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基于小应变特性的基坑开挖对邻近桩基影响分析方法_木林隆.doc

基于小应变特性的基坑开挖对邻近桩基影响分析方法_木林隆.doc

上传者: 独自一人舔伤口 2017-10-13 评分 4.5 0 97 13 443 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《基于小应变特性的基坑开挖对邻近桩基影响分析方法_木林隆doc》,可适用于工程科技领域,主题内容包含基于小应变特性的基坑开挖对邻近桩基影响分析方法木林隆基于小应变特性的基坑开挖对邻近桩基影响分析方法木林隆第卷年增刊月岩土工程学报ChineseJou符等。

基于小应变特性的基坑开挖对邻近桩基影响分析方法木林隆基于小应变特性的基坑开挖对邻近桩基影响分析方法木林隆第卷年增刊月岩土工程学报ChineseJournalofGeotechnicalEngineeringVolSuppNovDOI:CJGES基于小应变特性的基坑开挖对邻近桩基影响分析方法木林隆黄茂松(同济大学地下建筑与工程系上海同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室上海)摘要:越来越多的基坑紧邻既有建筑开挖需要评估基坑开挖对邻近建筑的影响因此基于变形控制的基坑设计已经成了必然要求。目前仍缺乏有效简单的方法去估算基坑开挖对邻近建筑的影响特别是采用桩基础的建筑。而且当进行变形控制设计时要求基坑变形控制在较小的范围内此时基坑周边土体处在小应变范围内要建立基坑开挖对周边建筑影响的分析方法必须考虑土体小应变特性。首先采用基于小应变特性计算基坑开挖引起的深层土体位移的经验计算公式计算基坑开挖引起的自由场土体三维位移然后基于差分方法提出了基坑开挖对邻近桩基竖向和水平向影响的两阶段分析方法。通过与有限元结果的对比验证了本方法的正确性。并分析了基坑开挖深度和桩基离基坑距离这两个因素对邻近桩基的响应的影响。研究表明开挖深度越小对桩基影响越小基于桩基内力控制时基坑开挖深度应避开桩底位置且桩基在距离基坑倍开挖深度距离时最为危险。关键词:小应变基坑开挖桩基础简化方法中图分类号:TUmulinlongtongjieducn。文献标识码:A文章编号:–()S––作者简介:木林隆(–)男博士讲师主要从事桩基与地下工程开挖方面的研究工作。Email:SmallstrainbehaviorbasedmethodforeflectofexcavationsonadjacentpilefoundationsMULinlong,,HUANGMaosong,(DepartmentofGeotechnicalEngineering,TongjiUniversity,Shanghai,ChinaKeyLaboratoryofGeotechnicalandUndergroundEngineeringofMinistyofEducation,TongjiUniversity,Shanghai,China)Abstract:EstimatingthedamagepotentialonbuildingsinducedbyexcavationsisrequiredbecausemoreandmorefoundationpitsareexcavatedneartheexistingbuildingsThus,displacementcontrolbecomesacriticalindexofexcavationdesignUnfortunately,thereisnearlynosimplifiedmethodthatcanestimatetheinfluenceofexcavationontheexistingbuildingsandeasytobeusedSmallstrainbehaviorofsoilsshouldbeconsideredwhenestablishingmethodtoestimateinfluenceofexcavationontheadjacentbuildingsforthestrainofthesoilsisverysmallunderdisplacementcontroldesignInordertofittherequirementforthesimplifiedmethodtoestimatetheinfluenceonexcavationontheexistingbuildingssupportedbypilefoundation,atwostagemethodisproposedhereintoestimatetheresponsesofpilesadjacenttotheexcavationFirstly,theempiricalmethodbasedonsmallstrainbehaviorofsoilsproposedbyMuandHuangisemployedtocalculatethethreedimensionalsoildisplacementinducedbyexcavationThen,atwostagemethodisproposedtocalculatetheverticalandhorizontalpileresponsesinlayeredsoilsThemethodisverifiedthroughcomparisonwiththeresultsfromFEMAndtheinfluencesofexcavationdepthandthedistancebetweenpileandretainingonpileresponsesareanalyzedThestudyshowsthattheadditionalforceanddeformationofpilesincreasewiththeincreaseofexcavationdepth,andtheexcavationbaseshouldavoidthebaseofthepileItismostdangerouswhenthepileisHfromtheretainingwallKeywords:smallstrainexcavationpilefoundationsimplifiedmethod引言随着城市建设的发展特别是在大城市城市空间极度匮乏中国进入了地下空间大开发的时代。