樁基研究難點(diǎn)與方法分析

徐學(xué)凱 俞發(fā)乾

摘 要: 就樁基研究工作中的難點(diǎn)與方法進(jìn)行分析,主要探討了樁基的三種主要研究方法,即連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法、地基響應(yīng)法和數(shù)值計(jì)算方法,最后分析了研究樁基大變形的意義。

關(guān)鍵詞: 樁基;力學(xué)方法;地基響應(yīng)法;數(shù)值計(jì)算方法

中圖分類號(hào): TU473

1 樁基研究的難點(diǎn)

雖然樁基在工程實(shí)踐中得到廣泛的應(yīng)用,但是相應(yīng)的設(shè)計(jì)理論、研究方法卻存在一定的滯后。這種滯后是與樁基的特點(diǎn)密切相關(guān)的。其一,與結(jié)構(gòu)工程中的其他領(lǐng)域相比,樁基所處的環(huán)境更加的復(fù)雜。由于土層的形成和堆積過(guò)程的復(fù)雜,使得土層的力學(xué)特性具有較大的離散性,很難準(zhǔn)確的表達(dá)土層的力學(xué)特性。其二,由于承臺(tái)、樁、土的相互作用,樁基礎(chǔ)的載荷傳遞與變形過(guò)程屬于復(fù)雜的非線性力學(xué)系統(tǒng)。樁基在各種靜載荷與動(dòng)載荷作用下,其載荷傳遞機(jī)理和樁基的破壞模式與樁基本身的材料強(qiáng)度、抗彎剛度,樁側(cè)土體的抗力、摩阻力、樁端土體的承載能力以及施加載荷的方式等因素都密切相關(guān)。這些都給樁基的設(shè)計(jì)和施工帶來(lái)很多困難。

2 樁基的研究方法

經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的研究,形成了研究樁基的三種主要方法:連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法、地基響應(yīng)法和數(shù)值計(jì)算方法。

2.1 連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法

連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法是基于連續(xù)介質(zhì)理論和框架來(lái)建立樁基力學(xué)行為的數(shù)學(xué)模型,其中,樁和土的材料可以是彈性、粘彈性和彈塑性材料等。由于這種方法概念清楚、理論性強(qiáng),得到比較廣泛的認(rèn)同,因而比較流行。Tajimi在1969年首先采用連續(xù)體模型來(lái)模擬土體,以后眾多學(xué)者對(duì)這一理論方法進(jìn)行了進(jìn)一步的研究。比如,Hikmet(2006)將土體看成無(wú)限延伸的土體片,研究了在組合載荷作用下,半剛性連接和部分埋入樁的自由振動(dòng)。在求解樁土相互作用的問(wèn)題時(shí),連續(xù)介質(zhì)模型是比較合理和有效的,常用于求解粘彈性問(wèn)題、彈塑性問(wèn)題等,但較難得到解析解或半解析解。另外,近年來(lái)隨著飽和土研究的深入,飽和、非飽和土中樁基力學(xué)行為的研究也受到越來(lái)越多的關(guān)注。

2.2 地基響應(yīng)法

這種方法是將對(duì)上樁的作用力表述為一系列的方程,包括各種廣義Winkler等地基模型、地基反力系數(shù)法等。

Winkler地基模型是把樁周的土體離散為一個(gè)個(gè)單獨(dú)作用的彈簧,某一彈簧受力時(shí),僅該彈簧發(fā)生與作用力成正比例的壓縮而和其他彈簧無(wú)關(guān)。這種把地基看作非連續(xù)介質(zhì)且地基反力系數(shù)在整個(gè)位移過(guò)程中均為常數(shù)的假定雖和實(shí)際不符,但和目前較復(fù)雜的一些其它解析方法相比較,它在許多情況(例如當(dāng)基礎(chǔ)的容許位移值較小時(shí))仍可得出接近實(shí)際的結(jié)果。

Matlock和Reese考慮到土體抗力集度P的非線性特點(diǎn)提出了反力一撓度曲線法,即P-Y曲線法,并被列入美國(guó)API規(guī)范。P-Y曲線是指在水平力作用下,地面下某個(gè)深度z處土反力P與該點(diǎn)樁的撓度Y之間的關(guān)系曲線,它綜合反映了樁周土體的非線性、樁的剛度和外荷作用的性質(zhì)等特點(diǎn)。P-Y曲線能如實(shí)地把地基的非彈性性質(zhì),及由地表開(kāi)始的進(jìn)行性破壞現(xiàn)象反映到樁的計(jì)算中。P-Y曲線法原理簡(jiǎn)單、計(jì)算可信度較高、實(shí)用范圍較廣,特別是對(duì)于復(fù)雜工況下樁基力學(xué)特性的研究,有較大的用途。但是由于其試驗(yàn)需要高昂的成本,故只能在部分重大工程中大規(guī)模的應(yīng)用。

