結(jié)構(gòu)樁-土共同作用理論的研究

莫小明

（華藍(lán)設(shè)計(jì)（集團(tuán)）有限公司 廣西南寧市 530011）

1 樁土共同作用研究現(xiàn)狀及意義

巖土工程的相關(guān)科研人員對于當(dāng)前熱門的地基-基礎(chǔ)-上部結(jié)構(gòu)的共同作用展開了大量的研究與分析，并且獲得了許多的經(jīng)驗(yàn)以及科研成果。如何更好地、合理地利用共同作用理論，是當(dāng)前需要解決的重要問題之一，這對基礎(chǔ)的優(yōu)化設(shè)計(jì)尤為重要?；A(chǔ)優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于減少差異沉降，這樣能夠降低上部結(jié)構(gòu)的次應(yīng)力和降低筏板之間的應(yīng)力，減少用樁數(shù)量，提高樁筏的穩(wěn)定性能。

2 樁-土-結(jié)構(gòu)計(jì)算的模型

對于該項(xiàng)計(jì)算技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷的3段歷程：①不考慮共同作用的最簡單的計(jì)算方法；②在計(jì)算過程當(dāng)中考慮地基的共同作用；③在計(jì)算過程中將上部結(jié)構(gòu)-基礎(chǔ)-地基三者共同進(jìn)行分析計(jì)算。

2.1 不考慮共同作用

在研究剛剛進(jìn)入起步階段時(shí)，因?yàn)橛?jì)算條件較差以及相關(guān)理論處于萌芽階段，在當(dāng)時(shí)建筑設(shè)計(jì)主要利用手算，對于地基和建筑物之間根本無法計(jì)算其二者的共同作用問題。當(dāng)進(jìn)行地基的受力計(jì)算時(shí)，主要根據(jù)理論力學(xué)來計(jì)算，將整體分為地基、基礎(chǔ)以及上部結(jié)構(gòu)三個(gè)部分分別進(jìn)行獨(dú)立求解。如若使用樁基時(shí)，群樁承擔(dān)建筑物的全部載荷并且不需要考慮地基土的載荷。其滿足了二力平衡的平衡條件，但是因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)的過程當(dāng)中并沒有將地基和結(jié)構(gòu)的剛度二者相互影響而產(chǎn)生的內(nèi)力重分現(xiàn)象，所以得到的計(jì)算結(jié)果與該結(jié)構(gòu)體系具有很大的差別。

2.2 線彈性共同作用

通過相關(guān)的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，承臺能夠承受將近1/3的上部載荷。在20世紀(jì)30年代的相關(guān)設(shè)計(jì)人員曾經(jīng)利用簡易的樁土共同作用的計(jì)算模型，但是該項(xiàng)技術(shù)并沒有得到認(rèn)可。經(jīng)歷四十年，相關(guān)人員通過研究樁臺系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)：各個(gè)樁在有無承臺時(shí)承受載荷能力有著很大的差距。線彈性共同作用理論涉及了樁-土-承臺三者之間的相互作用，尤其是它著重考慮了承臺、樁以及地基三者共同分擔(dān)承重載荷。但是由于其相互作用考慮過程欠佳，所以和實(shí)際的情況有著很大的差別。

2.3 非線性彈性共同作用

針對彈性分析來看，雖然彈性分析中加入了共同作用的理論，但是在設(shè)計(jì)的過程理論與實(shí)際存在著很大的差距，在設(shè)計(jì)的過程當(dāng)中例如樁土的荷載分擔(dān)比需要的一些參數(shù)很難確定，導(dǎo)致樁與土之間的承載能力無法進(jìn)行合理的利用。在此，因?yàn)榛猎诮ㄖ碾A段其承載能力非常的有限，所以在設(shè)計(jì)的過程當(dāng)中僅僅考慮線性的共同作用對于實(shí)際過程沒有任何意義。所以在設(shè)計(jì)過程需要考慮非線性的共同作用是尤為重要的。

3 樁土共同作用分析

如果僅僅考慮樁土與地基之間的共同作用，樁土之間的影響在通常情況下是單樁某一點(diǎn)的位移和樁土載荷之間的關(guān)系，二者之間的關(guān)系能夠通過平衡方程來簡化，之后結(jié)合疊加原理，根據(jù)樁和土、樁和樁、土和土之間的影響，來得到樁土之間的關(guān)系。

對于樁土來說，可以得出以下關(guān)系：

式中：{Kp}為樁-土體系的總剛度矩陣；{R}，{W}分別代表荷載反應(yīng)力向量以及地基各節(jié)點(diǎn)的沉降向量。

針對基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，可以將荷載向量與節(jié)點(diǎn)向量分別為 {Q}與{U}，其中剛度矩陣為{K}可以得到方程為：

