完成的,在论文选题、论文撰写及修改成稿的整个过程中,严老师自始至终给予了认真的指导和无私的帮助两年多的研究生生活,严老师不仅在学业上对我耐心教导,生活上也给予了无微不至的关怀和帮助,导师严谨求实的治学态度、精湛的学术造诣和坦荡豁达的胸襟给我留下了深刻的印象,是我一生学习的榜样值此论文完成之际,向严老师致以最衷心的感谢和诚挚的敬意在论文撰写期间,陈旭伟教授级高工曾对我的论文提出了宝贵的建议和意见,在此对陈教授表示诚挚的谢意同时感谢浙江大学防灾所的尚岳全教授,孙志林教授,朱国元副教授、蒋军副教授、孙红月副教授、庞苗副教授、葛炜老师,严细水老师、吕庆老师、方火变化规律,指出主要的影响因素第五章对深基坑内台阶式放坡挖土时工程桩的偏位进行了模拟与分析,揭示了工程桩偏位与阶高、坡角以及土体强度参数之间的变化规律,为分析软土地区基坑开挖对坑底工程桩的影响提供一定的理论指导然后以杭州基坑工程实例为背景,借助平面有限元程序,选取简化计算模型得出工程桩的位移值,并与实测值进行了比较,可以看出数值模拟能够较好地反应现场情况第二章工程桩十体的相互作用机理研究浙江人学硕:学位论文第二章工程桩与土体的相互作用机理研究•引言上一章介绍了国内外被动桩与土体相互作用理论的研究现状及其发展方向,鉴于基坑开挖过程中坑内工程桩的研究属于被动桩桩土作用的范畴,本章以基坑开挖变形机理为出发点,在土体变形的基础上分析桩的变形及荷载效应,对于工程桩与土体相互作用问题本质的研究有很大的帮助再借助平面有限元方法,以桩土相互作用的特征反应一一土拱效应为主线,揭示土体与工程桩相互挤压并分担荷载的过程,研究了侧向土体位移.桩身水平位移、土性参数及桩间距等因素对土拱效应的影响及其规律,并推导出了桩间距与桩间土体抗剪强度参数之间的关系,从而定性定量地解释了工程桩与土体相互挤压的内在实质.基坑开挖变形机理在软弱地层中开挖深基坑,坑周土体向坑内塑性流动,导致邻近桩基倾斜、弯曲甚至折断,事故原因归结为两点一是移动土体对邻近桩基推挤,导致桩基失稳;二是土体由于固结、塑性屈服和流变等引起侧向移动,对桩基施加推力,致使桩基产生侧向弯曲,甚至发生折断【弗,即被动桩的变形破坏与不稳定土体的娈形有关,也即土体相对于桩的变形是因,桩产生的变形及荷载是果利用土体的变形分析桩的变形甚至破坏及荷载效应可以让我们明确被作用问题的本质在土体开挖卸荷的过程中,基坑变形一般包括基坑周围地层移动、基坑墙体变形和基坑底部隆起三个部分基坑围护墙体形成后,围护墙体在背侧土压力作用下向基坑方向水平移动,同时坑周土体将发生回弹和隆起;对于坑外地层的变形情况由于坑内土体的不断隆起产生的变形和围护墙体的变位导致坑外土体移动产生的变形;坑底土体的变形情况:部分因坑内;土压力差造成坑外土体的地层移动引起坑底隆起,部分因土体卸荷发生弹性隆起,该部分不会造成坑外土体的变形由此得出结论,在基坑开挖过程中,坑内土体、围护墙和坑外土体三部分变形是互相影响的,可以作为一个整体来考虑下面分别详细介绍三部分的浙江大学硕:学位论文第二章程杭勺十体的相互作用机理研究变形机理.•开挖引起基坑周围地层移动从宏观上看,地层移动的机理,是土体应力和强度之间不断调整,坑内土体卸荷和坑内外土层面高差不断变形的反应.