被动桩计算模式和考虑土拱效应计算方法

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1、http://www.paper.edu.cn*被动桩计算模式及考虑土拱效应的计算方法**李忠诚，杨敏（同济大学地下建筑与工程系，上海，200092）摘要：建立了地面堆载条件下对邻近桩基影响的实用计算模式，将被动桩分为受土体位移作用的被动部分和受土体抗力作用的主动部分分别考虑，以T.Itos土压力为依据，考虑土体的实际分层和被动区侧移土体成拱效应，计算被动部分桩侧土压力，主动侧作用于桩身上的土体抗力与桩的变形成正比。通过桩的平衡建立位移协调方程，采用有限差分法求解建立的微分方程，并编制了VBA电子表格有限差分程序。最后通过一个工程实例对本文提出的被动桩的实

2、用计算方法进行了验证。关键词：土拱效应；被动桩，土压力，侧向变形引言[1][2]对于侧向受荷桩基来说，根据桩与周围土体相互作用的特性，可以分为两类DeBeer（1977）：第一类桩基直接承受外荷载并主动向土中传递应力，称为“主动桩”；第二类桩基并不直接承受外荷载，只是由于桩周围土体在自重和外荷作用下产生水平运动而受到影响，称为“被动桩”。在主动桩中，桩顶荷载使桩在土体中移动，桩上荷载是因，桩相对于土体的变形效应是果；而在被动桩中，侧移土体对桩产生土压力，土体相对于桩的移动是因，它在桩身上引起的荷载是果。由于被动桩因土体移动产生的桩侧荷载难以确定，引起桩土相

3、互作用的土体位移不仅与土体本身的性质、桩的形状、数量和布置等因素有关，而且还与产生土体位移的成因（如堆载、开挖、打桩）有关，因此，被动桩的问题要比主动桩复杂得多，如果设计不当，会产生严重的工程问题。在软土地基中，堆载或开挖引起的土体水平位移可达到堆载高度或开挖深度的1％～2％甚至更大。如此大的侧向位移引起的作用于桩上的侧[1][3]向压力会很大，足以使大尺寸的桩产生变形甚至破坏。在工业厂房、港口码头、边坡加固等工程中，桩基不仅直接承担作用于桩顶的主动荷载，而更重要的是抵抗土体在自重或者外荷载作用下土体的侧向变形，这些工程中的桩是比较典型的被动桩。对于被动桩

4、的研究，由于桩土相互作用和桩受力的不确定性，数值分析是一种比较理想的方法，但相对于竖向受荷主动桩的研究，仍欠缺一套系统的理论方法。本文将在被动桩土体双层滑移模式基础上，基于侧移土体在桩前的成拱效应，建立邻近堆载条件下被动桩实用计算方法，最后结合一工程实例验证本文理论方法的有效性。1侧移土体的成拱效应土体在荷载的作用下产生侧向运动，当侧移土体受到邻近桩基的遮栏作用时，在桩基附近产生土拱效应，将土压力由桩向土体传递。Terzaghi（1943）最先解释了土拱现象，认为土拱形成的原因是压力从已经屈服的土向附近刚性桩的传递过程，也有一些学者认为是应力*基金项目：上

5、海市科委重点基础研究项目资助（02DJ14062）；高等学校博士学科点专项科研基金资助（20020247003）.**通讯联系人：李忠诚，男，博士生，主要从事桩基础理论研究和岩土工程数值分析。Email：lzenc@163.com1http://www.paper.edu.cn从已经屈服的土向没有屈服或约束土体的传递过程。Chen（1997）进行了一系列的室内模型试验，对承受土层水平侧移的钻孔桩的性状进行了研究。试验表明：当桩间距等于或大于八倍桩径时，桩后土体就没有土拱效应的现象，即群桩中桩的性状与单桩性状无异。土拱ds土层位移方向图1桩周土拱示意图图2侧

6、移土体成拱效应Fig.1soilarchingaroundpilesFig.2archingeffectoflarteraldisplacementsoil2被动桩的计算模式Viggiani（1981）将被动桩的计算模型简化成如图3、4所示的模式，并认为滑动土体作用在桩身上的极限压力和桩身弯矩的大小，取决于桩的几何尺寸，桩的抗弯强度，稳定土体和滑移土体的强度参数。Viggiani的被动桩计算模式由受土体位移作用的被动部分和下部受荷载作用的主动部分组成。H堆载桩被动受荷软土土体运动方向滑动面硬土桩主动受荷图3被动桩模型图4被动桩简化模型Fig.3passiv

7、epilemodeFig.4passivepileabbreviatedmodel将滑动面以上的被动部分和滑动面以下的主动部分分开考虑。在滑动面之上采用考虑土拱效应的分层土T.Ito应力解，桩的微分方程为，4dy1EI=p(z)（1）4dz式中：y为滑动面上土体的变形；EI为桩的刚度；q(z)为侧向荷载分布力集度，依据分1层土T.Ito应力解计算。滑动面以下的桩采用传统方法计算，假定桩受到的土压力与桩的变形成正比，桩的控制方程为：2http://www.paper.edu.cn4dy2EI=−ky（2）42dz式中：y为滑动面以变形；k为弹性常数。23被动

8、桩被动侧土压力计算被动桩不直接承担外部荷载，而是通过发生桩土相互作