2.3 數(shù)值計(jì)算方法

由于樁基力學(xué)行為的分析十分復(fù)雜,直接得到解析解或是半解析解是很困難的。因此常常采用數(shù)值計(jì)算方法來(lái)模擬樁基的力學(xué)特性,其研究?jī)?nèi)容和成果也是樁基研究中內(nèi)容最為豐富的一部分。主要的數(shù)值計(jì)算方法,包括有限元方法、樣條有限元方法、邊界元方法和它們相組合得到的混合方法等。

在上述三類方法中,在求解樁——土相互作用問(wèn)題時(shí),連續(xù)介質(zhì)模型是比較合理和有效的。此類方法的公式直接,可應(yīng)用到彈塑性問(wèn)題、粘彈性問(wèn)題及穩(wěn)定狀態(tài)和瞬時(shí)地下水滲透問(wèn)題等,但是一般在理論分析、數(shù)值模擬等方面比較困難,特別是在分析由幾何和材料引起的非線性問(wèn)題時(shí),具有更高的難度。地基響應(yīng)法,由于是通過(guò)試驗(yàn)得到土對(duì)樁的作用的力,即P-Y或Q-S曲線,因而能夠較好地刻畫樁——土系統(tǒng)的實(shí)際工況條件?？梢缘贸鲈谳S向荷載分布、沉陷值、彎矩和剪力等方面令人較滿意的結(jié)果。但是由于其高昂成本只在極少數(shù)重大工程中廣泛使用。隨著科技的發(fā)展,計(jì)算機(jī)容量和速度的極大提高,數(shù)值計(jì)算方法特別是有限元法在樁基研究中起著越來(lái)越大的作用。但是由于有限元法計(jì)算工作量大,耗時(shí)多,成本高。將邊界元法或其他方法和有限元法聯(lián)合形成的禍合方法,可以發(fā)揮它們各自的優(yōu)點(diǎn),將可能是一種比較有效的方法。但是,對(duì)于復(fù)雜的樁——土禍合系統(tǒng) ,特別是非線性系統(tǒng)而言,尋找精度高、計(jì)算量小、收斂速度快、穩(wěn)定性好的數(shù)值方法仍然是值得大力發(fā)展的研究?jī)?nèi)容。

3 分析樁基大變形的意義

2002年,Miura等在其綜述報(bào)告中,也列舉了許多樁基的破壞形式。他們都認(rèn)為樁基的這些破壞形式往往是在地震中因土體的液化導(dǎo)致的橫向地面移動(dòng)、慣性力的影響或者強(qiáng)烈地震運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的橫向地面移動(dòng)等造成的,這種地面的橫向位移往往很大,采用小變形理論來(lái)描述樁基的變形過(guò)程會(huì)帶來(lái)很大的誤差。同時(shí),隨著樁基施工技術(shù)的發(fā)展,各種長(zhǎng)樁、超長(zhǎng)樁、海洋平臺(tái)樁等新型樁基在工程實(shí)踐中越來(lái)越多的使用,也為樁基靜、動(dòng)力學(xué)分析帶來(lái)了新的挑戰(zhàn),經(jīng)典的樁基小變形理論已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足工程的需要,更精確的樁基大變形分析也越來(lái)越受到研究人員的關(guān)注。因此,需要對(duì)樁基的大變形過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)的分析,以提供樁基設(shè)計(jì)更適當(dāng)?shù)睦碚摶A(chǔ)。關(guān)于樁基的大變形分析和非線性分析,已有一些工作。

最近幾年Miyasaka,Miura和Izumi等人研究了因地震液化導(dǎo)致的橫向地面移動(dòng)對(duì)樁基礎(chǔ)及其靜動(dòng)力學(xué)行為的影響。他們發(fā)展了一種高柔韌性抗震接頭樁—High Ductility Aseismatic Joint Spliced Pile (HDAJ拼接頭樁),可以用來(lái)抵抗由于地震引起的破壞。這種樁基的變形是比較大的,應(yīng)用小變形理論進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)將導(dǎo)致比較大的偏差。另一方面,工程中不斷出現(xiàn)超長(zhǎng)樁,為了增加樁基的剛度和穩(wěn)定性,各類具有接頭的樁基也越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于許多工程領(lǐng)域中。對(duì)這類具有接頭的樁基進(jìn)行大變形分析,已是工程設(shè)計(jì)的需要?？梢?jiàn),對(duì)樁基進(jìn)行系統(tǒng)的大變形靜、動(dòng)力學(xué)分析是樁基理論和設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)具有前沿性的研究?jī)?nèi)容,是樁基研究領(lǐng)域的一種新的發(fā)展趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)

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