随着基坑的开挖,坑内外土层面的高差不断加大,当开挖到一定深度的时候,由于挖方高差和地面各种超载所产生的加载作用,会使得围护墙外侧或基坑边坡周围土体向坑内移动,并使坑内土体产生向上的塑性隆起,同时在基坑周围产生较大的塑性区,引起地表沉降,此时基坑周围土体中的剪应力己超过土的抗剪强度,进入塑性破坏;同时主动区土体向坑内流动,使该区土体水平向应力减小,导致剪应力继续增大,同时塑性区范围也增大.•开挖引起围护墙体的变形基坑开挖后,围护结构开始变形并向坑内发生移动,在每次开挖结束后,都要经历一次主动土压力、被动土压力和支护结构上的荷载变化的过程,在这一过程中,墙体发生变形,它不仅使围护结构外侧发生地层沉降,而且使外侧土体塑性区增大,导致围护墙外侧土体向坑内的位移和坑底隆起增加.因此,同样地质条件和埋深条件下,因围护墙体的变形不同,深基坑周围地层交形范围和幅度有很大差别,墙体变形是引起周围地层移动的重要原因【•当基坑开挖深度较浅,采用悬臂支护结构时,不管是如水泥土搅拌桩墙或旋喷桩墙等刚性墙体,还是如钢板桩或地下连续墙等柔性墙体,均表现为墙顶位移最大,向基坑方向的水平位移,呈三角形分布随着开挖深度的增加,刚性墙体继续表现为向基坑方向的三角形水平位移或平行刚体位移,对于有支撑结构的支护结构,在设置了支撑后,表现为墙顶位移变小或逐渐向基坑外移动,墙体腹部向基坑内突出【钥.在实际工程中,墙体除了发生向基坑内的水平位移外,还会发生竖向变位,这一点很容易被忽视事实上由于基坑开挖土体自重应力释放,致使墙体会有所上升墙体的上升移动给基坑的稳定、地表沉降以及墙体自身的稳定性均带来极大的危害特别是针对饱和软弱地层中的基坑工程尤其如此..开挖引起基坑底部隆起基坑底部隆起是垂直向卸荷而改变坑底土体的原始应力状态的反应坑底隆浙江人学硕学位论文第.二章丁程桩十体的相互作用机理研究起破坏分两种情况一是土体开挖后卸荷引起的塑性隆起;一是土体中剪应力达到或者超过了土体本身的抗剪强度,发生较大的剪切位移,这部分位移即基坑内土体隆起位移量,当它超过一定数值后,基底隆起破坏必然产生在开挖深度不大时,坑底土体在卸荷后发生垂直的弹性隆起,当围护墙底部为良好的原状土或注浆加固土体时,围护墙会随土体的回弹而抬高,坑底弹性隆起的特征是坑底中部隆起最高,而且坑底隆起在开挖停止后很快停止,这部分坑底隆起基本上不会引起围护墙外侧的土体向坑内移动,表明此时基坑周围土体尚处于弹性状态,土体中的剪应力没有超过土的抗剪强度随着开挖深度的增加,基坑内外的土面高差不断扩大,当开挖到一定深度时,基坑内外土面高层所形成的加载和地面各种超载作用【,会使得围护墙外侧土体产生向基坑内的移动,使基坑坑底产生向上的塑性隆起,同时在基坑周围产生较大的塑性区,少量引起地面沉降.现举例说明基坑开挖变形产生的不良后果上海金茂大厦基坑开挖面积近,开挖深度主楼为.,裙房为面积和深度均为国内少有基坑围护采用地下连续墙,总长,厚,深主楼区有效桩长,裙房区有效桩长.监测数据表明基坑外地面位移量与邻近地下管线、建筑物变形相当,其中最大沉降达.,且有不均匀沉降,两者均超过允许值,/,最大向坑内水平位移达・,远远超过警戒值土.基坑外深层土体位移量与地下连续墙的相近,垂直位移量不大,水平位移最大达.,在警戒值附近.