花健靈 程洪波 王 琦

(哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)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(xué)船舶工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

對國內(nèi)外樁土相互作用研究現(xiàn)狀進(jìn)行了歸納總結(jié)，介紹了樁土相互作用的研究內(nèi)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(diǎn)看法。

樁土相互作用，研究現(xiàn)狀，綜述

樁基礎(chǔ)是一種歷史悠久且應(yīng)用廣泛的深基礎(chǔ)，其具有承載力高，沉降量小而均勻，抗震性能好，抗拉能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)樁基礎(chǔ)對地質(zhì)條件的適應(yīng)性強(qiáng)，容易滿足各種建筑物的不同要求，因而樁基礎(chǔ)的發(fā)展經(jīng)歷了木樁、鋼樁、混凝土樁直至現(xiàn)今的各類組合樁，一直受到工程界的青睞。

樁基礎(chǔ)的工作原理是樁基通過側(cè)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(wěn)定和變形允許量的要求，因此樁土相互作用就成為樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的問題。目前樁基礎(chǔ)工程中的熱點(diǎn)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(yīng)等，都需要對樁土相互作用進(jìn)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(xiàn)場試驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出了彈性理論法、傳遞函數(shù)法、剪切位移法和數(shù)值分析法等理論計(jì)算方法。雖然樁土相互作用理論日益發(fā)展和完善，但由于土壤力學(xué)性能復(fù)雜以及樁基的受力機(jī)理和變形特征仍然沒有完全搞清楚，導(dǎo)致這些計(jì)算方法還處于半理論半經(jīng)驗(yàn)狀態(tài)。為了修正補(bǔ)充這些理論研究成果，樁土相互作用還有進(jìn)一步研究分析的必要。

1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

樁土相互作用作為工程中重點(diǎn)問題，國內(nèi)已有很多人用不同方法對其進(jìn)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(gòu)模型模擬了在動(dòng)靜荷載作用下樁土的相互作用，分析其力學(xué)特征并得出相應(yīng)變化規(guī)律；卓楊等在文獻(xiàn)[4]中以土彈簧取代樁周土體應(yīng)用有限元方法對水平荷載作用下單樁試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬，提出了由實(shí)測試驗(yàn)數(shù)據(jù)推導(dǎo)求得土彈簧剛度的方法；李晉等[5]用有限元數(shù)值仿真研究樁土共同作用，分析了土體初始應(yīng)力和樁土接觸面模擬手段對于樁土作用體系數(shù)值計(jì)算準(zhǔn)確性的影響；文獻(xiàn)[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(jìn)行分析，研究了樁土交界面上的接觸應(yīng)力以及土參數(shù)對土側(cè)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(jìn)行分析并考慮樁側(cè)翼緣對樁土作用規(guī)律的影響，指出通過設(shè)置翼緣可以進(jìn)一步增強(qiáng)樁體抗側(cè)移能力；文獻(xiàn)[8]針對樁側(cè)土作用的影響，通過樁土作用下樁的振動(dòng)方程，探討了摩擦樁在考慮土作用下的振動(dòng)方程及樁長公式；王春等[9]通過工程實(shí)例分析了目前常用樁土模型在設(shè)計(jì)計(jì)算過程中的局限性，并提出了一個(gè)適用程序計(jì)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(kuò)張的數(shù)值模擬方法全面的分析了沉樁過程對樁周土體應(yīng)力和位移的影響，討論了自重應(yīng)力對圓孔擴(kuò)張問題的影響和沉樁隆起的一些影響因素；文獻(xiàn)[11]分析了錘和樁撞擊過程以及結(jié)束后，樁土的接觸情況；王育興等[12]運(yùn)用無限介質(zhì)中圓柱小孔和球形小孔擴(kuò)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(yīng)力分布，分析沉樁引起樁周土體土性的變化及其對土體應(yīng)力的影響，運(yùn)用水力壓裂理論推導(dǎo)出沉樁產(chǎn)生的超孔隙水壓力在沉樁后瞬時(shí)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(xiàn)[13]中通過在樁土作用下土的彈性模量、樁長和樁徑這三個(gè)因素對樁基礎(chǔ)沉降影響進(jìn)行了分析研究；王學(xué)知等[14]基于修正的彈性理論假設(shè)，考慮樁側(cè)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(jì)算樁單元的位移，運(yùn)用Mindlin法計(jì)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(xié)調(diào)方程；呂凡任等[15]基于Mindlin位移解，假設(shè)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(shù)，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(jìn)行求解。