由關(guān)系能夠了解{U}={W}，將（1）帶入到（2）中，能夠得到基本方程為：

式中：{Ksp}為樁-土體系的總剛度矩陣；{Q}，{U}分別為荷載反力向量和地基表面沉降向量。

4 樁土共同作用理論模型計(jì)算

樁土共同作用理論模型通常采用非線性有限元樁-土模型和土彈簧樁-土模型兩種。

4.1 非線性有限元樁-土模型

本文擬采用圓形鉆孔樁來計(jì)算樁土共同作用（其中樁長15m，其中地上部分 1m，地下部分14m），ANSYS建模采用SOILD45單元來模擬樁和土。樁與土的接觸處，樁表面建立剛性目標(biāo)面TARGE170單元，土表面建立柔性接觸面CONTA173單元。各層土的物理性能參數(shù)如表1。

表1

單樁ANSYS模型如圖1。

4.2 土彈簧樁-土模型

樁采用六面體8節(jié)點(diǎn)單元SOLID45號實(shí)體單元進(jìn)行模擬，土體采用COMBIN14單元進(jìn)行模擬，采用SURF154單元來模擬樁-土接觸面表面摩擦效應(yīng)。計(jì)算時(shí)，各土層的物理性能參數(shù)同非線性有限元樁-土模型，查《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》，得土層的m值（如表 2）。

單樁ANSYS模型如圖2。

圖1 單樁模型

圖2 單樁模型

表2

4.3 兩種樁-土相互作用模型單樁計(jì)算結(jié)果分析

4.3.1 兩種樁-土模型豎向力作用下的對比

在樁頂施加100～550kN豎向力時(shí)，兩種樁-土模型樁頂位移及相應(yīng)的模型豎向剛度計(jì)算如表3。

表3

4.3.2 兩種樁-土模型橫向力作用下的對比

在樁頂施加100～550kN橫向力時(shí)，兩種樁-土模型樁頂位移及相應(yīng)的模型橫向剛度計(jì)算如表4。

表4

4.3.3 兩種樁-土模型計(jì)算結(jié)果對比

兩種樁-土模型的豎向剛度都為定值，在數(shù)值上，非線性有限元樁-土模型的豎向剛度小于土彈簧樁-土模型。非線性有限元樁-土模型的橫向剛度呈變化狀態(tài)，而土彈簧樁-土模型的橫向剛度不變，在數(shù)值上前者較大。

5 有待解決的問題

通過對樁-土共同作用的理論以及現(xiàn)狀的分析與研究，雖然有著很多的優(yōu)點(diǎn)以及實(shí)用性，但是在實(shí)際的的建筑過程中總會出現(xiàn)許多有待解決的問題。

5.1 考慮地基土的固結(jié)

在上述的介紹當(dāng)中，并沒有考慮土體的固結(jié)現(xiàn)象會對共同作用產(chǎn)生如何的影響，所以在實(shí)際的建筑工作當(dāng)中要針對地基土的固結(jié)現(xiàn)象加以重視。

5.2 控制差異沉降

在實(shí)際的建筑過程中，雖然樁基礎(chǔ)有這一定的承載能力和變形能力，但是對于目前的研究狀況而言非線性共同作用的計(jì)算手段仍然不是非常的成熟，所以在設(shè)計(jì)沉降以及強(qiáng)度雙重控制的基礎(chǔ)之上，需要考慮土體的固結(jié)現(xiàn)象，通過對地基的剛度進(jìn)行有效地調(diào)整，建立一個(gè)科學(xué)有效地一控制沉降差異為目的的計(jì)算方法。

5.3 模擬接觸問題

對于建筑的上部結(jié)構(gòu)基本均為鋼筋混凝土，其特點(diǎn)是有著很高的強(qiáng)度和剛性，但是對于地基土而言其強(qiáng)度和剛度與混凝土比較差很多，當(dāng)兩種力學(xué)性質(zhì)相差甚遠(yuǎn)的材料相接觸時(shí)應(yīng)該對于其變形協(xié)調(diào)、傳遞方式以及與力學(xué)相關(guān)的問題都應(yīng)該引起高度的重視。應(yīng)該專門對其進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，來處理該問題。

6 結(jié)束語

本文通過對樁-土共同作用的研究以及當(dāng)前現(xiàn)狀的分析，從各個(gè)角度對樁-土共同作用的優(yōu)點(diǎn)以及缺點(diǎn)進(jìn)行剖析，同時(shí)還提出了相應(yīng)的待解決的問題，這樣能夠在今后的建筑過程當(dāng)中提供良好的建議，更是為今后的樁設(shè)計(jì)過程提供了良好的基礎(chǔ)和創(chuàng)新理念。

[1]劉金礪，遲鈴泉.樁土變形計(jì)算模型和變剛度調(diào)平設(shè)計(jì)[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2000，22（2）：151～157.