・工程桩与土体的相互作用坑内工程桩一般先于基坑开挖设置,随着基坑开挖,坑底被动区土体卸荷,坑内土体应力释放,产生很高的超孔隙水压力,使得土体有效应力减少,抗剪强度大幅度降低对于软土较厚或人工填土较疏松的场地,由于采用不适当的开挖方式,基坑边坡附近堆载以及挖土机械的外力扰动作用,产生侧向土压力,加之软土的流动性及土体中未消散的超孔隙水压力的释放,导致土体强度参数指标下降,软土向开挖方向流动,而基础承受水平力的抵抗能力较弱,于是随着土体的位移而向基坑开挖方向倾斜,造成桩顶位移,土体也出现不同程度的回弹隆起,浙江大学硕卜学位论文第二章程桩十体的相互作用机理研究对己经设置好的工程桩产生影响,这种影响主要表现在使工程桩受挤压发生竖向、水平向位移,以及桩身断面出现拉力.不同成桩方法对桩周土层的扰动程度不同,按成桩方法对土层的影响来对桩分类,一般可以分为挤土桩、部分挤土桩和非挤土桩【铝挤土桩在成桩过程中,使桩周土扰动重塑、侧向压应力增加,且桩端附近土也会受到挤密,非饱和土因受挤而增密,增密的幅度随密实度减小或粘性降低而增大,而在高灵敏度的饱和软粘土中,影响主要体现在以下的几个方面高灵敏度的软粘土中产生较高的超孔隙水压力,大幅度降低了土体中的有效应力,造成土体破坏因超孔隙水压力的不断传播消散,未被破坏的土体也会发生垂直隆起和水平位移,对己经打入土体中的邻近桩体产生挤压作用,使桩身翘曲折断,发生偏位上浮压桩过程中桩周土体被剧烈扰动,土的原始结构遭到破坏,土的工程性质发生改变,土性指标出现一定幅度的下降压桩后桩周土体中孔隙水压力会缓慢消散,消散完后土体再次固结,固结压缩量大于桩尖的下沉量时,桩侧就要受到负摩阻力的作用,致使桩间土面下沉,土与桩基承台脱离,必将导致桩基的失稳挤土桩由于挤土作用在土层中储藏一定能量,这种能量可以通过桩周围土体的水平位移和垂直隆起释放,另外还有一部分能量慢慢消失但在遇有深开挖情况下,这部分能量有可能会因开挖释放空间出现,使得能量突然释放,造成桩的倾斜工程实例问题分析例、某工业园拟建一化学品仓库,该场地岩性共分为六层:•素填土层厚为.一.;.粉质粘土层厚为.一.;.淤泥质粉质粘土层厚为・?.粉质粘土层厚为・?.;・粉土层厚为.一.;粉砂,该层未被钻穿该工程采用了预应力管桩,桩长为.,送桩.,桩端入土深度・,粉土层为桩端持力层从上述资料看,其设计比较合理,可整个场地桩打完之后,正值雨季,施工急于赶进度,用挖掘机冒雨将整个场地基桩上的土层全部挖掉大开挖,把所开挖的土全部堆在基坑东侧,且与基坑边缘未留一点浙江大学硕:学位论文第一二章程桩与十体的相互作用机理研究距离,使之基坑边坡多次坍塌土压力及上部土层松软所致,坍塌下的土再次向高处堆放,从而使之东侧的土压力大大增加而在先开挖的南部,整个基坑挖露出.长的桩全部向西歪斜例、江苏省昆山市某工地,该工程为一住宅小区,拟建层住宅楼栋,层住宅楼栋,该场地岩性:•素填土层厚为粉质粘土层厚为.?.;.淤泥质粉质粘土层厚为;.粘土层厚为・?.;..粉质粘土夹粉土层厚为.~・;.粉土厚为..粉浪老师,感谢他们在我攻读硕士研究生期间给予的支持和帮助感谢刘晓煜、蒋红光、郭佳鹏、李小菊、蔡淑静、卓宁、张鹏、杨萤、董超、方华健、王翔翔、张建安、叶贺炯,铁富忠、支墨墨、徐嘉迟、聂贻泽、张茹、邱丽等众多师兄弟妹对我的热心帮助,感谢大家给我提供了一个浓厚的学习氛围和宽松愉快的学习、生活环境感谢评阅论文和出席论文答辩的各位老师能在百忙之中给予指导和意见最后特别感谢我的亲人和朋友,感谢你们多年来对我的培养和支持,两年多的学习和生活给我留下了无数美好的记忆,在此,对我的母校浙江大学道一声感谢,我将秉承求是精神为母校增添光彩秦敏年月II要摘在沿海软土地区,由于地层的软弱复杂,深基坑开挖时土体卸荷造成坑底土体隆起,导致坑底工程桩上浮和偏位;坑周土体向坑内塑性流动,砂夹粉土,该层未被钻穿在该小区号楼处,西端约宽处为原小河通过地段,上面的素填土厚度为.,加之下面淤泥质粉质粘土厚度共达.,其东面.,地段素填土只有.