【办公总结】基坑开挖引起土体侧移对桩的影响外文翻译收集资料

1、沈阳工业大学本科生外文翻译文章中文题目：外文翻译基坑开挖引起土体侧移对桩的影响文章外文题目：Pile response due to excavation-inducedlateral soil movement学 院：建筑工程学院专业班级：土木工程0804学生姓名：崔世鹏指导教师：宁宝宽2011年 3月24日外文翻译基坑开挖引起土体侧移对桩的影响H. G. Poulos , Fellow , ASCE and L.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

2、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，

3、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

4、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

5、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H “加B 畑EkT 血讯帕1Lp “伽A 0.$nEp MOOOMPiL* = 13m瓯 -aa ji lokN .m210a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；日=整个原粘 土层的厚度；X=桩距基坑边缘表面的距离；Cu二土体的不排水的抗剪强度；Es = 土体的杨式模量；r=单位土体的重度；Lp二桩长；d二桩的直径；EI w =挡土墙的 刚度；s=支撑的刚度；Lw=挡土墙 的长度；hmax=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

6、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Nc表示，Nc的表达式如下：有限元法和边界法分析NcrhCu(1)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AVPULLQ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 poulos 1993 ； chen 和 poulos 1994 ； chen 1994 ）。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

7、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一塑性材料，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（Nc接近于6）而

8、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 poulosetal 1995 ）。PALLAS用简化形式的边界元法分析。在分析中，他将桩理 想化为一根弹性梁，土体是一种弹性的连续介质，但是限制了桩土表面的压力， 允许考虑由于地域原因土对邻近桩没有影响。 这种方法可以分析单桩和非理想化 的群桩，但不能处理顶部有桩帽的群桩。

9、 组成桩的原始参数有抗弯刚度，桩群中 每根桩的直径和长度。土体模型需要具体的泊松比（尽管一般来说影响很小）和 随着土层深度分布的各种杨氏模量。有限元法对基本问题的分析虽然从理论上说桩与侧土的相互作用的极限土 压力Pu可用有限元法分析获得（chen和poulos 1994 ）曾推导过。在本次论文 中，极限压力Pu假定简化为9Cu （ Cu为不排水的抗剪强度）。这样的假定对于 基坑表面到桩的距离小于 4倍桩直径的情况特别是基坑支撑条件较灵活时可能 偏于保守，因为在此情况下，基坑开挖或挖方会使Pu减小，poulos（ 1976）, chen 和poulos（ 1994）曾指出过这种情况。chen （

10、1994）曾检测过桩在极限压力Pu下 的反应。这里采用基础工程的方法已经用于解决许多问题，包括桩受外部地面动 力荷载时的情况（poulos 和 Davis 1980 ； poulos 1989 ，poulos.etal. 1995）与单桩分析法用于土、基坑支护和桩间相互作用相比较，基础工程方法在挖方过 程中使用相同的计算土位移的方法来反映大量不同桩对基坑开挖时的影响方面 有巨大优势。这样的便利能力极大地推动了参数研究和设计图表的发展。基本问题的结果图3显示了在离基坑表面不同距离的四个基坑开挖阶段挡土墙侧移和土体侧 移的计算情况。可以看出挡土墙和土体位移随着稳定系数Nc的增加而增加。增加的比率在

11、土体接近破坏时会明显加快。土体的侧移在远离基坑表面的地方比在挡墙或其附近更加缓和。图3显示的土体侧移本质上与其他研究者预测的类似， 像Hashash和 Whittle （ 1992）年预测的那样。LmsbI 4U met&wrt, (mtn； amo加a（）xaUlsni WE 3n4r*ote4, jfM*0-20LaEtnJ loti mmwenj y mm)*0-40-200图3挡土墙侧移和土体位移的计算如图4所示土体的最大侧移量ymax与不同的稳定参数相关，而与基坑表面离 桩的距离成反比，可以推断（尤其是对那些稳定系数大的基坑来说），随着X的增大，ymax会减少，桩对于自由土体的位移在

12、 x=1m（如图3 （b）所示）时所产 生的结果在图5中显示，桩图在图1中有图示。桩的偏移量与自由土体的位移密 切相关，这表明桩相对较柔的事实，桩的弯矩在图5（ b）中显示，可以发现有两种曲率。弯距的最大值随稳定系数的增大而增大。 当土体接近破坏时，弯距的 增大率随稳定系数在较大范围内增大而增大。 我们还可以发现在离基坑表面的一 切距离内桩的偏移与土体的位移密切相关。 因此，桩的最大偏移量可以认为与土 体的最大位移相等（如图4所示），而离桩不同距离的X的侧向弯矩都具有十分 相似的形状，而弯矩的最大值随着 X的增大而减小，（如图6所示）3020-%1.53.0 4.0* t_r 5.0-if 一

