土体极限抗力与侧向受荷桩性状研究成果

1998年1月10日清晨6时55分,建造十多年的上海宝钢炼钢渣处理厂房的屋顶系统在绵绵冬雨中轰然倒塌了。图1-1,图1-2,图1-3清楚地记录了当时厂房破坏和结构受损的情况。

图1-1　某厂房屋顶坍塌时的情况

图1-2　厂房屋顶坍塌中心

该厂房屋顶系统的倒塌看似偶然,实际上有其必然性的一面。该厂房由日本专家设计,多以日方厂房为样板,未对特殊的软土地基在设计选型和局部构造处理上进行较为完善的考虑。经过十多年来的生产运作和生产负荷的一再扩大,在地基基础和厂房结构设计方面的缺陷和不足日益显现,部分厂房行车频繁啃轨,最终导致厂房坍塌。

从该厂房破坏特征看(图1-4),①—⑤轴线之间的屋盖系统全部坍塌,塌落中心位于②—③轴线的中间地带,即从①轴线记起为第四榀的正下方部位。①—⑤轴线之间的屋架全部变形、扭曲、撕裂、拉断或压屈,塌落在地面上,屋架上部的天窗架也随之砸落在屋架上,支承屋架的上柱一致向坍塌中心弯扭,屋架及天窗的檩条因连接固定螺栓的崩断而脱落,屋面板和墙皮板被撕落交错在一起,因而造成全线停产。

图1-3　厂房屋顶刚架节点破坏图

图1-4　厂房破坏区域及塌落中心位置(www.xing528.com)

在坍塌事故发生后,因抢修和事故现场清理同时进行,事故现场的保护比较差,给工程事故的分析造成了一定的困难。为了查清事故发生的原因,对破坏厂房附近另一座受力和运行条件相似的一炼整脱模厂房进行了检测,结果发现柱子发生了较大的侧移(图1-5)。该场地属于典型的上海软土层(图1-6)。因此,炼钢渣处理厂房的破坏很可能是堆载引起软土的侧向位移,导致过量桩基变形和上部结构次生应力的结果。

图1-5　柱子侧移图/mm

图1-6　厂区地层条件

宝钢炼钢渣处理厂房的坍塌引起了宝钢决策层的高度重视,为了对宝钢其他厂房的安全性进行检测,防患于未然,上海宝山钢铁总公司委托同济大学土木工程学院对“超载条件下工业厂房结构可靠性监控的研究”的课题进行立项研究。长期反复堆载对邻近桩基的影响为其中的一个子项目。

结合上述课题,我们对反复堆载邻近的桩基,即被动桩,进行了比较系统的探讨,提出了反复加卸载作用下的黏土本构模型(未发表)、堆载作用下桩土相互作用模型并进行了数值模拟分析(杨敏等,2002;杨敏和朱碧堂,2002,2003a,2003b)。因此,最初将论文的标题确定为“长期反复堆载作用下邻近桩基的分析”。

然而,随着对被动桩研究的深入,我们发现,首先对被动桩的性状进行研究,犹如先进行上部结构施工再进行地基基础施工一样,因为被动桩与主动桩总是同时存在的,并且主动桩扮演了被动桩基础的角色。如图1-7(a)和图1-7(b)所示两种被动桩的受力模式(De Beer,1977),整个桩由上部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。被动部分承受由堆载侧土体位移引起的压力,而主动部分则提供嵌固稳定作用。主动部分的变形和承载特性决定了整个桩的变形和邻近堆载的稳定。

图1-7　堆载作用下邻近桩基的侧向受力模式(De Beer,1977)

2003年,作者幸运地以访问学者的身份赴澳大利亚格丽菲斯大学(Griffith University)工程学院进行深造学习,参与了W.D.Guo博士主持的、由澳大利亚科研委员会资助的发现工程项目——杆系结构受轴向荷载和侧向位移作用性状的研究。随着课题研究的深入,作者进一步意识到,主动桩研究对准确预测被动桩性状的必要性。因此,本书将对主动桩,即通常所称的侧向(或水平)受荷桩,进行理论研究和应用分析。