地面堆载作用下邻近桩基变形的三维数值分析

地面堆载作用下邻近桩基变形的三维数值分析 代恒军，梁志荣，赵 军，魏 祥，洪昌地

(上海申元岩土工程有限公司，上海 200040)

摘 要：结合具体工程，采用三维有限元分析方法，对地面堆载作用下邻近桩基变形性状进行了模拟分析。分别研究了浅层土体弹性模量和桩身刚度对各排桩基侧向变形的影响，并将有限元计算结果与实测数据进行了比较。分析结果表明，浅层土体的弹性模量对被动桩基的变形影响更显著；被动桩能有效地控制堆载作用下邻近土体的变形，从而对附近建筑基础起到保护作用。分析结果能为类似工程的设计提供指导。 关键词：被动桩；堆载；变形；有限元分析

中图分类号：TU473 文献标识码：A 文章编号：1000–4548(2010)S2–0220–04

作者简介：代恒军(1984– )，男，湖北汉川人，硕士，主要从事地基基础和基坑工程设计与研究工作。E-mail：hustdhj@126.com。

3D numerical analysis of pile influenced by lateral soil movement

due to surcharge loads

DAI Heng-jun, LIANG Zhi-rong, ZHAO Jun, WEI Xiang, HONG Chang-di

(Shanghai Shenyuan Geotechnical Engineering Co., Ltd., Shanghai 200040, China)

Abstract: The 3D numerical analysis of pile influenced by lateral soil movement due to surcharge loads in a project is presented. Analytical results show that piles’ deformation can be affected by elastic modulus of soil in superficial layer and piles, especially the former.The calculated results are identical with the monitored data, and lateral soil displacement can be reduced by the piles,so the nearby foundation can be protected. These results would be helpful to the design of engineering practices.

Key words: passive pile; surcharge load; deformation; finite element analysis

0 引 言

地面堆载会引起地面的下沉和侧移,同时也会对邻近桩基的变形和受力产生较大影响,甚至导致严重的工程事故。例如上海宝山钢铁厂的钢渣处理厂房由于10多年的长期堆载，引起了柱下桩基发生了较大侧移，从而导致上部结构断裂而倒塌；上海莲花河畔景苑7号楼倾倒事故，由于大楼一侧堆载、另一侧开挖基坑，两侧的压力差使土体产生水平位移，过大的水平力超过了桩基的抗侧能力，导致房屋倾倒。因此开展地面堆载作用下邻近桩基的受力和变形特性研究具有十分重要的现实意义。

[1]

Carter采用轴对称有限元方法对单根被动桩进行了数值分析。杨敏等、陈福全等采用二维有限

[4][5]

元对被动桩性态进行了分析。李忠诚等、屠毓敏等从三维角度对堆载作用下邻近桩基的力学性状进行了有限元分析，前者主要针对两层土，并考虑土体的弹塑性，后者主要针对均质非线性弹性土体，以及含软

[2]

[3]

弱下卧层土体。

结合上海辰山植物园一期“科研中心楼”项目（进行现场地面堆载对邻近桩基影响的试验工作，简图如图1所示），建立堆载作用下邻近桩基变形特性的三维弹塑性模型，并利用大型通用有限元程序ABAQUS进行有限元分析，将计算变形与实测变形进行对比，并分析了土体模量和桩身刚度变化对变形的影响，为

该工程的设计提供依据，也为类似工程分析提供参考。

1 工程概况

本工程为上海辰山植物园一期“科研中心楼”项

目，在科研中心楼东西两侧堆土高度8.8 m，在坡角和科研中心楼基础间打设了三排桩（桩径为0.5 m），以保护基础工程桩，直立的堆土坡脚距离三排桩分别为3，9，19 m，另一方向的桩距分别为9 m和6 m，

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收稿日期：2010–04–19

增刊2 代恒军，等. 地面堆载作用下邻近桩基变形的三维数值分析 221

桩长为28 m。

根据勘察报告，拟建场区主要为全新统、上更新统、中更新统及侏罗系上统基岩地层。上部为褐黄～灰黄色黏土层；中部自上而下为灰色淤泥质土层、灰色黏土层及暗绿～草黄色硬土层；下部为海积的灰色黏土层。

土体的弹性模量E不是常数，它与固结压力以及偏应力大小有关，由于地基各点的应力增量变化很大，完全按实际应力增量试验是很困难的。本文根据勘察报告提供的压缩模量Es值以及上海地区的经验，假定各层的弹性模量E（如表1所示）。由勘察报告知：地基浅部土层（①～③2层）主要为软塑～流塑状的软弱黏性土层，其工程性能极差，是典型的高压缩性软土层，其变形直接影响到被动桩体的变形大小和变形趋势，因此本文分析了这四层浅部土体的弹性模量对被动桩体变形的影响。对浅部四层土体的弹性模量分别

0.5E和0.2E取E、（E为表1中各层土体的弹性模量)，下部土层的弹性模量不变。

为了消除边界条件对计算结果的影响，边界要取得足够远，再结合场地的实际情况（加载位置、桩的分布和桩长等），整个有限元模型长度方向取114 m，宽度取21 m，竖向深度取60 m，有限元计算模型如图2所示，加载区域（40 m×21 m）位于桩基左侧。土体四个侧面的边界条件设置为法向位移为零，土体底面为固定约束。地面超载采用均布荷载来模拟。