然而由于城市建筑密集大量的地铁车站或者新建摩天大楼需要紧邻原有建筑建设。地铁车站或大楼地下室的基坑开挖势必会对邻近既有建筑造成影响甚至造成邻近建筑的破坏如何评估基坑开挖对邻近建筑基金项目:国家自然科学基金项目()国家科技支撑计划(CB)收稿日期:––增刊木林隆等基于小应变特性的基坑开挖对邻近桩基影响分析方法物的影响成了工程界与学术界普遍关心的一个重要问题。基于邻近建筑保护要求往往要求基坑变形控制在较小的范围内基坑周边土体应普遍处于小应变范围内。自Burland提出土体小应变特性对基础工程的影响之后国内外学者对土体小应变特性展开了大量研究也普遍认识到土体小应变特性对基坑变形的影响。因此要准确估计基坑开挖对邻近建筑的影响必须考虑土体的小应变特性。由于基坑变形的复杂性以及邻近基坑的建筑物的多样性目前评估基坑开挖对邻近建筑物的影响主要采用有限元整体计算的方法然而考虑土体小应变特性的有限元分析并不普遍绝大多数有限元分析均未考虑土体小应变特性。由于有限元理论较为复杂特别是考虑土体小应变特性以及基坑的三维效应时使用的技术要求更高因此对于设计施工单位来说使用难度过大难以大范围推广。因此推进基于环境保护要求的基坑工程设计能力的进步就迫切需要一种简单的方法去估计基坑开挖对邻近建筑物的影响。由于问题的复杂性与多样性及理论较高建立理论方法难度较高国内外学者对这一问题进行了大量的试验研究希望通过研究结果得到可行的经验方法来估算基坑开挖引起的周边建筑变形。根据相邻建筑的基础类型基坑开挖对邻近建筑的影响研究主要分为两类:一类为研究基坑开挖对浅基础建筑的影响第二类为研究基坑开挖对桩基础建筑的影响。针对第一类目前基坑开挖引起的地表沉降经验方法较多因此可近似用地表沉降去估计对浅基础建筑的影响该种方法也常有报道。而对于第二类问题由于缺乏计算基坑开挖引起的地表以下土体位移的有效方法因而很少有报道。张爱军等根据影像源法推导了基坑开挖对邻近桩基影响的两阶段方法但是其公式仅限于均质地基且较为复杂无法考虑土体的小应变特性且其研究仅针对水平向变形无法综合考虑土体竖向变形的影响。基于以上问题本文采用木林隆等提出的考虑土体小应变特性的基坑开挖引起的深层土体的位移的经验公式同时考虑了桩筏基础竖向和水平向的响应提出了基坑开挖对邻近桩筏基础影响的两阶段方法分析了基坑开挖对邻近桩筏基础的影响。隆等基于反分析技术结合有限元计算结果提出了考虑土体小应变特性影响的基坑开挖引起周边土体三维位移场的简化计算方法。本文采用木林隆等提出的计算方法来计算基坑开挖引起的自由场位移。其位移模式如图所示计算公式如下:zHmaxyπRux,y,zumaxaxexbxzcx()xbyzzπRczuaxexHmaxzHxbzyπzzxHxHwx,y,zumaxazeHxbyzπRczxHxHumaxazeH式中umaxzH()为围护墙最大水平位移值axzzazHHbeceexxxxxLRHHHbzeczeeHlnL为基坑沿围护墙方向开挖长L度H为基坑开挖深度。图基坑围护墙及地表变形示意图FigSchematicdiagramofdeformationsofwallandsoilsinducedbyexcavation基坑开挖对单桩影响分析方法根据图所示的差分形式采用弹性理论法分别建立竖向和水平向荷载作用下桩身的平衡方程(图):分析方法基坑开挖引起的自由场位移计算考虑到位移控制设计时土体的小应变特性木林dEpIIpIspYEsEpIpIIIqYLpLsL。()()岩土工程学报年式中Ep为桩身弹性模量Ip为桩截面惯性矩d为桩直径p和q分别为桩周竖向和水平向阻力列向量Y{Y为竖向外荷载列向量Q}TYLπd产生分离和相对滑移即桩土截面保持位移协调则考虑土体位移对桩的作用后桩身平衡方程可写为为水平外荷载列T向量TMMYL其中LnEIEIppppL为桩长n为桩身分段数Ip和IpL为竖向和水平向Is和IsL分别为桩周土的竖向和水平向桩身系数矩阵位移柔度矩阵。dEpdEpIIpIspYIpws()EsEpIpEpIpIIIqYIpLus。()pLsLL由式()、()求出桩侧阻力后可由土体位移、()求出桩身位移:平衡方程()dwpIsp()EsupIsLq()式中wp和up分别为桩身竖向和水平向位移列向量。方法验证采用本文方法以及三维有限元方法对如图所示临近基坑的单桩进行分析。基坑开挖深度为m围护结构由m厚的搅拌桩墙和道混凝土楼板支撑组成。有限元分析时土体参数可见表。简化方法分析时各土层弹性模量首先根据式()计算每层土中心点处的E再根据芝加哥地区经验取倍的E为弹性模量。取桩与围护墙的距离分别为m和m进行计算。图单桩桩身平衡方程计算模型FigComputationalmodelofpileequilibriumequations假设隧道开挖引起的桩轴线处土体自由场竖向和水平向位移向量分别为ws和us且桩身与桩侧土不sinccosEE。()refccospsin图为桩位处自由场土体位移简化方法计算结果和有限元计算结果的对比。