樁土相互作用研究綜述

花健靈 程洪波 王 琦

(哈爾濱工程大學船舶工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

樁土相互作用研究綜述

花健靈 程洪波 王 琦

(哈爾濱工程大學船舶工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

對國內外樁土相互作用研究現狀進行了歸納總結，介紹了樁土相互作用的研究內容和研究方法，闡述了樁土相互作用研究中存在的不足，并對今后的研究提出了幾點看法。

樁土相互作用，研究現狀，綜述

樁基礎是一種歷史悠久且應用廣泛的深基礎，其具有承載力高，沉降量小而均勻，抗震性能好，抗拉能力強等優點。同時樁基礎對地質條件的適應性強，容易滿足各種建筑物的不同要求，因而樁基礎的發展經歷了木樁、鋼樁、混凝土樁直至現今的各類組合樁，一直受到工程界的青睞。

樁基礎的工作原理是樁基通過側面與土的接觸，將上部荷載傳遞給周圍土體，從而保證建筑物滿足地基穩定和變形允許量的要求，因此樁土相互作用就成為樁基礎設計時必須考慮的問題。目前樁基礎工程中的熱點問題，如打樁對周圍土體的影響，樁基沉降及高樁碼頭的荷載響應等，都需要對樁土相互作用進行研究。為解決樁土相互作用問題，人們在理論研究、模型分析和現場試驗的基礎上提出了彈性理論法、傳遞函數法、剪切位移法和數值分析法等理論計算方法。雖然樁土相互作用理論日益發展和完善，但由于土壤力學性能復雜以及樁基的受力機理和變形特征仍然沒有完全搞清楚，導致這些計算方法還處于半理論半經驗狀態。為了修正補充這些理論研究成果，樁土相互作用還有進一步研究分析的必要。

1 國內研究現狀

樁土相互作用作為工程中重點問題，國內已有很多人用不同方法對其進行了研究。徐峰等[2]利用有限元軟件研究了在建筑荷載作用下樁土之間的相互作用方式，得到了在建筑荷載和土層作用下樁的位移量及其軸向分布；陳順偉等[3]采用ANSYS有限元軟件分析方法，利用非線性本構模型模擬了在動靜荷載作用下樁土的相互作用，分析其力學特征并得出相應變化規律；卓楊等在文獻[4]中以土彈簧取代樁周土體應用有限元方法對水平荷載作用下單樁試驗進行數值模擬，提出了由實測試驗數據推導求得土彈簧剛度的方法；李晉等[5]用有限元數值仿真研究樁土共同作用，分析了土體初始應力和樁土接觸面模擬手段對于樁土作用體系數值計算準確性的影響；文獻[6]采用三維有限元模型對堆載作用下軟土與樁的相互作用進行分析，研究了樁土交界面上的接觸應力以及土參數對土側壓力的影響；薛樺[7]通過建立大直徑薄壁鋼管樁三維有限差分模型，對水平推力作用下的大直徑單樁的樁土作用進行分析并考慮樁側翼緣對樁土作用規律的影響，指出通過設置翼緣可以進一步增強樁體抗側移能力；文獻[8]針對樁側土作用的影響，通過樁土作用下樁的振動方程，探討了摩擦樁在考慮土作用下的振動方程及樁長公式；王春等[9]通過工程實例分析了目前常用樁土模型在設計計算過程中的局限性，并提出了一個適用程序計算的樁土作用模型。

對于打樁問題，徐歡等[10]利用有限元軟件通過圓孔擴張的數值模擬方法全面的分析了沉樁過程對樁周土體應力和位移的影響，討論了自重應力對圓孔擴張問題的影響和沉樁隆起的一些影響因素；文獻[11]分析了錘和樁撞擊過程以及結束后，樁土的接觸情況；王育興等[12]運用無限介質中圓柱小孔和球形小孔擴張理論分別模擬飽和粘性土中打入樁的沉樁過程，求出沉樁過程中樁周土體的應力分布，分析沉樁引起樁周土體土性的變化及其對土體應力的影響，運用水力壓裂理論推導出沉樁產生的超孔隙水壓力在沉樁后瞬時沿樁身徑向和豎向的分布。