图1 工程示意图 Fig.1 Sketch of the project

2 有限元模型

采用不排水总应力分析方法，对堆载作用下邻近桩基的变形特性进行分析。假设土体为理想弹塑性材料，采用Mohr-Coulomb屈服准则，并服从非相关联流动准则。Mohr-Coulomb屈服准则为

s+σmsinϕ−ccosϕ=0， (1) 式中，s=(σ1−σ3)/2为大小主应力差的一半，σm=(σ1+σ3)/2为大小主应力的平均值。除了超固结土层外，黏性土常常表现出较小的剪胀性，即剪胀角ψ=0，对于砂土和超固结土体可近似采用ψ=ϕ−30o进行计算。当ψ≤0时，取ψ=0。

表1 计算参数表

Table 1 Calculation parameters of material

图2 有限元计算模型

Fig.2 Computational model used in FEM

初始应力场对于岩土工程问题分析尤为重要，特别是对于模拟材料屈服具有围压依赖性问题，初始应

层厚 重度 弹模 摩擦角内聚力

材料名称 力场平衡好坏直接影响到后继分析的正确与否。本文

/m /(kN·m-3)/MPa /(°) /kPa

数值模拟分为两个大的工况：初始应力场平衡和加载。

①填土 0.8 18.8 1.00 10.0 10 -6

经初始应力场平衡后，整个模型位移量级为10 m，

②粉质黏土 1.8 18.4 3.43 14.6 31

平衡效果较好。第二步将地面超载等效成竖向均布荷

③1淤泥质粉

4.4 17.0 3.19 15.7 24 载，直接施加于堆载区域，通过荷载控制加载。

质黏土

③2灰色黏土 3.6 17.5 2.61 14.5 21 ④1粉质黏土 7.4 19.5 12.00 17.6 41 ④2粉质黏土 13.0 19.3 18.00 36.3 ⑤3灰色黏土 14.0 18.3 10.00 16.4

42 27

3 有限元模拟结果分析

3.1 浅部土体弹性模量的影响

图3给出了三排桩在不同浅部土体中的侧向变形沿深度的变化曲线。

从同一土层中桩基的变形可知，离堆载越近，桩的变形越大；三排桩在下部硬土层中的变形均为直线，且相互平行，这主要是因为下部土体的变形矢量是同一个方向，而浅层土体则不一样，在堆载区域为竖直向下，随着离堆载的距离增加，逐渐变为水平。从不

⑥3粉质黏土 7.7 19.2 20.00 17.5 41 ⑨1残积土 7.3 19.1 65.00 28.0 13

假定桩为弹性材料，桩及各层土体参数如表1所示，桩与土体均用三维实体单元模拟，桩土介面采用共节点的做法，即节点耦合。

222 岩 土 工 程 学 报 2010年

同浅层土体中桩基的变形可知，模量越小，桩的变形越大，且浅部土体性质只影响浅部桩基的变形。当浅层土体弹性模量较大时，即桩土相对刚度较小时，桩体的最大位移发生在浅层软土中部，桩体表现为柔性桩；而当浅层土体弹性模量较小时，即桩土相对刚度较大且下部土体性质较好，桩体的最大位移发生在桩顶，即桩体表现为刚性桩。

对于桩基附近的土体的变形，最大水平变形都发生在第③1层淤泥质粉质黏土层，上部软土区域的侧向位移近似为抛物线分布。此外在桩底附近区域土体，

由于总的土层刚度减小，故水平变形较上部略有增加。

测，监测深度只有14 m（一半的桩身长度），因此将

有限元计算结果与监测数据相比较时，需将有限元计算结果进行处理，使其与监测数据有可比性。水平测斜测得的水平变形是一个相对值（相对于某固定点），因此有限元计算结果要减去固定点（桩底）的位移才能与监测结果进行比较。

图5为有限元计算结果与实测值的对比，其中有限元计算桩基的弹性模量取Ep，浅部软弱土层弹模取0.2E。由此可知，有限元模拟结果与实测结果较为接近，无论是最大变形值还是桩基水平变形性状都较吻合，证实了本文数值模拟计算的可靠性。

为了分析被动桩的作用效果，图5给出了对应桩基位置自由土体的变形，从中可以看出被动桩能有效减小土体的侧向位移。

图3 浅层土体弹性模量对桩基变形的影响

Fig.3 Effect on pile deformation by elastic modulus of soil in superficial layer

3.2 桩基刚度的影响

土层参数采用表1所列的参数，桩基的弹性模量分别采用Ep（表1中所列值）、2Ep和5Ep，其他参数不变的情况下，考察被动桩基的水平变形，图4为计算结果。从桩体的变形可以看出，随着桩身刚度增加，桩基上部水平变形均为抛物线形，最大位移都发生桩顶以下一定深度，可见只改变整个模型的桩土相对刚度，对桩身变形分布影响不很显著。桩基刚度对桩身变形的影响不如改变上下土层的相对刚度显著。

图5 计算值与实测值的比较

Fig.5 Comparison between the measured and calculated deformation of piles

土体的某些参数较难准确地测得，且土体又具有复杂的力学性质。弹塑性本构、蠕变、固结以及桩土界面等，都将对被动桩的变形性状产生不同的影响，有待进一步的研究。

5 结 论

（1）采用三维弹塑性有限元分析方法，能够较好模拟被动桩基的水平变形性状。

（2）浅层土体的弹性模量与桩基的刚度对被动桩的变形性状均有影响，前者的影响更显著。

（3）被动桩能有效地控制堆载作用下土体的变形，从而对附近建筑基础起到保护作用。 参考文献：

图4 桩身弹性模量对桩基变形的影响

Fig.4 Effect on pile deformation by elastic modulus of pile

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4 计算结果与实测结果对比分析

堆土施工中对被动桩基深层水平位移进行了监

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