通過以上文獻(xiàn)可以看出國內(nèi)學(xué)者從不同角度對樁基礎(chǔ)與土的相互作用進(jìn)行了研究，這些研究成果主要涵蓋以下內(nèi)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(guī)律進(jìn)行探討，探究適用于有限元計(jì)算的土體模型以及研究了樁土接觸形式和相關(guān)參數(shù)選擇對于樁土相互作用有限元分析結(jié)果準(zhǔn)確性的影響。2)在理論研究方面，基于經(jīng)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(yīng)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(jì)算樁基沉降的新的理論公式。

2 國外研究現(xiàn)狀

國外對樁土相互作用的研究已有較長時(shí)間的歷史，亦取得了豐碩的成果。S.Kücükarslan等[16]采用混合數(shù)值模型方法分析了樁土的非線性接觸并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，指出這種分析方法不僅能預(yù)測群樁的總體趨勢，也能預(yù)測對于樁基設(shè)計(jì)十分重要的樁基沉降趨勢；Mohamed A.Meguid等在文獻(xiàn)[17]中研究了在粘性土中隧道的樁土接觸問題，分析結(jié)果表明測量現(xiàn)有樁基礎(chǔ)附近的襯砌響應(yīng)可以用來估計(jì)襯砌和周圍樁基的接觸程度；Emmanouil Rovithis等[18]采用由樁的彎曲運(yùn)動(dòng)樣本數(shù)據(jù)總結(jié)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(dòng)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(xiàn)[19]研究了豎向運(yùn)動(dòng)下樁土的動(dòng)態(tài)作用問題，得出貝葉斯正則化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(BRNN)模型是一種較人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)模型更為有效的預(yù)測模型的結(jié)論；Kamran Panaghi等[20]研究了樁土接觸模型中的土壤本構(gòu)原理，發(fā)現(xiàn)Drucker-Prager土壤本構(gòu)原理在運(yùn)動(dòng)和慣性接觸中比簡單的塑性模型結(jié)果好；Sanjeev Malhotra在文獻(xiàn)[21]中對地震中樁土結(jié)構(gòu)接觸進(jìn)行探討，并指出在量化和預(yù)測縫隙形成，液化土的應(yīng)力應(yīng)變行為和準(zhǔn)確評估鋼筋混凝土界面非線性抗彎強(qiáng)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(dòng)荷載作用下的樁土接觸，提出了用來估計(jì)動(dòng)荷載下包含斜樁的群樁的樁—土—樁相互作用系數(shù)的一種非常簡單的方法；Paulus Karta Wijaya在文獻(xiàn)[23]中采用耦合了有限元方法的邊界元法來模擬樁土的動(dòng)態(tài)接觸，指出這種方法較之有限元法只需要在樁土接觸面進(jìn)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(dòng)荷載作用下樁—土—結(jié)構(gòu)的非線性接觸，發(fā)現(xiàn)對于土層的譜加速度和樁上部結(jié)構(gòu)加速度時(shí)程數(shù)值分析結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合的非常好；在文獻(xiàn)[25]中，F(xiàn)rancesca Dezi等建立了一個(gè)在分層土中的群樁三維動(dòng)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(shù)值模型對打樁沖擊和振動(dòng)引起的自由場振動(dòng)進(jìn)行預(yù)測，發(fā)現(xiàn)當(dāng)貫入深度小于土層厚度時(shí)，土層介質(zhì)對地面振動(dòng)沒有明顯的影響，然而當(dāng)貫入深度大于土層厚度時(shí)，土層介質(zhì)的影響就會(huì)變得明顯；M.M.Ali等在文獻(xiàn)[27]研究了打樁相關(guān)的公式，指出用合適的方法準(zhǔn)確的評估樁的承載力是非常重要和有價(jià)值的；文獻(xiàn)[28]研究了柴油打樁錘的自動(dòng)化能源控制系統(tǒng)，分析結(jié)果涵蓋了從首次使用的半自動(dòng)化柴油打樁錘到指明打樁發(fā)展的新方向。