从图上可见在两个桩位处水平位移简化方法计算结果和有限元计算结果基本refm土层排水条件refEkParefEoedkPa砂土回填层排水Neutral表有限元计算参数TableSoilparametersforFEManalysis黏土硬壳层Blodgett黏土Deerfield黏土ParkRidge黏土不排水不排水不排水不排水NeutralNeutralTinley黏土不排水NeutralHardpan黏土不排水NeutralNeutralNeutralrefEurkPaOCRCref()()vurprefmKNCcincrRfTStrengthRinterInterfacePermdinterGrefkPa增刊木林隆等基于小应变特性的基坑开挖对邻近桩基影响分析方法所得桩基轴力最大值出现位置要比简化方法计算所得桩基轴力最大位置高。图临近基坑单桩模型FigSinglepileadjacenttoexcavation图桩位处土体自由场位移FigSoilmovementinducedbyexcavationatlocationofpile一致。距离围护墙m桩位处竖向位移简化方法计算和有限元相近而在距离围护墙m桩位处竖向位移计算结果要稍大于有限元计算结果。图为距离围护墙m和m处桩的变形及受力特性。从图可见本文简化方法计算所得桩身竖向位移和水平位移分布和大小与有限元计算结果较为一致由于在距离围护墙m处开挖面以下本文简化方法计算所得土体位移与有限元所得土体位移相差较大有限元计算所得竖向位移沿竖向衰减要比简化计算方法所得竖向位移衰减快从而造成有限元计算图基坑周边单桩受力特性FigPileresponsesinducedbyexcavation岩土工程学报年影响因素分析基于以上方法本文对基坑开挖深度及桩基距离围护墙的距离这两个主要因素对基坑周边桩基响应的影响进行了分析。开挖深度令桩距离围护墙距离为m采用图所示模型开挖深度分别设为m计算基坑开挖深度对单桩的影响假设所有工况围护墙最大水平位移一致。计算结果如图所示。从图可见随着开挖深度的增加竖向位移和轴力随之增加。当开挖深开挖深度小于m时桩基水平向呈现悬臂式变形开挖度大于m小于桩长时桩基呈现鱼腹式变形深度大于桩长时呈现出整体倾斜的趋势最大水平位移随着开挖深度的增加而增加。从弯矩图上可以看到当开挖深度小于桩长时弯矩随着开挖深度的增加而增加而开挖深度大于桩长时弯矩反而减小。从该分析可以得知要对临近桩基进行位移控制时开挖深度应越小越好而若需对桩基进行受力控制保护桩基自身安全开挖深度应该避开桩底位置且越小越好。图基坑开挖深度对临近桩基础的影响FigInfluenceofexcavationdepthonpileresponses桩与围护墙距离设置桩基与围护墙的距离分别为m。图为计算结果从图可见竖向位移和轴力随着距离的增加先增加后减小且在靠近距围护墙倍开挖深度的地方达到最大值在距离围护墙倍开挖深度距离内随着距离的增加而增加而在倍开挖深度距离以外随着距离的增加而减小。随着距离的增加桩基水平位移减小且最大位移出现的位置随之往上移动。桩身弯矩也呈现相同的规律。增刊木林隆等基于小应变特性的基坑开挖对邻近桩基影响分析方法过该方法对基坑开挖深度和桩与围护墙的距离这两个影响因素进行了分析研究表明要对临近桩基进行位移控制时开挖深度应越小越好而若需对桩基进行受力控制保护桩基自身安全开挖深度应该避开桩底位置且越小越好而桩在距围护墙倍的基坑开挖深度时最为危险。参考文献:BURLANDJBNinthlauritsbjerrummemoriallecture:“Smallisbeautiful”thestiffnessofsoilsatsmallstrainJCanGeotech,():–HRYCIWRDSmallstrainshearmodulusofsoilbydilatometerJJournalofGeotechnicalEngineering,,():–BELLOTTIR,JAMIOLKOWSKIM,PRESTIDCF,etalAnisotropyofsmallstrainstiffnessinTICINOsandJGéotechnique,,():–HOYOSLR,SUESCUNEA,PUPPALAAJSmallstrainstiffnessofunsaturatedsoilsusingasuctioncontrolledresonantcolumndevicewithbenderelementsCProceedingsofGeoFrontiersTexas:GeoInstituteofASCE,CLAYTONCRIStiffnessatsmallstrain:researchandpracticeJGéotechnique,,():–WHITTLEAJ,HASHASHYMA,WHITMANRVAnalysisofdeepexcavationinBostonJJGeotechEng,,():–KUNGGTC,OUCY,JUANGCHModelingsmallstrainbehaviorofTaipeiclaysforfiniteelementanalysisofbracedexcavationsJComputersandGeotechnics,,:–XUANF,XIAX,WANGJTheapplicationofasmallstrainmodelinexcavationsJJournalofShanghaiJiaotong图基坑开挖宽度对临近桩基的影响FigInfluenceofdistancebetweenpileandretainingwallonpileresponsesUniversity(SCIENCE),,():–FINNORJ,LAWRENCESA,ALLAWHNF,etalAnalysisofperformanceofpilegroupsadjacenttodeepexcavationJJournalofGeotechnicalEngineering,ASCE,,():结语–杨敏,周洪波,杨烨基坑开挖与临近桩基相互作用分析J土木工程学报,,():–(YANGMIN,ZHOUHongbo,YANGYeNumericalanalysisofpileresponseduetounsupportedexcavationinducedlateralsoilmovementJChinaCivilEngineeringJournal,,():–(inChinese))ILIADELISDEffectofdeepexcavationonanadjacentpile本文采用考虑土体小应变特性的简化方法计算基坑开挖引起的自由场位移然后基于分层中被动桩的两阶段分析方法提出了一种考虑土体小应变特性的较为准确的估算分层地基中基坑开挖对邻近桩基础影响的简化分析方法。该方法合理的模拟了变形控制设计时基坑周边土体处于小应变状态的特点。通过与有限元计算结果的对比验证了本方法的正确性。并通foundationDCambridge:Massachusetts岩Institute土of工程学报年clayJJournalofGeotechnicalandGeoenvironmentalEngineering,,():–KUNGGTC,JUANGCH,HSIAOECL,etalSimplifiedmodelforwalldeflectionandgroundsurfacesettlementcausedbybracedexcavationinclayJJournalofGeotechnicalandGeoenvironmentalEngineering,,():–BOONEJGroundmovementrelatedbuildingdamageJJournalofGeotechnicalEngineering,,():–张爱军,莫海鸿,李爱国,等基坑开挖对邻近桩基影响的两阶段分析方法J岩石力学与工程学报,,(增刊):–(ZHANGAijun,MOHaihong,LIAiguo,etalTwostageanalysismethodforbehaviorofadjacentpilesduetofoundationpitexcavationJChineseJournalofRockMechanicsandEngineering,,(S):–(inChinese))木林隆,黄茂松基坑开挖引起的周边土体三维位移场的简化分析J岩土工程学报,,():–(MULinlong,HUANGMaosongSimplifiedmethodforanalysisofsoilmovementinducedbyexcavationsJChineseJournalofGeotechnicalEngineering,,():–(inChinese))木林隆分层地基中地下工程开挖对临近桩筏基础的影响分析D上海:同济大学,(MULinlongAnalysisofresponsesofpileraftsinducedbyundergroundTechnology,陈福全,汪金卫,刘毓氚基坑开挖时临近桩基形状的数值分析J岩土力学,,():–(CHENFuquan,WANGJinwei,LIUYuchuanNumericalanalysisofpileresponseduetobracedexcavationinducedsoillateralmovementJRockandSoilMechanics,,():–(inChinese))LEUNGCF,CHOWYK,SHENRFBehaviorofpilesubjecttoexcavationinducedsoilmovementJJGeotechGeoenvironEng,,():–LEUNGCF,LIMJK,SHENRF,etalBehaviorofpilegroupssubjecttoexcavationinducedsoilmovementJJGeotechGeoenvironEng,,():–GOHATC,WONGKS,THECI,etalPileresponseadjacenttobracedexcavationJJournalofGeotechnicalandGeoenvironmentalEngineering,,():–ONGDEL,LEUNGCE,CHOWYKPilebehaviorduetoexcavationinducedsoilmovementinclayI:stablewallJJournalofGeotechnicalandGeoenvironmentalEngineering,,():–LEUNGCF,ONGDEL,CHOWYKPilebehaviorduetoexcavationinducedsoilmovementinclayII:CollapsedWallJJGeotechGeoenvironEng,,():–HSIEHPG,OUCYShapeofgroundsurfacesettlementprofilescausedbyexcavationJCanadianGeotechnicalJournal,,():–FINNORJ,BLACKBURNJT,ROBOSKIJFThreedimensionaleffectsforsupportedexcavationsinexcavationsinlayeredsoilDShanghai:TongjiUniversity,(inChinese))(本文责编胡海霞)

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