软弱地基开挖,流动土体对坑内桩基推挤,导致桩基偏位;或者,土体由于固结、塑性屈服和流变等引起侧向移动,进而对桩基施加推力,导致桩基产生侧向弯曲,甚至发生折断,降低了桩基的竖向承载能力和使用性能。如今,这类工程事故在我国长江中下游和东南沿海一带软土地区屡见不鲜。 软弱地层深挖基坑中工程桩与流动土体相互作用属于被动桩的研究范畴。由于难以确定流动土体作用于桩身侧压力大小,故使得该类桩基与土体相互作用的研究变得较为复杂,更无从准确地通过解析方法,确定桩基在流动土体作用下的反应性状、评估桩基的受损坏状况。这些都是日益突出的桩基工程事故分析和合理补强设计所要解决的问题。 分析总结国内外在相近课题上的研究成果与进展,论文着眼于理论上和实践中迫切需要解决的难题,采用数值方法对以下问题进行了较系统研究: (1)从土拱效应的角度揭示了工程桩与流动土体相互作用的过程与实质。解释了基桩受流动土体作用的土压力形成机理,阐述了土压力大小与土性参数、基桩布置型式的关系。根据土压力与土性参数的关系,指出了被广泛采用的Tomio塑性绕流土压力计算公式的不足。根据桩间土体成拱特征,解释了受流动土体作用下相邻桩基相互作用的机理。 对粘性土、无粘性土中的土拱形成机理及桩周土体破坏特征进行分析,并从土拱效应的四个主要方面:土拱形状、桩周土体塑性(拉裂)区分布、竖向位移等值线和桩后土体残余荷载分担比,探讨了改变土体参数、桩土接触特性、群桩排列方式对桩间土拱效应的影响及其规律。研究表明,土性不同时,土拱形成过程中土体的受力和破坏形式不同:泊松比、剪胀角、桩土接触特征对土拱效应的影响最明显。强度高、剪胀角大、桩土接触面粗糙或泊松比小的土体,易形成土拱。 根据分析得到的排桩绕流土压力与土性参数的关系发现,压力大小与土体强度参数、剪胀角、泊松比、桩土接触性质等均存在关系。而Tomio基于塑性变形理论的土压力计算公式只反映了压力大小与强度参数的关系,尚存不足。 土拱效应存在于一定桩间距之内的土层中。对于群桩,基桩的排列方式对桩间土拱效应也有影响,相邻基桩通过桩间土体成拱特征相互作用,土拱效应越明显,基桩间的相互作用越强烈。 (2)计算了工程桩(单桩)在流动土体作用下的桩身变位和弯矩,并对有关影响因素进行了研究。这些因素包括基坑边坡特征和桩的参数。研究表明,基桩反应随有关参数表现出较强的规律性。具体而言,工程桩距离边坡越远,桩身变位和弯矩越小;与边坡距离不同,桩身变形曲线的形状不同;分步开挖、边坡坡角