在樁基沉降問題的研究中，F(xiàn).Pooya Nejad等[29]采用基于標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)數(shù)據(jù)的ANN模型研究樁基的沉降，結(jié)果表明ANN模型是樁基沉降預(yù)測實(shí)用而有力的工具；Roberto Cairo等在文獻(xiàn)[30]中對承受豎向荷載的樁群進(jìn)行了非線性分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)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(shí)，即便是接近極限荷載預(yù)測的結(jié)果與實(shí)際觀察到的結(jié)果是高度一致的。

歸納起來，國內(nèi)外學(xué)者對樁土相互作用所進(jìn)行的研究成果可匯總?cè)缦拢?)采用新的模型和方法對樁土相互作用規(guī)律進(jìn)行研究。2)總結(jié)了適用于動(dòng)荷載下樁土相互作用的研究方法、土的本構(gòu)模型以及樁土的接觸形式。3)從數(shù)值模型、經(jīng)典理論和實(shí)際應(yīng)用方面對打樁問題進(jìn)行探討。4)通過理論研究與實(shí)驗(yàn)對比研究了樁基沉降問題。

3 結(jié)語

通過對上述文獻(xiàn)的研讀，得出的主要結(jié)論如下：

1)在研究樁土相互作用問題時(shí)，很多文獻(xiàn)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(jìn)行分析。雖然部分有限元結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為符合，但應(yīng)該看到有限元方法還存在一些不足，這主要體現(xiàn)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(shè)置的不合理，不但不能真實(shí)反映樁土之間的相互作用，而且極容易出現(xiàn)計(jì)算不收斂無法得到計(jì)算結(jié)果。b.土的本構(gòu)模型。由于土的物理特性復(fù)雜，目前雖然有很多種土的本構(gòu)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(jù)具體問題選擇合適的土體本構(gòu)模型也是一個(gè)難點(diǎn)。c.軟件計(jì)算中相關(guān)參數(shù)的選取。在用有限元軟件進(jìn)行樁土相互作用分析時(shí)，需要用到的一些計(jì)算參數(shù)如樁土之間的摩擦系數(shù)、土的摩擦角、剪脹角以及粘聚力等是無法準(zhǔn)確確定的。這些參數(shù)往往通過查閱相關(guān)規(guī)范在某一范圍內(nèi)進(jìn)行選擇，帶有一定的隨意性，不同的計(jì)算參數(shù)對應(yīng)不同的結(jié)果，這就降低了有限元軟件計(jì)算結(jié)果的可信度。2)一些文獻(xiàn)對經(jīng)典理論分析法進(jìn)行了探討并在此基礎(chǔ)上提出了一些新的或修正的理論計(jì)算方法。但應(yīng)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(jìn)行深入的研究。同時(shí)這些理論公式都十分復(fù)雜，一般需要借助專業(yè)的計(jì)算軟件進(jìn)行運(yùn)算，這就不利于這些理論的實(shí)際應(yīng)用。3)部分文獻(xiàn)對現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，并得到樁土相互作用的一些規(guī)律。但是很多現(xiàn)場試驗(yàn)的結(jié)果是將研究對象變?yōu)樾”壤吣Ｐ秃蟮玫降?，這種簡化不僅無法得到樁基與深層土之間的作用規(guī)律，同時(shí)由于存在尺寸效應(yīng)也使試驗(yàn)結(jié)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(yàn)才能找出較為準(zhǔn)確的規(guī)律。基于上述三點(diǎn)認(rèn)識(shí)，本文認(rèn)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(gè)方向加以深入研究：a.進(jìn)一步完善有限元軟件計(jì)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(gòu)模型，以期相關(guān)參數(shù)的選擇更為合理以增強(qiáng)結(jié)果的可信度。b.文獻(xiàn)[19][29]提及了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(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(xué)問題，其應(yīng)用前景十分廣闊。c.將有限元法與其他方法相結(jié)合，如文獻(xiàn)[23]就采用邊界元法與有限元法相結(jié)合的方式研究樁土的動(dòng)態(tài)接觸，相信隨著樁土相互作用研究的深入會(huì)出現(xiàn)很多結(jié)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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