被動樁對土層的遮攔作用機理

被動樁對土層的遮攔作用機理

1樁間土拱效應說當被動樁被移動到另一側時，樁之間的土體驗會受到擠壓和積聚的影響。樁間距較小時，樁間土體在樁間形成土拱效應，土體不致于從樁間滑出；當樁間距增加時，土拱效應減弱，一旦樁距大于某一值時，土體將從樁間滑出或產(chǎn)生繞樁滑動，使樁起不到有效的遮攔作用，但樁間距太小，則工程造價高。因此，樁間距的大小是被動樁設計中的關鍵問題之一。樁間土拱效應是樁土應力遷移的一種現(xiàn)象，即將樁后土體所承受的應力轉(zhuǎn)移至樁體上，因此，土拱效應可定義為一種剪切應力遷移現(xiàn)象，或定義為將屈服土體所承受的應力轉(zhuǎn)移至其相鄰的土體或被約束的土體。土拱效應在各種土工結構中都可以見到，如隧道和基坑支護樁。因此，對于不同的結構中土拱定義有所差別。Terzaghi采用活門拱試驗驗證了土拱效應現(xiàn)象，并于1943年首先將這種應力轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象稱之為“土拱效應”。隨后在20世紀70年代，也有一些學者研究了隧道中土拱效應現(xiàn)象。在Liang和Zeng以及Chen和Martin等人工作的基礎上，筆者采用有限元軟件Plaxis8.1，詳細地研究了土拱效應的產(chǎn)生機理，分析了導致側向位移的荷載大小、土體性質(zhì)、群樁以及樁土接觸面性質(zhì)等影響因素對土拱效應性態(tài)和樁土應力分擔比的影響。2有限元分析對象根據(jù)前人的研究，被動樁的土拱效應可以簡化成二維問題進行分析。本文運用土工有限元軟件Plaxis8.1進行研究，將研究的對象簡化成二維問題，如圖1所示。采用地表下一定深度的單位厚度土層作為分析對象，并假定：(1)該單位厚度土層的位移限定在水平方向；(2)假定樁體水平位移為零，即樁體在水平向被約束。考慮對稱性，在水平面上采用單位寬度作為有限元分析對象，d為被動樁樁徑，s為樁的中心距，排樁的前后計算域取至少大于10d，對稱邊界采用x向約束，前側邊界采用y向約束，樁中心節(jié)點采用固定約束（見圖1）。至于樁-土相互作用，可令樁間土體有一定的預位移來實現(xiàn)，也可在邊界上施加一均布荷載來實現(xiàn)。本文采用后一種方法，大部分計算的土體本構模型采用Mohr-Coulomb模型，樁體采用線彈性模型。3樁間土的作用基本算例：采用樁徑d=1.0m，樁中心距s=5dm，均布荷載p=10kPa。土層采用無粘性土，計算參數(shù)見表1。當未特別說明時，其它算例的計算參數(shù)與本算例相同。圖2為單元大小主應力示意圖；圖3為位移等值圖。從圖中可以看出，被動樁后成拱的效應機理，在排樁后附近土層的主應力形成了一個非常明顯的應力拱，而在排樁前的土層則形成了非常明顯的位移拱。當樁土只有相對位移或出現(xiàn)相對位移趨勢時，土拱效應才能發(fā)生。在均布荷載p的作用下，土層向樁身及樁間處擠壓，形成相對位移或有相對位移的趨勢，由于樁體是剛性的或是被約束的，因此，均布荷載所產(chǎn)生的應力轉(zhuǎn)由樁體承擔。從圖4可看出，從均布荷載附近到排樁附近，y向上的主應力越來越小，而x向的主應力卻越來越大，而且，這種應力變化過程還依賴于土層剪切力作用的結果。在樁后附近各土層單元的大應力的連線便是拱形，它可以承受拱后的荷載，并將應力轉(zhuǎn)移到樁體。故有人將土拱稱之為“大主應力拱”。