樁基沉降也包含樁土作用問題。孫金柱等在文獻[13]中通過在樁土作用下土的彈性模量、樁長和樁徑這三個因素對樁基礎沉降影響進行了分析研究；王學知等[14]基于修正的彈性理論假設，考慮樁側樁土接觸面滑移與樁端土體的非線性變形特征，采用虛功原理計算樁單元的位移，運用Mindlin法計算土體的沉降，通過選擇合理樁土界面變形模型，建立樁土位移廣義協調方程；呂凡任等[15]基于Mindlin位移解，假設樁身為完全彈性，外荷載作用下樁土作用有相對位移，樁土之間的摩擦力是相對位移的函數，考慮樁周土體的塑性建立方程組，采用有限差分方法對直樁沉降進行求解。

通過以上文獻可以看出國內學者從不同角度對樁基礎與土的相互作用進行了研究，這些研究成果主要涵蓋以下內容：

1)使用有限元分析軟件對不同荷載作用下樁土相互作用規律進行探討，探究適用于有限元計算的土體模型以及研究了樁土接觸形式和相關參數選擇對于樁土相互作用有限元分析結果準確性的影響。2)在理論研究方面，基于經典的樁土相互作用理論提出了新的模型或公式。3)研究了打樁過程中的樁土相互作用，探討了打樁對樁周土體應力、位移以及孔隙水壓力的影響。4)基于樁土相互作用分析了樁基沉降的影響因素，提出了計算樁基沉降的新的理論公式。

2 國外研究現狀

國外對樁土相互作用的研究已有較長時間的歷史，亦取得了豐碩的成果。S.Kücükarslan等[16]采用混合數值模型方法分析了樁土的非線性接觸并與實驗結果進行對比，指出這種分析方法不僅能預測群樁的總體趨勢，也能預測對于樁基設計十分重要的樁基沉降趨勢；Mohamed A.Meguid等在文獻[17]中研究了在粘性土中隧道的樁土接觸問題，分析結果表明測量現有樁基礎附近的襯砌響應可以用來估計襯砌和周圍樁基的接觸程度；Emmanouil Rovithis等[18]采用由樁的彎曲運動樣本數據總結出的反演p—y曲線研究地震作用下的樁土接觸，指出基于p—y曲線的動力文克爾地基梁模型(BDWF)是研究地震作用下的樁土接觸一種較好的方式；文獻[19]研究了豎向運動下樁土的動態作用問題，得出貝葉斯正則化神經網絡(BRNN)模型是一種較人工神經網絡(ANN)模型更為有效的預測模型的結論；Kamran Panaghi等[20]研究了樁土接觸模型中的土壤本構原理，發現Drucker-Prager土壤本構原理在運動和慣性接觸中比簡單的塑性模型結果好；Sanjeev Malhotra在文獻[21]中對地震中樁土結構接觸進行探討，并指出在量化和預測縫隙形成，液化土的應力應變行為和準確評估鋼筋混凝土界面非線性抗彎強度方面還需要做深入研究；Hasan Ghasemzadeh等[22]研究了包含斜樁的群樁在動荷載作用下的樁土接觸，提出了用來估計動荷載下包含斜樁的群樁的樁—土—樁相互作用系數的一種非常簡單的方法；Paulus Karta Wijaya在文獻[23]中采用耦合了有限元方法的邊界元法來模擬樁土的動態接觸，指出這種方法較之有限元法只需要在樁土接觸面進行離散化并且該方法的自由度也比有限元法要低得多，所以這種方法比有限元法更有效；S.N.Moghaddas Tafreshi[24]用自由場土壤分析和文克爾地基梁法來解決動荷載作用下樁—土—結構的非線性接觸，發現對于土層的譜加速度和樁上部結構加速度時程數值分析結果和實驗結果吻合的非常好；在文獻[25]中，Francesca Dezi等建立了一個在分層土中的群樁三維動力接觸分析模型，指出這種方法適用于任意群樁和土壤剖面。

對于打樁問題的研究，H.R.Masoumi等[26]用數值模型對打樁沖擊和振動引起的自由場振動進行預測，發現當貫入深度小于土層厚度時，土層介質對地面振動沒有明顯的影響，然而當貫入深度大于土層厚度時，土層介質的影響就會變得明顯；M.M.Ali等在文獻[27]研究了打樁相關的公式，指出用合適的方法準確的評估樁的承載力是非常重要和有價值的；文獻[28]研究了柴油打樁錘的自動化能源控制系統，分析結果涵蓋了從首次使用的半自動化柴油打樁錘到指明打樁發展的新方向。