厚,加之淤泥质粉质粘土层也只有•左右这样该栋楼上部土层东西端差异较大,基坑开挖过程中由于忽视了这个细节导致基桩大量倾斜挖土施工过程中,从西南端挖起,所挖出的土,堆在北侧的坑边上,使得这部分超孔隙水压力得到释放,而桩的西南侧或南侧的首先被挖除,使得这部分的侧阻力压力减小,而北侧的土压力相应的增加,再加上挖土机在桩上行走施加力的方向正好给予桩顶向南西方向的推力,从而使这部分桩一并歪斜,方向为南西向.例,苏州工业园区某幢住宅楼工程,采用桩长、桩径预应力混凝土管桩,当基坑开挖工作基本完成后,管桩发生大面积倾斜,直接造成%左右的工程桩报废,工期损失.个月,投资直接损失万元.基坑开挖中的土拱效应在没有支护的情况下,一般矩形的基坑多坍塌成矩形的外接圆坑而在有排桩支护情况下,工程实测常见,在排桩间距较大的情况下,桩间土的坍塌一般沿深度近似呈抛物柱状导致这种现象出现的一个重要原因就是土拱效应..土拱效应分析有关土拱效应的研究与应用,自年【通过著名的试验进行初步验证和理论分析之后,得到了岩土工程领域许多学者的关注,从实测数据、试验模型和理论分析方面都取得了丰硕的成果同时,将土拱效应理论浙江大学硕卜学位论文第二章程桩与十体的相互作用机理研究成果用于工程实践,对工程设计进行指导、优化,也取得了良好的经济效益和社会效益土拱效应广泛存在于岩土工程中,土拱效应通常表现为一部分土体产生不均匀位移或变形,而其余部分不动,此时,由于土体内摩擦角及粘聚力的存在,发生位移的土体与不动土体之间产生摩擦阻力,增加了不动土体上的支撑压力,而减小了移动土体上的支撑压力,这也正是土体调动自身抗剪强度的体现【】满足以下三方面的条件时,土拱效应便发生土体中产生不均匀位移;土拱拱脚的形成与存在;土拱具有足够的强度,不发生破坏.,一二,乡一疽IV,心,,,°、、土拱桩土拱桩//图.桩间拱效应..被动桩中土拱效应问题的数值分析,问题的简化与有限元模型根据前人的研究,被动桩的土拱效应可以简化为二维问题进行分析但是以往许多学者在研究被动桩桩间土拱效应时,一般假定桩身固定不动,这与实际不符本文运用土工有限元软件进行研究关于有限元程序的基本原理详见下一章节,将研究对象简化为二维问题为了考虑桩身位移的影响,本文选用地表下一定深度的单位厚度土层作为分析对象,该单位厚度土层的位移被限定在水平方向大部分计算的土体本构模型采用模型,桩体采用线弹性模型简图如图.所示考虑对称性,在水平面上采用单位宽度作为有限元分析对象,为被动桩直径,为桩的中心距,排桩的前后计算域取至少大于,对称边界采用向约束,前侧边界采用向约束见图.O考虑到桩土相互作用,年曾令桩间土体有一定的预位移来实现,也可用应力边界来实现【,而本文采用的是在坐标正方向边界上施加一个均布荷载来实现土体侧移的模拟,在浙江大学硕:学位论文第二章程桩与十体的相互作用机理研究桩体赋予一定的预设位移来模拟桩身侧移有限元网格和边界条件如图.