結構樁-土共同作用理論的研究

莫小明

（華藍設計（集團）有限公司 廣西南寧市 530011）

1 樁土共同作用研究現狀及意義

巖土工程的相關科研人員對于當前熱門的地基-基礎-上部結構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驗以及科研成果。如何更好地、合理地利用共同作用理論，是當前需要解決的重要問題之一，這對基礎的優化設計尤為重要。基礎優化設計的關鍵在于減少差異沉降，這樣能夠降低上部結構的次應力和降低筏板之間的應力，減少用樁數量，提高樁筏的穩定性能。

2 樁-土-結構計算的模型

對于該項計算技術的發展經歷的3段歷程：①不考慮共同作用的最簡單的計算方法；②在計算過程當中考慮地基的共同作用；③在計算過程中將上部結構-基礎-地基三者共同進行分析計算。

2.1 不考慮共同作用

在研究剛剛進入起步階段時，因為計算條件較差以及相關理論處于萌芽階段，在當時建筑設計主要利用手算，對于地基和建筑物之間根本無法計算其二者的共同作用問題。當進行地基的受力計算時，主要根據理論力學來計算，將整體分為地基、基礎以及上部結構三個部分分別進行獨立求解。如若使用樁基時，群樁承擔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，但是因為在設計的過程當中并沒有將地基和結構的剛度二者相互影響而產生的內力重分現象，所以得到的計算結果與該結構體系具有很大的差別。

2.2 線彈性共同作用

通過相關的實驗發現，承臺能夠承受將近1/3的上部載荷。在20世紀30年代的相關設計人員曾經利用簡易的樁土共同作用的計算模型，但是該項技術并沒有得到認可。經歷四十年，相關人員通過研究樁臺系統發現：各個樁在有無承臺時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承重載荷。但是由于其相互作用考慮過程欠佳，所以和實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，但是在設計的過程理論與實際存在著很大的差距，在設計的過程當中例如樁土的荷載分擔比需要的一些參數很難確定，導致樁與土之間的承載能力無法進行合理的利用。在此，因為基土在建筑的階段其承載能力非常的有限，所以在設計的過程當中僅僅考慮線性的共同作用對于實際過程沒有任何意義。所以在設計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的位移和樁土載荷之間的關系，二者之間的關系能夠通過平衡方程來簡化，之后結合疊加原理，根據樁和土、樁和樁、土和土之間的影響，來得到樁土之間的關系。

對于樁土來說，可以得出以下關系：

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

針對基礎結構，可以將荷載向量與節點向量分別為 {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節點單元SOLID45號實體單元進行模擬，土體采用COMBIN14單元進行模擬，采用SURF154單元來模擬樁-土接觸面表面摩擦效應。計算時，各土層的物理性能參數同非線性有限元樁-土模型，查《建筑樁基技術規范》，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算結果分析

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，兩種樁-土模型樁頂位移及相應的模型豎向剛度計算如表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，兩種樁-土模型樁頂位移及相應的模型橫向剛度計算如表4。

表4

4.3.3 兩種樁-土模型計算結果對比

兩種樁-土模型的豎向剛度都為定值，在數值上，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，而土彈簧樁-土模型的橫向剛度不變，在數值上前者較大。

5 有待解決的問題

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

5.1 考慮地基土的固結

在上述的介紹當中，并沒有考慮土體的固結現象會對共同作用產生如何的影響，所以在實際的建筑工作當中要針對地基土的固結現象加以重視。

5.2 控制差異沉降

在實際的建筑過程中，雖然樁基礎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算手段仍然不是非常的成熟，所以在設計沉降以及強度雙重控制的基礎之上，需要考慮土體的固結現象，通過對地基的剛度進行有效地調整，建立一個科學有效地一控制沉降差異為目的的計算方法。

5.3 模擬接觸問題

對于建筑的上部結構基本均為鋼筋混凝土，其特點是有著很高的強度和剛性，但是對于地基土而言其強度和剛度與混凝土比較差很多，當兩種力學性質相差甚遠的材料相接觸時應該對于其變形協調、傳遞方式以及與力學相關的問題都應該引起高度的重視。應該專門對其進行模擬實驗，來處理該問題。

6 結束語

本文通過對樁-土共同作用的研究以及當前現狀的分析，從各個角度對樁-土共同作用的優點以及缺點進行剖析，同時還提出了相應的待解決的問題，這樣能夠在今后的建筑過程當中提供良好的建議，更是為今后的樁設計過程提供了良好的基礎和創新理念。

[1]劉金礪，遲鈴泉.樁土變形計算模型和變剛度調平設計[J].巖土工程學報，2000，22（2）：151～157.