圖4為y軸上不同位置剖面的應力分量σy分布曲線，離排樁遠的地方σy分布均布，越靠近樁身處，曲線更象拱形狀，樁間的σy??；圖5為樁間中心對稱線上豎向剖面法向應力σx的分布曲線，其在成拱區(qū)域內(nèi)急劇增大，在樁間連線前則變得很小，僅為最大值的20%，同樣說明了應力轉(zhuǎn)移至樁身由樁身承擔。在被動樁設計中，樁間間距的大小是一個關鍵問題，一旦樁距大于某一值時，樁間就不會出現(xiàn)土拱效應，大部分的荷載就不能由樁體來承受，而且，土體將從樁間滑出或產(chǎn)生繞樁滑動，那么，樁起不到有效的遮攔作用；但是樁間距太小時，工程造價高。這里，涉及另一個重要的問題是樁與樁間土的荷載分擔比問題。在圖4中，各曲線與y=0.0m,x=0.0m及y=5.0m所圍成的區(qū)域面積即為各曲線所在剖面的等效截面所承受的荷載，從圖中可知，排樁前土體所承擔的荷載僅為9.96kN/m，而總荷載為10kPa×5m，因此，樁的荷載分擔比約為80.0%。計算表明，只要樁土有微小的相對位移，土拱的形狀在不同的均布荷載作用下均相似，而且，不同的均布荷載作用下樁的荷載分擔比均約為80.0%。4單樁荷載分擔比樁間成拱效應受樁間距的影響，也受樁徑的影響。事實上兩種影響因素實質(zhì)相似，可以采用參數(shù)s/d來表征，分為4種情況進行計算，即s/d分別為2,5,8,11，均布荷載以及樁土參數(shù)仍與基本算例一致。分析表明，隨著s/d增大，土拱效應愈來愈不明顯。圖6,7分別為不同s/d條件下，樁土荷載分擔比變化曲線和樁身承擔的荷載比較曲線，其中，圖7中的荷載采用歸一化荷載，即各計算荷載與最大荷載也就是單樁時所承受荷載的比值。計算表明，隨著樁間距加大，樁的荷載分擔比越來越小，當s/d=8時，降至61%；而隨著樁間距加大，每一根樁的樁身所承受的荷載卻急劇增大，但當s/d=8時，樁身承擔的荷載已達到單樁時的85%。因此，可以初步認為，當s/d大于8時，樁間土拱效應減速弱或沒有土拱效應，樁的遮攔作用不明顯。5樁體粘聚力小前人的研究表明，土體的性質(zhì)對土拱效應有一定的影響。圖8為s/d=8時，土體內(nèi)摩擦角對土拱效應的影響。計算分析表明，土體內(nèi)摩擦角越大，土拱效應越明顯，樁的荷載分擔比呈增長趨勢，而且樁土相對位移越小。當土體粘聚力較小時，這種規(guī)律更為明顯，當然，當土體粘聚力較小時，在樁體附近的土體已發(fā)生繞流，土體屈服區(qū)域較大。圖9為s/d=8時，土體粘聚力對土拱效應的影響與圖8相一致。計算分析表明，粘聚力越大，土拱效應越明顯，樁的荷載分擔比越大，且樁土相對位移越小，但是，當內(nèi)摩擦角較大時，變化的幅度也較小。計算結果還表明，無粘性土層產(chǎn)生的樁間大主應力拱形狀象半橢圓形，而粘性土層則更象等腰三角形。Liang和Zeng曾針對不同的樁徑、s/d、土體內(nèi)摩擦角及粘聚力條件下，對土拱效應進行了大量的二維有限元計算，采用表格形式列出了各種情況下樁間土體的殘余荷載分擔比。6樁土界面特性Plaxis8.1所采用的接觸面性狀的模擬方法是用一種彈塑性模式，采用Coulomb準則來判斷接觸面內(nèi)發(fā)生微小結構與土體相對位移時的彈性變形和持久的變形發(fā)生時的塑性性狀。對于接觸面仍在彈性狀態(tài)時，剪切力τ為對于塑性狀態(tài)，τ為式中?i和ci分別為接觸面的摩擦角和粘聚力，其與土層的強度性質(zhì)有關，且用界面強度折減因子Rinter進行折減，采用如下方法進行計算：當Rinter<1時，?i=0°，其它情況?i=?soil。