所示本文计算时为先施加桩身的位移咖,再施加均布荷载畦昂,一:::::习缓水擎惋移疗向唯硬:联曩髓掰鬻图.被动桩土拱效应问题的模型示意图图有限元网格图、基本算例与土拱效应机理基本算例:采用桩径一.,桩中心距计,均布荷载算参数见表.O表.计算参数表浙江大学硕:学位论文第二章程桩卜十体的相互作用机理研究、考虑桩身侧移的被动桩间土拱效应机制-洲捌钏一蜂%0廿七十-----s-----------♦图.主应力拱示意图时的桩前主应力拱示意图,图.图.为桩身位移・,为,时的主应力拱示意图.从图中可以看出,当桩的位移起主要作用时,在桩的主动侧的土体中产生应力拱效应,当被动荷载即土体侧移起主要作用,在桩的被动侧的土体中产生应力拱效应、分别考虑均布荷载和桩身位移的影响图.说明了在不同的桩身位移条件下,当均布荷载大于临界值时,桩的荷载分担比随均布荷载的增大而减小,但当荷载较大时,减小幅度就变小;当小于临界值时桩土荷载分担比不变且桩身位移越大,被动荷载临界值较大浙江大学硕学位论文第二章程桩与十体的相互作用机理研究图.被动荷载对土拱效应的影响图.桩身位移对土拱效应的影响如图.所示,对作用有、、和均布荷载时桩身荷载分担比随桩身位移变化规律进行分析可以看出,当桩身位移小于临界值时,由桩所承担的被动荷载的比例随桩身位移的增大而增大;当桩身位移达到临界值时,在不同的桩身位移下,桩土荷载分担比保持不变当被动荷载较小时,其桩身位移临界值较小、桩间距对土拱效应的影响在土拱效应问题中,桩间间距的大小是一个关键问题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/来表征,分为四种情况进行计算,即/分别为、、和分析表明,在浙江大学硕:学位论文第二章.程桩十体的相互作用机理研究不同的桩身位移和被动荷载作用下,随着/增大,土拱效应愈来愈不明显,因而桩土荷载分担比随之减小.如图.所示.计算表明,随着桩间距加大,桩的荷载分担比越来越小,当/之时,桩的遮拦效应不明显,桩的荷载分担比降低到%,当被动荷载较大时,分担比下降的幅度更大因此,可以初步认为,当/大于时,桩间土拱效应减弱或没有土拱效应图.桩问距对土拱效应的影响、土体性质对土拱效应的影响土体的性质也会对土拱效应产生一定的影响,如图.所示为当/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,桩的荷载分担越大,土拱效应越明显当土体粘聚力较小时,这种规律更为明显图.土体内摩擦角对土拱效应的影响浙江人学硕卜学位论文第二章程桩十体的相互作用机理研究图.为分析土体粘聚力对土拱效应的影响,计算分析表明,当/时,粘聚力越大,桩的荷载分担比越大,土拱效应也表现得越明显,且桩土相对位移越小,但是当内摩擦角较大时,从图中曲线可以看出变化的幅度也较小图.土体粘聚力对土拱效应的影响、桩间距与桩间土体抗剪强度参数关系的推导自桩顶向下定为轴,取深度处如高度的土拱进行分析,取半拱研究,其简化计算模型如图.所示,根据文献【知I,土拱是先有力后有拱,土拱必然最大限度地发挥其效益而形成合理拱轴线图.土拱的受力分析模型桩间净距为;,为拱高;为拱厚;:为深度处的单位高度土拱上的桩后坡体线分布压力;只,为拱脚处反力拱轴线方程为浙江人学硕卜学位论文第二章程桩十体的相互作用机理研究,萼?