13、一二r 二 11i二二UQ510】520X（m）图4 土体最大位移随离基坑表面的距离大小变化曲线Dvneaicm (mm)ISKJq fij电占Bcintinj iTHEcni -tooiooyjQ图5桩对基本问题的反应：a）挠度曲线b ）弯曲弯矩曲线30025020015050-r兀1.S 3.0i 4.0 * * -* ,0*、*-i F * c 二二=-*W15X(in)图6基本问题中最大弯矩随距离变化曲线参数的研究和图表的设计为了研究对桩的影响最大的关键参数， 我们研究了许多不同的情况下各种参 数的变化。如：不排水抗剪强度Cu，挡土墙刚度Eg，支撑刚度K,支撑距离s 和桩的直径d。土的

14、杨氏模量假定为400Cu。通过参数的研究可以得出以下结论：（1） 土的极限侧向荷载对桩的影响（弯矩和偏移量）随着Cu （和Es）的增大而增大。（2） 更大的土体的侧移对桩的影响随稳定系数的增大而增大。（3） 桩的影响随着基坑支撑刚度条件的改善而减少。（例如 增大挡土墙刚度 和支撑刚度，减少支撑间的距离 s）因为那样的支撑条件会使土体的位移 减少。（4）因为桩自身刚度的原因，桩的弯矩会随桩直径的增大而增大。桩的偏移减小的趋势很微小，但桩的偏移一般会随着土体的位移一起， 只要桩的刚度 不是太大（比如直径d 10m0048121620Distance froni excavation face, X

15、 （m）图7初始弯矩随离基坑表面距离大小的变化曲线o o o O4 3 2 115% 围Mb和Pb两者的值和所有修正系数如图 710所示。从图6和图4分别获得 的。结论相应取Nc=3,我们可以得出Mb和Pb随X的变化而变化，如图7和9 分别所示，所有的修正系数都在相应取 Nc=3基本结论的基础上修正。用公式（2） 和微型化的图表形式，这里不可避免的出现了误差，这样的误差是由于用公式（2） 计算的结果与直接从边界元法得出的结果所产生的。不过这种偏差在内，除了十分软的粘土以外（如，Cu低于20kp）图8弯矩的影响因素修正图需要说明的是，公式（2）仅仅是计算桩的附加影响，它是假定在基坑开挖刖桩自身不

16、存在初始弯矩和偏移将会随着基坑开挖的进行而或增大或减小，这也取决于桩原来在工作载荷下的弯矩和偏移。 同样需要指出的是单桩的侧向特性一 般不会受邻近群桩的密切影响，桩群受影响的程度取决于桩的数量， 各桩距和桩 顶部的约束条件，土的特性等因素。公式（2）也可以用于估计类似的群桩。DisUnce from excavation face, X （m）图9随基坑表面距离大小变化的初始位移值为了避免问题过于复杂，公式（2）没有涉及无支撑的基坑开挖情况，那种情 况也可以用类似的方法分析。事实上，有限元研究表明在无支撑的情况下基坑开 挖时对桩的影响是十分不同的，在这种情况下，考虑用分别的图表法会更加适合。

17、由于限于篇幅，这种图表法没有在本文中介绍。AXJLJK.X图10挠度的系数修正图问题的应用为了检验本方法对预测桩的影响能力，我们分析了两件已发生的有关案例， 并作简要表述，在每一个案例中，在对具体场地进行分析时，我们运用有限元法 AVPULL去估计土的位移，用 PALLAS法计算桩的影响。公式（2）也被用来计算 第一个桩的最大弯矩和位移。案例1Finno etal （ 1991 ）曾描述过在框架结构内部进行大型基坑开挖的情况。这 种框架结构是被阶梯状的锥型群桩支撑的，这些桩离基坑表面很远，虽然基坑在 开挖是用临时的锚杆支护，但当要开挖基坑的板桩墙时，群桩就向基坑内部倾斜 严重。基坑开挖被分为好

