水平偏心受荷群桩响应及影响因素分析

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1、水平偏心受荷群桩响应及影响因素分析1绪论1.1研究背景及意义桩基础作为常见的深基础形式，常用于桥梁、海上平台、码头和跨海输电塔等大型建筑物中。这些结构物在风荷载、水流荷载、船舶碰撞荷载作用下常使群桩基础承受很大的水平向荷载作用。然而这些荷载作用于结构物时，其作用位置和作用方向具有很大的随机性，传递至群桩基础时往往使桩基础同时发生水平和扭转位移。以船舶碰撞为例，船舶与桥梁墩台发生碰撞的位置和碰撞角度不同会导致群桩内不同位置的基桩产生很大差别的基桩内力，当某根基桩内力超过其极限承载力时该基桩会因发生破坏而退出工作

2、，进而引起群桩整体失效。由于桩基础承受水平荷载导致结构物破坏的工程案例时有报道：1940年美国新建成的塔科马大桥，在很小的风荷载作用下产生水平和扭转振动，完全损毁；美国迈阿密则有交通信号灯因颶风袭击而倾覆（Hu,2006);2007年广东九江大桥桥墩遭船撤撞击，被撞击桥墩破坏后，在其所承载的桥面牵拉作用下，与其相邻的两座墩台相继破坏，共引发所200米长的桥面讲塌，共造成造成9人死亡，造成经济损失4500万；据统计，武汉长江大桥自建成以来发生了船舶碰撞事故70佘起，其中直接经济损失超过百万的大事故超过10起。类

3、似的事故还有如船舶碰撞码头堤岸，风浪袭击近海作业平台等。因此群桩分析时，研究群桩在水平荷载作用下的响应，确定群桩中的最大基桩内力和发生位置有十分重要的工程和科研价值。..1.2国内外研究现状水平受荷单桩研究是研究水平受荷群桩研究的基础，其实质是水平荷载作用下桩-土之间的相互作用。水平受荷单桩响应最简化的模型是假设桩身为受横向荷载的弹性地基梁，地基对桩的约束视为均勻分布的弹簧，弹簧的刚度成为地基反力系数，如图1.3所示。Hetenyi(1946)年得到了不同加载条件和不同桩端约束条件下的单桩水平响应闭合解。该闭

4、合解对于长桩而言，桩顶水平位移atlock,1956;Matlock和Reese,1960),典型的如弹性地基反力法中的m法，假设某一深度处桩身水平位移与该处桩侧土水平反力成正比，且地基反力系数与深度成正比；这种模型经过进一步完善，将线弹性分布的弹簧换作非线性的p-y曲线（Matlock和Ripperger，1958;Gill和Demars,1970;Matlock,1970;Reese,Cox和Coop，1975)。当桩身位移较大时，该法相比地基反力系数法能更准确反映桩的侧向变形特性。但实际运用时，该方法有

5、两种缺陷：第一对于给定的桩身和土体参数，p-y曲线的选择较困难；第二将土体约束视为离散的弹簧限制了该方法在群桩中的运用，因为离散弹簧体无法考虑桩-土-桩相互作用。第二种发展方向利用积分法（边界元法）将土体视为连续均勻的弹性介质（Poulos，1971a,b,1972),将桩身理想化为与原型桩具有相同宽度和抗弯刚度的无限薄的条带。这种理想化的方法以及由其发展而来的处理分层地基中桩基水平响应的方法(Poulos,1973;Baneijee和Davies,1978)使计算结果有了一定程度的误差。计算的精度同时受桩身

6、离散方法的影响，Evangelista和Viggiani(1976)指出通过改变单元体大小得到的计算结果比Poulos(1971)得到的结果更加准确。2水平偏心加载群桩分析模型2.1引言风、波浪及水流荷载等水平荷载作用于高贫建筑物或构筑物时常使这些结构下部的桩基础承受水平偏心荷载作用，即水平荷载与扭矩共同作用。两者共同作用下，当基桩间距不大（一般在8倍桩径以内）时，群牲响应会呈现明显的群被效应，致使群桩整体承载能力小于单桩承载能力与群桩桩数的乘积，且该效应随群桩规模的增大及桩间距的增大而愈加显著。王书行（20

7、11)开展了大比尺3x3水平偏心加载群桩模型实验>分析了不同偏心距下群桩中基桩内力分布规律。但该方面的理论研究尚少，推扭荷载作用下群桩桩间存在复杂的桩-土-桩相互作用，主要包括：（1)水平荷载对临桩水平响应的影响（包括两水平荷载方向平行和垂直两种情况)；（2)水平荷载对临桩倾覆角的影响及弯矩对临桩水平位移的影响；（3)弯矩对临桩倾覆角的影响；（4)水平荷载对临桩扭转响应的影响及扭矩对临桩水平响应的影响；（5)扭矩对临桩扭转角的影响。Kong和Zhang(2008)研究发现，扭矩对临桩扭转角的影响很小，可

8、忽略不计。本章建立了一种群桩响应分析模型，该模型基于Randolph给出的单桩解，并能够考虑上述（1)（4)类桩-土4庄相互作用，最后通过与试验数据对比验证了模型的正病性和有效性。图2.1水平偏心加载群桩桩头内力、位移示意图程序的正确性，本节采用了两个算例对程序进行验证性分析。算例一：Kong(2006)开展了一系列离心机模型试验，研究砂土地基中群桩在扭矩作用下的响应。试验中模型桩釆用销合金管桩，管