土拱的平衡条件等出,只譬如在基坑程中,依据朗肯理论,有:膨妒/一/、控制条件模型应满足以下两个条件两侧工程桩的侧摩阻力之和不小于桩间作用于土拱上的压力,取极限状态,建立平衡关系,,妒/口土拱最不利的应力状态截面是发生在拱脚处,在此处土体要满足强度条件取跨中截面处前缘点,同时假设桩前土体的抗滑力等于零相当于桩前土体已经被开挖的情况,沿拱轴方向为第一主应力方向,其大小为吁;/点处于单向应力状态,根据莫尔•库伦强度准则,满足如下关系O驴/IV将式.带入式,可得J砰巧/一>/、模型求解将式代入式和式.中,可得桩间距的控制方程如下七引,等卜OO妒/厂也塑趟号型地州卜>/O妒/浙江人学硕卜学位论文第二章程桩’十体的相互作用机理研究弘*/一妒/唔妒/在方程组中,未知量有土拱高、拱厚以及拱挎,而控制方程只有个,会有无数个解这里给出拱跨的计算公式x/其中次一J二乏硒妒对似进行试算,将似随西值变化的规律绘成曲线,见图.O图.桩问距与摩擦角的关系从图中可以看出,桩间距和摩擦角呈曲线递增的关系,随摩擦角的增大而增大实际应用中,对于基坑工程比较复杂,由式.计算的,和的值随深度变化而变化,可根据土压力相等的原理,将桩后三角形的土压推挤桩基,导致邻近桩基倾斜、弯曲甚至折断基于此背景,本文对软土地区深基坑开挖对工程桩的挤压机理进行深入研究,探讨减少工程桩偏位的措施本文首先论述了基坑开挖地应力场变化对坑底工程桩的影响研究现状,系统地总结和论述了国内外被动桩桩土相互作用的理论分析和试验方法,并比较分析了各种研究方法存在的问题,总结得出被动桩桩土相互作用理论的发展方向其次,分析了基坑开挖造成围护墙、坑内土体以及坑外土体三部分的变形机理和造成桩变形的原因详细地研究了基坑开挖中被动桩桩间土拱效应的产生机理,运用有限元技术分析了侧向土体位移、桩身水平位移、土性参数和桩间距等因素对土拱效应的影响及其规律,并推导出了桩间距与桩间土体抗剪强度参数之间的关系,从而定性定量地解释了工程桩与土体相互挤压的内在实质.然后,介绍了有限元分析软件,学习其基本原理和计算流程再次,选取了一个典型算例对基坑开挖时坑内工程桩的性态进行力转化为矩形分布,假定厂为桩径的一半”,由式.即可唯一确定拱厚和拱跨用二维有限元技术有效地分析了桩间的土拱效应问题之后,可以得到如下结论当被动荷载大于临界值时,桩的荷载分担比随荷载的增大而减小,但当荷载较大时,减小幅度就变小;当小于临界值时桩土荷载分担比不变桩间土拱效应存在的条件是桩间距为~倍桩径,桩的荷载分担比随着桩间距的增大而减小浙江大学硕学位论文第二章程桩与士体的相互作用机理研究土拱效应随着土体内摩擦角和粘聚力的增大而越发明显,桩的荷载分担比呈增长趋势根据桩间土拱的静力平衡以及拱脚处土体本身的强度条件,可以得到桩间距与桩问土体的抗剪强度参数之间的关系公式.公式表明,合理桩间距与桩后土体粘聚力成正比,与内摩擦角呈曲线递增的关系,强度参数越大,桩间净距对其越敏感针对这一结论,在已知土体强度参数的条件下,设置合理的桩间距离,可以让土拱效应很好的发挥其作用土拱效应形成后,土体充分调动自身抗剪强度,与两侧按合理桩间距确定的起拱脚作用的桩体,共同抵抗开挖荷载,达到一种平衡的效果第三章幕本原理浙江人学硕:学位论文第三章.