桩基研究难点与方法分析

徐学凯 俞发乾

摘 要: 就桩基研究工作中的难点与方法进行分析,主要探讨了桩基的三种主要研究方法,即连续介质力学方法、地基响应法和数值计算方法,最后分析了研究桩基大变形的意义。

关键词: 桩基;力学方法;地基响应法;数值计算方法

中图分类号: TU473

1 桩基研究的难点

虽然桩基在工程实践中得到广泛的应用,但是相应的设计理论、研究方法却存在一定的滞后。这种滞后是与桩基的特点密切相关的。其一,与结构工程中的其他领域相比,桩基所处的环境更加的复杂。由于土层的形成和堆积过程的复杂,使得土层的力学特性具有较大的离散性,很难准确的表达土层的力学特性。其二,由于承台、桩、土的相互作用,桩基础的载荷传递与变形过程属于复杂的非线性力学系统。桩基在各种静载荷与动载荷作用下,其载荷传递机理和桩基的破坏模式与桩基本身的材料强度、抗弯刚度,桩侧土体的抗力、摩阻力、桩端土体的承载能力以及施加载荷的方式等因素都密切相关。这些都给桩基的设计和施工带来很多困难。

2 桩基的研究方法

经过半个多世纪的研究,形成了研究桩基的三种主要方法:连续介质力学方法、地基响应法和数值计算方法。

2.1 连续介质力学方法

连续介质力学方法是基于连续介质理论和框架来建立桩基力学行为的数学模型,其中,桩和土的材料可以是弹性、粘弹性和弹塑性材料等。由于这种方法概念清楚、理论性强,得到比较广泛的认同,因而比较流行。Tajimi在1969年首先采用连续体模型来模拟土体,以后众多学者对这一理论方法进行了进一步的研究。比如,Hikmet(2006)将土体看成无限延伸的土体片,研究了在组合载荷作用下,半刚性连接和部分埋入桩的自由振动。在求解桩土相互作用的问题时,连续介质模型是比较合理和有效的,常用于求解粘弹性问题、弹塑性问题等,但较难得到解析解或半解析解。另外,近年来随着饱和土研究的深入,饱和、非饱和土中桩基力学行为的研究也受到越来越多的关注。

2.2 地基响应法

这种方法是将对上桩的作用力表述为一系列的方程,包括各种广义Winkler等地基模型、地基反力系数法等。

Winkler地基模型是把桩周的土体离散为一个个单独作用的弹簧,某一弹簧受力时,仅该弹簧发生与作用力成正比例的压缩而和其他弹簧无关。这种把地基看作非连续介质且地基反力系数在整个位移过程中均为常数的假定虽和实际不符,但和目前较复杂的一些其它解析方法相比较,它在许多情况(例如当基础的容许位移值较小时)仍可得出接近实际的结果。

Matlock和Reese考虑到土体抗力集度P的非线性特点提出了反力一挠度曲线法,即P-Y曲线法,并被列入美国API规范。P-Y曲线是指在水平力作用下,地面下某个深度z处土反力P与该点桩的挠度Y之间的关系曲线,它综合反映了桩周土体的非线性、桩的刚度和外荷作用的性质等特点。P-Y曲线能如实地把地基的非弹性性质,及由地表开始的进行性破坏现象反映到桩的计算中。P-Y曲线法原理简单、计算可信度较高、实用范围较广,特别是对于复杂工况下桩基力学特性的研究,有较大的用途。但是由于其试验需要高昂的成本,故只能在部分重大工程中大规模的应用。

2.3 数值计算方法

由于桩基力学行为的分析十分复杂,直接得到解析解或是半解析解是很困难的。因此常常采用数值计算方法来模拟桩基的力学特性,其研究内容和成果也是桩基研究中内容最为丰富的一部分。主要的数值计算方法,包括有限元方法、样条有限元方法、边界元方法和它们相组合得到的混合方法等。

在上述三类方法中,在求解桩——土相互作用问题时,连续介质模型是比较合理和有效的。此类方法的公式直接,可应用到弹塑性问题、粘弹性问题及稳定状态和瞬时地下水渗透问题等,但是一般在理论分析、数值模拟等方面比较困难,特别是在分析由几何和材料引起的非线性问题时,具有更高的难度。地基响应法,由于是通过试验得到土对桩的作用的力,即P-Y或Q-S曲线,因而能够较好地刻画桩——土系统的实际工况条件。可以得出在轴向荷载分布、沉陷值、弯矩和剪力等方面令人较满意的结果。但是由于其高昂成本只在极少数重大工程中广泛使用。随着科技的发展,计算机容量和速度的极大提高,数值计算方法特别是有限元法在桩基研究中起着越来越大的作用。但是由于有限元法计算工作量大,耗时多,成本高。将边界元法或其他方法和有限元法联合形成的祸合方法,可以发挥它们各自的优点,将可能是一种比较有效的方法。但是,对于复杂的桩——土祸合系统 ,特别是非线性系统而言,寻找精度高、计算量小、收敛速度快、稳定性好的数值方法仍然是值得大力发展的研究内容。

3 分析桩基大变形的意义

2002年,Miura等在其综述报告中,也列举了许多桩基的破坏形式。他们都认为桩基的这些破坏形式往往是在地震中因土体的液化导致的横向地面移动、惯性力的影响或者强烈地震运动过程中的横向地面移动等造成的,这种地面的横向位移往往很大,采用小变形理论来描述桩基的变形过程会带来很大的误差。同时,随着桩基施工技术的发展,各种长桩、超长桩、海洋平台桩等新型桩基在工程实践中越来越多的使用,也为桩基静、动力学分析带来了新的挑战,经典的桩基小变形理论已经远远不能满足工程的需要,更精确的桩基大变形分析也越来越受到研究人员的关注。因此,需要对桩基的大变形过程进行详细的分析,以提供桩基设计更适当的理论基础。关于桩基的大变形分析和非线性分析,已有一些工作。

最近几年Miyasaka,Miura和Izumi等人研究了因地震液化导致的横向地面移动对桩基础及其静动力学行为的影响。他们发展了一种高柔韧性抗震接头桩—High Ductility Aseismatic Joint Spliced Pile (HDAJ拼接头桩),可以用来抵抗由于地震引起的破坏。这种桩基的变形是比较大的,应用小变形理论进行分析和设计将导致比较大的偏差。另一方面,工程中不断出现超长桩,为了增加桩基的刚度和稳定性,各类具有接头的桩基也越来越广泛地应用于许多工程领域中。对这类具有接头的桩基进行大变形分析,已是工程设计的需要。可见,对桩基进行系统的大变形静、动力学分析是桩基理论和设计中的一项具有前沿性的研究内容,是桩基研究领域的一种新的发展趋势。

参考文献

[1]@ 吴大志,蔡袁强,徐长节.瞬态扭矩作用下横观各向同性饱和地基的响应[J].浙江大学学报(工学版),2007,(1).

[2]@周飞飞.桩基人工开挖及支护的数值模拟[J].科技信息(学术研究),2008,(21).