在樁基沉降問題的研究中，F.Pooya Nejad等[29]采用基于標準貫入試驗數據的ANN模型研究樁基的沉降，結果表明ANN模型是樁基沉降預測實用而有力的工具；Roberto Cairo等在文獻[30]中對承受豎向荷載的樁群進行了非線性分析，結果發現當單樁的荷載測試是有效的并且群樁的破壞荷載與單樁接近時，即便是接近極限荷載預測的結果與實際觀察到的結果是高度一致的。

歸納起來，國內外學者對樁土相互作用所進行的研究成果可匯總如下：1)采用新的模型和方法對樁土相互作用規律進行研究。2)總結了適用于動荷載下樁土相互作用的研究方法、土的本構模型以及樁土的接觸形式。3)從數值模型、經典理論和實際應用方面對打樁問題進行探討。4)通過理論研究與實驗對比研究了樁基沉降問題。

3 結語

通過對上述文獻的研讀，得出的主要結論如下：

1)在研究樁土相互作用問題時，很多文獻采用有限元方法利用有限元軟件ANSYS，ABAQUS等對樁土相互作用進行分析。雖然部分有限元結果與實驗結果較為符合，但應該看到有限元方法還存在一些不足，這主要體現在：a.接觸問題。樁土接觸是典型的非線性問題，一旦在軟件中設置的不合理，不但不能真實反映樁土之間的相互作用，而且極容易出現計算不收斂無法得到計算結果。b.土的本構模型。由于土的物理特性復雜，目前雖然有很多種土的本構模型，如摩爾庫侖模型、Drucker-Prager模型、劍橋模型等，但沒有一種模型可以描述土的全部特性，所以如何根據具體問題選擇合適的土體本構模型也是一個難點。c.軟件計算中相關參數的選取。在用有限元軟件進行樁土相互作用分析時，需要用到的一些計算參數如樁土之間的摩擦系數、土的摩擦角、剪脹角以及粘聚力等是無法準確確定的。這些參數往往通過查閱相關規范在某一范圍內進行選擇，帶有一定的隨意性，不同的計算參數對應不同的結果，這就降低了有限元軟件計算結果的可信度。2)一些文獻對經典理論分析法進行了探討并在此基礎上提出了一些新的或修正的理論計算方法。但應該看到這些樁土相互作用理論很多是基于單樁與土的作用提出的，如要推廣到群樁還需要進行深入的研究。同時這些理論公式都十分復雜，一般需要借助專業的計算軟件進行運算，這就不利于這些理論的實際應用。3)部分文獻對現場試驗結果進行分析，并得到樁土相互作用的一些規律。但是很多現場試驗的結果是將研究對象變為小比例尺模型后得到的，這種簡化不僅無法得到樁基與深層土之間的作用規律，同時由于存在尺寸效應也使試驗結果的可信度降低。即使模型尺寸與研究對象完全相同，由于影響樁土相互作用的因素很多，需要多次試驗才能找出較為準確的規律。基于上述三點認識，本文認為樁土相互作用研究還有很多有待完善之處，今后可能沿以下幾個方向加以深入研究：a.進一步完善有限元軟件計算方法。找到較為合理的樁土接觸方式，研究適用于樁土相互作用的土的本構模型，以期相關參數的選擇更為合理以增強結果的可信度。b.文獻[19][29]提及了人工神經網絡(ANN)，這種方法能夠很好的處理類似樁土相互作用的非線性力學問題，其應用前景十分廣闊。c.將有限元法與其他方法相結合，如文獻[23]就采用邊界元法與有限元法相結合的方式研究樁土的動態接觸，相信隨著樁土相互作用研究的深入會出現很多結合有限元法的新方法。

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Review of research on pile-soil interaction

HUA Jian-ling CHENG Hong-bo WANG Qi

(CollegeofShipbuildEngineering,HarbinEngineeringUniversity,Harbin150001,China)

The research status of pile-soil interaction at home and abroad is summarized. Research contents and research methods of pile-soil interaction are introduced. Shortcomings in pile-soil interaction research are also stated. Finally, several viewpoints for the further research are put forward.

pile-soil interaction， research status， review

1009-6825(2014)11-0073-03

2014-02-08

花健靈(1960- )，女，碩士，副教授； 程洪波(1988- )，男，在讀碩士； 王 琦(1988- )，男，在讀碩士

TU473.1

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