接觸面開裂時有式中σt,soil為土體的抗拉強度。當接觸面強度取為土體強度時，Rinter=1.0，即接觸面是剛性；當接觸面為軟弱或柔性時，設置Rinter<1。圖10為樁土界面特性對被動樁土拱效應的影響。當Rinter=1.0時，可以認為樁土界面完全粗糙；當Rinter=.075時，可以認為粗糙度為75%。從圖中可以看出，無論是砂性土還是粘性土，樁的界面越粗糙，土拱的效應越明顯，從光滑到完全粗糙，樁的荷載分擔比分別從72%和81%提高到了80%和90%（s/d=5時），即樁越光滑，樁土相對位移越大，樁身附近土體越容易產(chǎn)生繞流。7樁間土體模型Chen和Martin曾指出：當土體具有蠕變特性時，隨著時間的增長，土拱效應會有一定程度減弱，但他們并沒給出計算結果。本文采用Plaxis的軟土模型(SSmodel)和軟土蠕變模型(SSCmodel)進行分析計算，后者是從前者基礎上發(fā)展的本構模型，只比前者多了一個參數(shù)μ*，可比性強。計算參數(shù)引自文獻，兩種本構模型均采用相同的計算參數(shù)見表2。具體相關理論可見文獻。圖11為在均布荷載p=10kPa的作用下，樁的荷載分擔比隨時間變化的曲線，其中，當時間t=30d時，荷載施加完畢。計算表明，土體蠕變特性在均布力施加及施加后一短時間內(nèi)，使樁間土拱效應遠比正常土層的樁間土拱效應要弱得多，但樁土相對位移卻大得多，如圖12所示。隨著時間增大，伴隨著樁土相對位移增大的同時，樁的荷載分擔比也緩慢增大。這就意味著由于土體的蠕變，土體位移較大，且樁身受力也較大，較容易產(chǎn)生整體失穩(wěn)破壞。因此，在此情況下工程實際的樁間距不能太大。8兩組樁間隔的土拱效應顯然，排間距對土拱效應及樁土荷載分擔比也有影響。本文主要分析雙排被動樁樁間的土拱效應，排列方式分為平行排列和間隔排列兩種。圖13為兩排樁平行排列時的土拱效應示意圖。顯然，前排樁樁間土體也產(chǎn)生位移，因此，前排樁間土體也產(chǎn)生的土拱效應，但較后排樁更不明顯。圖14為兩排樁間隔排列的土拱效應示意圖。樁排間距l(xiāng)對樁間土拱效應也有一定的影響，分析表明：(1）平行布置的雙排被動樁，隨著行間距增大，對于砂質(zhì)土層，土層荷載分擔比略有減小，前排樁荷載分擔比先增大后減小，后排樁荷載分擔比先略為減小再稍為增大；對于粘性土層，土層荷載分擔和前排樁荷載分擔比逐漸減小，而后，排樁荷載分擔略有增大。(2）間隔布置的雙排被動樁，隨著行間距增大，對于砂質(zhì)土層，各種荷載分擔比均變化不大；先略有減小，而后略有增大；對于粘性土層，土層荷載分擔和前排樁荷載分擔比逐漸減小，而后排樁荷載分擔略有增大。一般地，當行間距小于2d和大于8d時，前排的土拱效應不明顯或不存在。9樁間土拱效應的二維表現(xiàn)現(xiàn)有的國內(nèi)外文獻及本文對被動樁樁間土拱效應的研究都表明，可以用二維有限元技術有效地分析樁間的土效效應問題，可以得到如下結論：(1）當樁間距為3～8倍樁徑時，樁間土拱效應才會存在。隨著樁間距加大，樁的荷載分擔比越來越??；（2）土體內(nèi)摩擦角和粘聚力越大，土拱效應越明顯，樁的荷載分擔比呈增長趨勢，當土體粘聚力較小時，這種規(guī)律更為明顯；（3）無論是砂性土還是粘性土，樁的界面越粗糙，土拱的效應越明顯；（4）土體蠕變特性使樁間土拱效應遠比正常土層的樁間土拱效應要弱