3.1 引 言
在分析侧向受荷桩时,无论是采用弹性地基梁法还是p-y曲线法,要准确确定地基反力模量,都必须了解桩周土体的性状。为此,许多研究者对桩土相互作用进行了数值模拟(如Randolph,1977;Trochanis等,1991a,1991b)。图3-1给出了典型的由弹性、弹塑性有限元分析给出的桩周土体侧向应力分布(Trochanis等,1991b),其中,桩轴线右侧为桩前土体,左侧为桩后土体。由图可见,无论是弹性分析还是塑性分析,是三维实体有限元分析还是一维杆单元分析,桩前地表附近的土体远比深层土体的侧向应力大,地表附近的土体比深层土体的侧向变形也大许多倍。Randolph(1977)认为在1/3或1/2桩长范围内,土体应变沿深度以一个数量级的幅度降低。
图3-1 弹性、弹塑性有限元分析得到的桩周侧向应力分布(Trochanis等,1991b)
除了数值模拟分析外,Kishida等(1985)采用X光摄像技术对桩和桩周土体的变形进行了试验研究,如图3-2所示。在侧向荷载作用下,桩前土体发生明显的隆起。由于临空面的存在,地面附近的土体极限抗力比深层土体的极限抗力小,该区域内的土体在较小的荷载水平下可能已达到屈服或极限状态(Poulos,1971a;Poulos& Hull,1989;Guo,2002)。最重要的事实是,对于无黏性土,只要施加荷载,地表处土体由于极限抗力为零而发生屈服。
图3-2 桩与桩周土体的变形模式(Kishida等,1985)
根据上述桩周土体的应力和变形性状,在较大荷载水平作用下,土体可能发生如图3-3所示的破坏模式,即浅层土体楔体破坏(图3-3(b))和深层土体绕流破坏(图3-3(c))(Randolph& Houlsby,1984),以及桩后可能发生的拉裂破坏(图3-3(a))。
图3-3 桩周土体破坏机理(Randolph&Houlsby,1984)
与上述土体破坏模式相对应,桩基一般表现出如图3-4所示的性状(以桩头自由桩为例)。桩的侧向变形和弯矩分别主要发生在上部(5～15)d和(7～20)d深度内,最大弯矩发生深度一般在(3～10)d深度处,而达到极限抗力的土体深度为(2～7)d。总的来说,桩基的性状主要由(5～15)d深度内的土体性质,特别是(2～7)d深度内的土体极限抗力控制(Guo,2002;Guo&Zhu,2004)。
图3-4 极限状态时侧向受荷桩的性状
对于深层绕流破坏,许多研究者(如Broms,1964a;Randolph& Housby,1984)给出了黏土极限抗力比较一致的塑性极限分析解答。考虑不同的桩体表面粗糙程度,有：
或
尽管茜平一和刘祖德(1996)推导的深层黏性土极限抗力塑性滑移线解只有Broms(1964a)建议值的一半或更小,但滑移线上假定的极限状态应力场值得进一步探讨。
对于浅层楔体破坏和砂土中的深层绕流破坏,目前还没有普遍接受的理论或经验解答。由于在工作荷载作用下土体达到极限抗力的深度仅为(2～7)d,所以,桩周土体主要发生浅层破坏。下面主要对浅层土体的极限抗力分布进行分析。