單樁承載能力的解析方法綜述

李金奇 蘭文改

(華北水利水電大學(xué)土木與交通學(xué)院，河南 鄭州 450045)

0 引言

對(duì)于樁基沉降的計(jì)算方法大致可分為三大類：經(jīng)驗(yàn)方法、理論計(jì)算方法和數(shù)值計(jì)算。

經(jīng)驗(yàn)方法按計(jì)算方式可分為兩類：一類是以原位測(cè)試建立樁基沉降為基礎(chǔ)，建立與原位測(cè)試數(shù)據(jù)之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系;另一類以大量試驗(yàn)與經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，對(duì)沉降的計(jì)算進(jìn)行簡(jiǎn)化。此方法計(jì)算方便簡(jiǎn)潔，但計(jì)算精度不夠。

理論計(jì)算方法較前者精度更高，在當(dāng)今學(xué)術(shù)界備受關(guān)注。其中主要包括彈性理論法、荷載傳遞法和剪切位移法等。1)彈性理論法。即假定彈性半空間體為基礎(chǔ)，通過(guò)樁—土位移的相互作用建立平衡方程，然后求解樁身的受力和位移情況，此方法雖然考慮了樁與土之間的協(xié)調(diào)條件，但由于是針對(duì)土層的假設(shè)，故難以體現(xiàn)多種因素的相互作用，具有明顯的局限性。2)荷載傳遞法。該方法結(jié)合樁長(zhǎng)、土層分布情況，在滿足精度要求下進(jìn)行離散，在彈簧節(jié)點(diǎn)處模擬樁側(cè)荷載位移關(guān)系及樁端荷載位移關(guān)系。3)剪切位移法。此方法假定樁周土體承受剪切變形且不產(chǎn)生剪切位移，認(rèn)為單樁沉降是由樁周土的剪切變形引起的。此方法可以較為方便地應(yīng)用于樁基沉降計(jì)算之中，但忽略了豎向應(yīng)力。

數(shù)值分析的方法有很多，但有限元法是數(shù)值分析法中應(yīng)用最為廣泛的一種方法。有限元是利用數(shù)值計(jì)算軟件進(jìn)行建模計(jì)算，但其建模和計(jì)算過(guò)程比較復(fù)雜，需要考慮的參數(shù)較多，難以準(zhǔn)確定義與實(shí)際相符的土體及接觸面的參數(shù)。

本文在此基礎(chǔ)上更深一步的探討國(guó)內(nèi)外對(duì)單樁承載能力解析方法的研究成果并進(jìn)行綜述與分析，并提出尚可研究的問(wèn)題。

1 研究現(xiàn)狀

在土木工程中樁基礎(chǔ)是廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)形式之一，所以沉降是樁基設(shè)計(jì)中尤為重要的關(guān)鍵性指標(biāo)，將直接影響整個(gè)工程的安全性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。目前，國(guó)內(nèi)外都已經(jīng)有大量關(guān)于單樁承載能力的解析方法的研究成果，綜述如下。

路家峰、顧國(guó)榮和楊石飛[6]首先收集了上海及其周邊地區(qū)的工程試樁資料和靜力觸探資料,用這些實(shí)際資料來(lái)判定如果用上?，F(xiàn)在規(guī)范中的應(yīng)用靜力觸探成果估算預(yù)制樁單樁極限承載力的計(jì)算方法是否精確,在確定各項(xiàng)計(jì)算參數(shù)，滿足要求的情況下,作者提出了根據(jù)不同土層計(jì)算承載力的改進(jìn)計(jì)算方法。改進(jìn)公式為：yi=U1xi1+U2xi2+…+U8xi8,其中,xi1,xi2,…,xi8分別代表不同土層的側(cè)阻力，通過(guò)上海某樁基的實(shí)例表明,改進(jìn)的計(jì)算方法所測(cè)得的極限承載力結(jié)果更加接近工程的實(shí)測(cè)值,從而提高了應(yīng)用靜力觸探成果指標(biāo)估算預(yù)制樁單樁極限承載力的計(jì)算精度。

由趙春風(fēng)和路家峰等人的研究就可以發(fā)現(xiàn)，單就靜力觸探估算一方面所根據(jù)的公式和依據(jù)不同就可以得出不同的解析公式，只要通過(guò)實(shí)際應(yīng)用可以驗(yàn)證自己的方法和公式是可行的，就可以為后期工程人員提供很好的研究?jī)r(jià)值和理論依據(jù)。

高文靜、李文菊和張富貴[7]提出了統(tǒng)一三折線荷載傳遞模型，此方法相較于前學(xué)者的研究?jī)?yōu)點(diǎn)在于同時(shí)考慮了樁側(cè)和樁端的彈性階段、塑性階段以及滑移階段這三個(gè)階段，在此基礎(chǔ)上并推導(dǎo)出了相應(yīng)的沉降曲線的解析解，最后利用此模型結(jié)果進(jìn)行陜西省的黃土溝壑區(qū)的計(jì)算和驗(yàn)證，結(jié)果表明數(shù)據(jù)吻合且誤差較小，由此可見(jiàn)此模型可以用于單樁分析或擬合土體參數(shù)之中。