有限元方法简介“有限元法”是将弹性理论、计算数学和计算机软件有机结合起来,是一种将连续体离散化为若干个有限大小的单元体的集合,以求解连续体力学问题的数值分析方法有限元法最早应用于结构力学,后来随着计算机的发展逐渐用于弹性力学平面问题和空间问题有限元法的基本思想可以追溯到年,首先尝试应用在一系列三角形区域上定义的分片连续函数和最小位能原理相结合,来求解.扭转问题半个世纪以来,许多学者开展了针对有限元法的研究,世纪年代末年代初,有限元法在理论上基本成熟,并开始陆续出现了商业化有限元软件.有限元方法的分析过程有限元法的基本思想将物体即连续的求解域离散成有限个简单单元的组合,用这些单元的集合来模拟或逼近原来的物体,从而将一个连续的无限自由度问题简化为离散的有限自由度问题物体被离散后,通过对其中各单元进行单元分析,最终得到对整个物体的分析结构.随着单元数目的增加,解的近似程度将不断增大和逼近真实情况一经求解就可以利用解得的节点值和设定的插值函萩一确定单元上以至整个集合体上的场函数【结构离散化离散了平面有限元分析,研究不同开挖工况,不同桩土接触面特征,不同开挖方式及不同位置处工程桩内力和位移的变化规律,指出主要的影响因素最后,对深基坑内台阶式放坡挖土时工程桩的偏位进行了模拟与分析,揭示了工程桩偏位与阶高、坡角以及土体强度参数之间的变化规律,研究成果对深基坑工程具有重要的应用价值.再以杭州基坑工程实例为背景,借助平面有限元程序,选取简化计算模型得出工程桩的位移值,并与实测值进行了比较,可以看出数值模拟能够较好地反应现场情况关键词:基坑开挖,工程桩,偏位,数值模拟,有限元O O O O OO•O••o O•o OO•o O•••OOOOOOOOOOOOOOO••,四,9999,OOO••••,.弱,,IV,..,,.卸.•,,,,浙江大学硕:学位论文目录目录致谢摘要.III目录・VI第一章绪论?.・.•.弓言.基坑开挖带来的问题..基坑开挖对工程桩影响的研究现状..桩土相互作用的研究..桩土相互作用的研究现状..被动桩与土体相互作用理论的研究及其发展方向.本文研究内容与研究方法第二章工程桩与土体的相互作用机理研究.弓言...基坑开挖变形机理??・..开挖引起基坑周围地层移动•.开挖引起围护墙体的变形.开挖引起基坑底部隆起?.工程桩与土体的相互作用?.基坑开挖中的土拱效应..土拱效应分析..被动桩中土拱效应问题的数值分析第三章基本原理.有限元方法简介・有限元方法的分析过程有限元程序一••简介..定义单元类型.•土的本构模型一♦•程序的运算流程.第四章基坑开挖对工程桩影响的数值分析VI浙江人学硕,学位论文目录.问题的简化与有限元模型的建立..算例参数的确定?.数值计算结果与分析?..开挖工况对工程桩的影响..桩土接触面对工程桩的影响...不同位置处工程桩的性质..不同开挖方式对工程桩的影响.结论.第五章放坡挖土中工程桩的挤压偏位分析?.放坡挖土中工程桩的挤压偏位分析?..定量试算分析.•土坡放坡情况对工程桩的影响?..结论及建议・工程实例分析?...基坑工程概况....场地工程地质和水文地质条件?..数值计算模型...计算简图及结果?第六章结论与展望.本文的主要结论..进一步研究的建议??・参考文献o.o..ooo oo..个人简历及在学期间取得的科研成果个人简历?已发表论文.起,以及地下水向基坑内渗流、孔隙水压力消散过快或水头差过大等因素,引起的工程桩偏位、上浮事故屡见不鲜,往往造成巨大的经济损失与。