单桩承载能力的解析方法综述

李金奇 兰文改

(华北水利水电大学土木与交通学院，河南 郑州 450045)

0 引言

对于桩基沉降的计算方法大致可分为三大类：经验方法、理论计算方法和数值计算。

经验方法按计算方式可分为两类：一类是以原位测试建立桩基沉降为基础，建立与原位测试数据之间的经验关系;另一类以大量试验与经验为基础，对沉降的计算进行简化。此方法计算方便简洁，但计算精度不够。

理论计算方法较前者精度更高，在当今学术界备受关注。其中主要包括弹性理论法、荷载传递法和剪切位移法等。1)弹性理论法。即假定弹性半空间体为基础，通过桩—土位移的相互作用建立平衡方程，然后求解桩身的受力和位移情况，此方法虽然考虑了桩与土之间的协调条件，但由于是针对土层的假设，故难以体现多种因素的相互作用，具有明显的局限性。2)荷载传递法。该方法结合桩长、土层分布情况，在满足精度要求下进行离散，在弹簧节点处模拟桩侧荷载位移关系及桩端荷载位移关系。3)剪切位移法。此方法假定桩周土体承受剪切变形且不产生剪切位移，认为单桩沉降是由桩周土的剪切变形引起的。此方法可以较为方便地应用于桩基沉降计算之中，但忽略了竖向应力。

数值分析的方法有很多，但有限元法是数值分析法中应用最为广泛的一种方法。有限元是利用数值计算软件进行建模计算，但其建模和计算过程比较复杂，需要考虑的参数较多，难以准确定义与实际相符的土体及接触面的参数。

本文在此基础上更深一步的探讨国内外对单桩承载能力解析方法的研究成果并进行综述与分析，并提出尚可研究的问题。

1 研究现状

在土木工程中桩基础是广泛应用的基础形式之一，所以沉降是桩基设计中尤为重要的关键性指标，将直接影响整个工程的安全性、稳定性和经济性。目前，国内外都已经有大量关于单桩承载能力的解析方法的研究成果，综述如下。

路家峰、顾国荣和杨石飞[6]首先收集了上海及其周边地区的工程试桩资料和静力触探资料,用这些实际资料来判定如果用上海现在规范中的应用静力触探成果估算预制桩单桩极限承载力的计算方法是否精确,在确定各项计算参数，满足要求的情况下,作者提出了根据不同土层计算承载力的改进计算方法。改进公式为：yi=U1xi1+U2xi2+…+U8xi8,其中,xi1,xi2,…,xi8分别代表不同土层的侧阻力，通过上海某桩基的实例表明,改进的计算方法所测得的极限承载力结果更加接近工程的实测值,从而提高了应用静力触探成果指标估算预制桩单桩极限承载力的计算精度。

由赵春风和路家峰等人的研究就可以发现，单就静力触探估算一方面所根据的公式和依据不同就可以得出不同的解析公式，只要通过实际应用可以验证自己的方法和公式是可行的，就可以为后期工程人员提供很好的研究价值和理论依据。

高文静、李文菊和张富贵[7]提出了统一三折线荷载传递模型，此方法相较于前学者的研究优点在于同时考虑了桩侧和桩端的弹性阶段、塑性阶段以及滑移阶段这三个阶段，在此基础上并推导出了相应的沉降曲线的解析解，最后利用此模型结果进行陕西省的黄土沟壑区的计算和验证，结果表明数据吻合且误差较小，由此可见此模型可以用于单桩分析或拟合土体参数之中。

谢才军[8]首先引入一个拟合曲线的质量指标，此指标是通过数理统计的方法所确定，然后在较粗差的实测数据中并且在合适取值范围之内，通过一定的步长来进行最小二乘法的曲线拟合，最后得出质量指标的最小拟合曲线值和实测数的修正值。如果拟合后的曲线精度和可靠性均是在满足要求的情况下便用求得的最优拟合曲线函数外推计算出单桩承载力的预测值。

曹平、张敬一和梁发云[9]从上部土体挖除的影响和土体强度参数的变化这两方面来考虑增层开挖对土体的影响，通过Mindlin解和修正的剑桥模型来分别得到土体开挖前后的桩周土的有效应力和不排水的抗剪强度，桩侧和桩端则采用双曲线荷载传递模型，在考虑土体的强度参数变化的前提下，桩基的Q—S曲线是通过荷载传递法所得到的，最后在通过现场的试桩实例和有限元模拟的结果对比验证得出:在开挖宽度方面，桩基的承载力对开挖深度更为重要和敏感。

2 研究发展方向

虽然桩基沉降所涉及到的影响因素比较多，并且准确地确定沉降也较为困难，关于单桩的研究方法基本上已经趋于成熟，所以在此单桩的基础上可以有其他的方面继续研究：

1)在实际工程之中往往存在有很多桩基的情况，不单单只有一个桩基，所以单桩的解析公式在根据实例验证无限地接近于实际数据之后，在此基础上是否可以将单桩的解析公式运用到群桩上面，运用到群桩上之后是否可以在规范的范围之内可以正常应用并且满足要求。群桩在工程中应用的比较广泛，若能将单桩的解析公式与群桩联系在一起将是很好的研究方向。

2)单桩在现在工程中应用最广泛的就是直径桩，但挤扩支盘桩比普通灌注直孔桩拥有承载力高、稳定性好、抗震性好、沉降变形小、桩长短、桩径小、所用桩数少等优点，不仅降低了材料损耗，也缩短了施工的工程工期，并且挤扩支盘桩适用于各种土层，对地下水位没有任何要求。直径桩的解析公式是否可以运用到挤扩支盘桩上，或者在直径桩的解析公式上有所修改之后适用于挤扩支盘桩，此方面具有很好的研究价值。

桩基础理论经过相关学者这么多年的分析研究已经取得了很大的进展，单桩的研究方向有许许多多，因此相应的解析公式也有很多，但是由于桩土的受力情况具有复杂性，桩基础理论不能以偏概全，解析公式不能完全地应用于各种各样的实际工程实践之中，若能化繁为简、整齐划一，满足与各种桩型比如摩擦性桩、端承桩，有一套完整又可靠的解析法很具有理论和实际意义。

3 结语

桩基础在建筑工程、桥梁工程、港口工程以及海洋工程中都是重要的基础形式。桩基必须要严格满足承载力、变形和稳定性这三个安全性准则。近年来，随着经济和科技的高速发展，我们对基础的变形沉降性能也提出了更加严苛的要求标准，但我们从多年来国内外的研究成果、发展方向可以看出，单桩承载力解析公式几十年来取得了不少进步，专家学者也在方方面面取得了很好的研究成果，也不断地与数值有限元模拟相结合来验证其可靠性，虽然桩基沉降所涉及到的影响因素比较多，并且准确地确定沉降也较为困难，相较于以前还是有了很大的改善，使后期学者可以站在巨人的肩膀上探索更好的研究方向，在一定程度上为后期工程研究人员提供了很好的研究价值和理论依据。