謝才軍[8]首先引入一個(gè)擬合曲線的質(zhì)量指標(biāo)，此指標(biāo)是通過(guò)數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法所確定，然后在較粗差的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中并且在合適取值范圍之內(nèi)，通過(guò)一定的步長(zhǎng)來(lái)進(jìn)行最小二乘法的曲線擬合，最后得出質(zhì)量指標(biāo)的最小擬合曲線值和實(shí)測(cè)數(shù)的修正值。如果擬合后的曲線精度和可靠性均是在滿足要求的情況下便用求得的最優(yōu)擬合曲線函數(shù)外推計(jì)算出單樁承載力的預(yù)測(cè)值。

曹平、張敬一和梁發(fā)云[9]從上部土體挖除的影響和土體強(qiáng)度參數(shù)的變化這兩方面來(lái)考慮增層開(kāi)挖對(duì)土體的影響，通過(guò)Mindlin解和修正的劍橋模型來(lái)分別得到土體開(kāi)挖前后的樁周土的有效應(yīng)力和不排水的抗剪強(qiáng)度，樁側(cè)和樁端則采用雙曲線荷載傳遞模型，在考慮土體的強(qiáng)度參數(shù)變化的前提下，樁基的Q—S曲線是通過(guò)荷載傳遞法所得到的，最后在通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的試樁實(shí)例和有限元模擬的結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證得出:在開(kāi)挖寬度方面，樁基的承載力對(duì)開(kāi)挖深度更為重要和敏感。

2 研究發(fā)展方向

雖然樁基沉降所涉及到的影響因素比較多，并且準(zhǔn)確地確定沉降也較為困難，關(guān)于單樁的研究方法基本上已經(jīng)趨于成熟，所以在此單樁的基礎(chǔ)上可以有其他的方面繼續(xù)研究：

1)在實(shí)際工程之中往往存在有很多樁基的情況，不單單只有一個(gè)樁基，所以單樁的解析公式在根據(jù)實(shí)例驗(yàn)證無(wú)限地接近于實(shí)際數(shù)據(jù)之后，在此基礎(chǔ)上是否可以將單樁的解析公式運(yùn)用到群樁上面，運(yùn)用到群樁上之后是否可以在規(guī)范的范圍之內(nèi)可以正常應(yīng)用并且滿足要求。群樁在工程中應(yīng)用的比較廣泛，若能將單樁的解析公式與群樁聯(lián)系在一起將是很好的研究方向。

2)單樁在現(xiàn)在工程中應(yīng)用最廣泛的就是直徑樁，但擠擴(kuò)支盤樁比普通灌注直孔樁擁有承載力高、穩(wěn)定性好、抗震性好、沉降變形小、樁長(zhǎng)短、樁徑小、所用樁數(shù)少等優(yōu)點(diǎn)，不僅降低了材料損耗，也縮短了施工的工程工期，并且擠擴(kuò)支盤樁適用于各種土層，對(duì)地下水位沒(méi)有任何要求。直徑樁的解析公式是否可以運(yùn)用到擠擴(kuò)支盤樁上，或者在直徑樁的解析公式上有所修改之后適用于擠擴(kuò)支盤樁，此方面具有很好的研究?jī)r(jià)值。

樁基礎(chǔ)理論經(jīng)過(guò)相關(guān)學(xué)者這么多年的分析研究已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，單樁的研究方向有許許多多，因此相應(yīng)的解析公式也有很多，但是由于樁土的受力情況具有復(fù)雜性，樁基礎(chǔ)理論不能以偏概全，解析公式不能完全地應(yīng)用于各種各樣的實(shí)際工程實(shí)踐之中，若能化繁為簡(jiǎn)、整齊劃一，滿足與各種樁型比如摩擦性樁、端承樁，有一套完整又可靠的解析法很具有理論和實(shí)際意義。

3 結(jié)語(yǔ)

樁基礎(chǔ)在建筑工程、橋梁工程、港口工程以及海洋工程中都是重要的基礎(chǔ)形式。樁基必須要嚴(yán)格滿足承載力、變形和穩(wěn)定性這三個(gè)安全性準(zhǔn)則。近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)和科技的高速發(fā)展，我們對(duì)基礎(chǔ)的變形沉降性能也提出了更加嚴(yán)苛的要求標(biāo)準(zhǔn)，但我們從多年來(lái)國(guó)內(nèi)外的研究成果、發(fā)展方向可以看出，單樁承載力解析公式幾十年來(lái)取得了不少進(jìn)步，專家學(xué)者也在方方面面取得了很好的研究成果，也不斷地與數(shù)值有限元模擬相結(jié)合來(lái)驗(yàn)證其可靠性，雖然樁基沉降所涉及到的影響因素比較多，并且準(zhǔn)確地確定沉降也較為困難，相較于以前還是有了很大的改善，使后期學(xué)者可以站在巨人的肩膀上探索更好的研究方向，在一定程度上為后期工程研究人員提供了很好的研究?jī)r(jià)值和理論依據(jù)。