桩土共同作用研究现状

孙亚

【摘要】研究桩-土相互作用机理是保证桩基础在建筑荷载作用下安全稳定的重要工作。从不同荷载形式，桩的类型以及桩-土作用中各种影响因素来评述桩-土共同作用研究进展。指出复杂外界荷载形式下桩-土相互作用机理、各种数值方法在研究共同作用时耦合考虑、以及土中环境对桩-土作用的影响是今后需要进一步深入研究的问题。

【关键词】相互作用机理；复杂外界荷载；数值方法；土中环境

1、引言

当上部结构的荷载较大、适合于作为持力层的土层埋藏较深， 并且采用天然浅基础或仅作简单的人工地基加固仍不能满足要求时， 常采用的一种方法就是做桩基础。把结构支撑在桩基础上， 荷载通过桩传到深处的坚硬岩土上， 从而保证建筑物满足地基稳定和变形容许量的要求。桩通过其侧面和土的接触， 將建筑荷载传递给桩周围的土体， 或者传递给更深层的岩土， 从而获得较大的承载能力以支撑上部的大型建筑物。因此， 研究桩土间的相互作用机理不仅能够对基础设计提供合理参考，在桩基施工过程中也可对安全施工做出贡献。

桩-土共同作用问题是地基基础与上部结构共同作用问题中的一个分支，研究地基基础与上部结构共同作用的理论， 重要的是解决桩、地基土和基础之间共同作用的问题。在该课题研究的几种方法中， 比较完整的三维空间分析方法系由Hongladaromp等人和Hian提出。进几十年来来，随着国内基础建设的兴起，桩基基础在全国各地都被广泛采用，桩-土共同作用机理也越来越被重视，许多学者采用各种试验方法并取得了不少有价值的研究成果。但因为地下空间的复杂，影响桩-土共同作用的因素繁多，使桩-土共同作用问题研究仍然存在尚未解决的问题。因此，本文将对这些具有代表性的研究成果进行简单的回顾， 并阐述当今桩-土共同作用研究中存在的问题和今后的发展方向。

2、桩-土共同作用研究现状

近年来，桩-土共同作用问题被广泛研究，主要影响因素有上部荷载形式以及桩型选取和土性变化，而桩型和土性影响可以归为桩-土界面影响因素。下面主要详细介绍近几十年来桩-土共同作用机理研究进展。

80年代，费勤发等对建筑荷载下复杂的单桩位移影响系数以及桩对桩位移影响系数的计算给出了简易解法。并且对单桩的一系列参数给出可以笔算的解析式。将桩对桩以及桩对土的位移影响系数计算归并于单桩位移影响系数计算公式中。将简化计算解与精确解进行详尽的比较和细致的分析给出简化计算解的最大相对误差范围， 而简化计算结果足以满足工程要求。文中对于单桩的各种参数计算， 给出可以笔算的解析式， 可以更好地预估单桩受力特性，同时对杨氏模量E 的选取更为方便；桩对桩以及桩对土的影响系数计算均可归并于单桩位移影响系数的计算公式中。简化了各情况的位移影响系数的计算，最终所得结果为可信。

1990年，何颐华等通过某高层建筑的原体工程实测和室内模型试验，揭示了桩土共同作用的机理。本试验结果还表明， 建筑荷载是由桩和桩间土共同承担的，并且指出而桩间土只分担建筑物荷载的20 %，而桩能够分担建筑物荷载的80 %，并且还获得了由容许荷载， 极限荷载到破坏荷载全过程的桩顶荷载分配曲线， 为实际工程的合理设计提供理论依据。

2010年，温永钦等采用数值分析方法研究了碎石桩复合地基中桩土接触处的相互作用， 更加深入细致的研究了碎石桩的力学特性。作者采用AD INA 有限元程序，对碎石桩成桩过程进行模拟，重点分析了振冲碎石桩复合地基中桩与土的摩擦接触作用，研究表明，应力最大的点在桩顶附近，应力最小的点在中性点附近，这为进一步分析碎石桩中桩土相互作用提供基础。

2014年，赵文华等采用数值模拟和室内试验相互结合的方法，得到不同固结条件、不同载荷频率影响下的动应力、动应变关系，通过数值模拟分析了桩的各种不同因素对桩土体系横向变形的影响.研究结果表明：通过调整桩长、桩径以及弹性模量各值，通过组合可达到合理值，这个值可以定为桩的最大承载能力。

作者通过ADINA 通过建模，生成单排桩（1×2）形式的3D 实体单元，采用施加正弦函数形式荷载来模拟交通载荷，对土层、桩间相互作用进行模拟计算。土层采用软土层和硬土层这两层典型土，采用Drucker-Prager本构模型。

图1所示为试验的主要结果，是对四种影响因素的分析，从图1（a）可以看出，桩的弹性模量变化对桩土作用产生明显的影响，桩抵挡土横向作用的能力是随着桩的弹性模量减小而减小的。从图1（b）可以看出，在相同条件下，桩径越小，桩越柔软。可以看出，在Z=-3 m 处直径较小的两根桩都能够出现最大的横向位移值，位移随着直径的增大而减小由图1（c）可以看出短长桩在软土中的横向位移大于短桩，两者最大位移在软土层Z= -4m附近。对于长桩，桩体在硬土中嵌固的长度比较大，并且上部处于软土层的桩发生横向位移比较大，而进入硬土层的桩基被束缚后位移逐渐变小，导致桩底的位移也几乎为0。由图1（d）可以看出，软土层厚度的大小对桩的性状有很大的影响且比较复杂，规律不一。

3、桩-土共同作用研究的发展方向

（1）相关研究仅考虑了桩体承受竖向载荷和水平荷载这一情况或者两种荷载的共同作用，实际桩基设计时还必须进行地震、群桩效应等情况下的验算，因为过高的应力集中和桩群之间的相互作用对桩身的安全稳定性影响也较大，因此，复杂外界荷载形式下桩-土相互作用机理需要进一步研究。

（2）在数值模拟方法的应用中，通常采用有限单元法研究桩-土共同作用，实际上，桩在受荷变形可认为是连续小变形，但土是能够发生大变形的离散介质，采用分析连续介质的有限元方法有所欠缺，可考虑采用适合非连续介质的数值方法模拟，故对于桩-土作用界面实行两种或多种数值方法共同分析，即多种数值方法的耦合的研究具有较大空间。

（3）土的性质在桩-土研究中起着重要作用，实际土中环境非常复杂，如地下水、应力历史等影响，如何在相关研究中考虑这些因素或者评估土中影响因素的敏感性也是今后的重点。

参考文献

[1]费勤发， 张问清， 赵锡宏. 桩土共同作用的位移影响系数的计算[J]. 上海力学， 1983， 4： 11-26.

[2]何颐华， 金宝森. 高层建筑箱形基础加摩擦群桩的桩土共同作用[J]. 岩土工程学报， 1990， 12（3）： 78-79.

[3]温永钦， 申向东， 王琪. 碎石桩复合地基桩土作用的数值分析[J]. 内蒙古农业大学学报： 自然科学版， 2010 （2）： 249-252.

[4]赵文华， 张彬， 张海荣， 等. 交通载荷作用下桩侧土对桩的横向影响[J]. 辽宁工程技术大学学报： 自然科学版， 2014， 33（1）： 71-75.