18、几个阶段，板桩墙的偏移和桩的影响除了第一阶段外其 他几个阶段都被测量记录了下来。图11用有限元网法来研究自由土体的位移。现在所模拟的基坑开挖过程中， 锚定支撑被简化为四个水平支撑，每个支撑的刚度都与计算过的墙体位移相符 合，基坑开挖用AVPUL模拟为四个阶段（没有模拟板桩墙的开挖，每个水平支 撑在每一步基坑开挖完成之后立刻加上去），已经确定了的土体侧向位移作为原 始数据用PALLAS法来分析代表离基坑近的单桩影响。单桩离基坑表面1.5m,桩顶部被限制不能转动，阶梯状的锥形桩被模拟成是单一的桩型，平均直径为 327mm长度为25m 土体参数的选择都是以可获得的信息为基础的，如图11所示1） 与单

19、桩相比，它通常会减小桩中的剪力和弯矩，这时土体是完全弹性的（只 有少量的位移）。（2） 它会改变桩土的极限侧向土压力 巳，由于一定数量的实际桩构成一个整体，群桩效应下的Pu不是很大，在实际是群桩的条件下考虑单桩的PU是有些保守的(chen 1994 )。Deflection (nun)图12案例1中桩的侧移曲线Bending 川则蚀L(kI5i40 -30 -20 -1001(1 2(13&懐-* Finno er al (1991) fsiep IO- Finno ei al ()倍皓p 440 I图13案例1中桩的弯矩曲线图12结合已有的测量数据预测了两个基坑开挖步骤中土体的侧移情况，可以

20、看出，两者符合得相当好。本文中在同一阶段中侧向弯矩的预估计与前人的计 算结果如图13所示，虽然在一些地方弯矩图的形状不太一样，但弯矩的最大值 在两种情况下十分接近，而且都在允许的弯矩范围内。在公式(2)中，我们也预测了桩的最大弯矩和最大偏移量。假定土体为单 一的硬粘土，Cu=100kPa。这里假定土体具有平均的抗剪强度。这种假定不会造 成计算结果的很大出入，因为一些早年的研究表明，Cu值的过大或过小产生的影响会在Nc上得到一定程度的补偿，Nc与Cu成反比关系，第一阶段的计算结果如下所示：初始数据：X=1.5m Mb=37KNm如图7图9所示，Pb=14mm如图8所 示。修正系数如下所示：Cu=

21、100kpa ,Kcu=1.4如图8、10所示，Kcu=1.95 ;肌=1.1 (=19X 6/100), KNc =0.5 如图 8、10 所示，KNc =0.5 , d=0.372m, Kd =0.2 如图 8、10所示，Kd =1.0 ; EIw=11X 104 KN m , Keiw=1.3 如图 & 10所示， KEiw =1.06 ; K=1X 104 KN/m/m Kk=1.3 如图 8、10所示，Kk =1.5 , S=5m Ks=1.45。如图 8、10 所示，Ks =1.2。从公式(2a)中得：M max=37X 14X 0.5 X 0.2 X 1.3 X 1.45=13

22、KN- m从公式(2b)中得：Pmax=14X 1.95 X 0.75 X 1.0 X 1.06 X 1.5 X 1.2=26mrg 从第四 个阶段可得：Nc=2.9 (=19X 15/100), Knc=1.0 如图 8、10 所示，Knc =1.0 , 其他初始数据和修正系数与前同，从公式(2a)中得：M max=37X 14X 1.0 X 0.2 X 1.3 X 1.45=25 KN m 从公式(2b)中得：Pmax=14X 1.95 X 1.0 X 1.0 X 1.06 X 1.5 X 1.2=52mm.o这些计算结果与图12、13的结果具有可比性。案例2chu (1994)曾报道了由

23、沙浆桩作为基坑开挖支撑的大型基坑项目，在基坑开挖过程中却产生了明显的偏移现象，这些桩直径为400mm长度为30m被排成了一排。建筑场地主要有一些软土组成，基坑开挖面积为130MX 100m分许多阶段施工，每个阶段都要从总面积中挖去一部分土。第一阶段是开挖基坑的最大开挖深度，在基坑的周围某些地方建造支撑用的防护墙。开挖的最大平均深度 12.8m。粘土层单位土体的重度和不排水的抗剪强度分别为18 KN/ m3和40kpa。由于工程建设的复杂性，本次论文只研究用AVPULL莫拟。第一阶段两侧一部分板桩的位移，防护墙在基坑两侧的倾斜角为27.2 ，群桩效应在桩排成一排时时并不明显(chen和poulos 1993, 1994),因此，我们只用PALLAS法分析离基 坑表面3m处的单桩对基坑开挖引起的土的侧移的影响，理论研究的参数在表格 1中。这些参数的选择来自于可获