桩土相互作用研究综述

花健灵 程洪波 王 琦

(哈尔滨工程大学船舶工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001)

桩土相互作用研究综述

花健灵 程洪波 王 琦

(哈尔滨工程大学船舶工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001)

对国内外桩土相互作用研究现状进行了归纳总结，介绍了桩土相互作用的研究内容和研究方法，阐述了桩土相互作用研究中存在的不足，并对今后的研究提出了几点看法。

桩土相互作用，研究现状，综述

桩基础是一种历史悠久且应用广泛的深基础，其具有承载力高，沉降量小而均匀，抗震性能好，抗拉能力强等优点。同时桩基础对地质条件的适应性强，容易满足各种建筑物的不同要求，因而桩基础的发展经历了木桩、钢桩、混凝土桩直至现今的各类组合桩，一直受到工程界的青睐。

桩基础的工作原理是桩基通过侧面与土的接触，将上部荷载传递给周围土体，从而保证建筑物满足地基稳定和变形允许量的要求，因此桩土相互作用就成为桩基础设计时必须考虑的问题。目前桩基础工程中的热点问题，如打桩对周围土体的影响，桩基沉降及高桩码头的荷载响应等，都需要对桩土相互作用进行研究。为解决桩土相互作用问题，人们在理论研究、模型分析和现场试验的基础上提出了弹性理论法、传递函数法、剪切位移法和数值分析法等理论计算方法。虽然桩土相互作用理论日益发展和完善，但由于土壤力学性能复杂以及桩基的受力机理和变形特征仍然没有完全搞清楚，导致这些计算方法还处于半理论半经验状态。为了修正补充这些理论研究成果，桩土相互作用还有进一步研究分析的必要。

1 国内研究现状

桩土相互作用作为工程中重点问题，国内已有很多人用不同方法对其进行了研究。徐峰等[2]利用有限元软件研究了在建筑荷载作用下桩土之间的相互作用方式，得到了在建筑荷载和土层作用下桩的位移量及其轴向分布；陈顺伟等[3]采用ANSYS有限元软件分析方法，利用非线性本构模型模拟了在动静荷载作用下桩土的相互作用，分析其力学特征并得出相应变化规律；卓杨等在文献[4]中以土弹簧取代桩周土体应用有限元方法对水平荷载作用下单桩试验进行数值模拟，提出了由实测试验数据推导求得土弹簧刚度的方法；李晋等[5]用有限元数值仿真研究桩土共同作用，分析了土体初始应力和桩土接触面模拟手段对于桩土作用体系数值计算准确性的影响；文献[6]采用三维有限元模型对堆载作用下软土与桩的相互作用进行分析，研究了桩土交界面上的接触应力以及土参数对土侧压力的影响；薛桦[7]通过建立大直径薄壁钢管桩三维有限差分模型，对水平推力作用下的大直径单桩的桩土作用进行分析并考虑桩侧翼缘对桩土作用规律的影响，指出通过设置翼缘可以进一步增强桩体抗侧移能力；文献[8]针对桩侧土作用的影响，通过桩土作用下桩的振动方程，探讨了摩擦桩在考虑土作用下的振动方程及桩长公式；王春等[9]通过工程实例分析了目前常用桩土模型在设计计算过程中的局限性，并提出了一个适用程序计算的桩土作用模型。

对于打桩问题，徐欢等[10]利用有限元软件通过圆孔扩张的数值模拟方法全面的分析了沉桩过程对桩周土体应力和位移的影响，讨论了自重应力对圆孔扩张问题的影响和沉桩隆起的一些影响因素；文献[11]分析了锤和桩撞击过程以及结束后，桩土的接触情况；王育兴等[12]运用无限介质中圆柱小孔和球形小孔扩张理论分别模拟饱和粘性土中打入桩的沉桩过程，求出沉桩过程中桩周土体的应力分布，分析沉桩引起桩周土体土性的变化及其对土体应力的影响，运用水力压裂理论推导出沉桩产生的超孔隙水压力在沉桩后瞬时沿桩身径向和竖向的分布。

桩基沉降也包含桩土作用问题。孙金柱等在文献[13]中通过在桩土作用下土的弹性模量、桩长和桩径这三个因素对桩基础沉降影响进行了分析研究；王学知等[14]基于修正的弹性理论假设，考虑桩侧桩土接触面滑移与桩端土体的非线性变形特征，采用虚功原理计算桩单元的位移，运用Mindlin法计算土体的沉降，通过选择合理桩土界面变形模型，建立桩土位移广义协调方程；吕凡任等[15]基于Mindlin位移解，假设桩身为完全弹性，外荷载作用下桩土作用有相对位移，桩土之间的摩擦力是相对位移的函数，考虑桩周土体的塑性建立方程组，采用有限差分方法对直桩沉降进行求解。

通过以上文献可以看出国内学者从不同角度对桩基础与土的相互作用进行了研究，这些研究成果主要涵盖以下内容：

1)使用有限元分析软件对不同荷载作用下桩土相互作用规律进行探讨，探究适用于有限元计算的土体模型以及研究了桩土接触形式和相关参数选择对于桩土相互作用有限元分析结果准确性的影响。2)在理论研究方面，基于经典的桩土相互作用理论提出了新的模型或公式。3)研究了打桩过程中的桩土相互作用，探讨了打桩对桩周土体应力、位移以及孔隙水压力的影响。4)基于桩土相互作用分析了桩基沉降的影响因素，提出了计算桩基沉降的新的理论公式。

2 国外研究现状

国外对桩土相互作用的研究已有较长时间的历史，亦取得了丰硕的成果。S.Kücükarslan等[16]采用混合数值模型方法分析了桩土的非线性接触并与实验结果进行对比，指出这种分析方法不仅能预测群桩的总体趋势，也能预测对于桩基设计十分重要的桩基沉降趋势；Mohamed A.Meguid等在文献[17]中研究了在粘性土中隧道的桩土接触问题，分析结果表明测量现有桩基础附近的衬砌响应可以用来估计衬砌和周围桩基的接触程度；Emmanouil Rovithis等[18]采用由桩的弯曲运动样本数据总结出的反演p—y曲线研究地震作用下的桩土接触，指出基于p—y曲线的动力文克尔地基梁模型(BDWF)是研究地震作用下的桩土接触一种较好的方式；文献[19]研究了竖向运动下桩土的动态作用问题，得出贝叶斯正则化神经网络(BRNN)模型是一种较人工神经网络(ANN)模型更为有效的预测模型的结论；Kamran Panaghi等[20]研究了桩土接触模型中的土壤本构原理，发现Drucker-Prager土壤本构原理在运动和惯性接触中比简单的塑性模型结果好；Sanjeev Malhotra在文献[21]中对地震中桩土结构接触进行探讨，并指出在量化和预测缝隙形成，液化土的应力应变行为和准确评估钢筋混凝土界面非线性抗弯强度方面还需要做深入研究；Hasan Ghasemzadeh等[22]研究了包含斜桩的群桩在动荷载作用下的桩土接触，提出了用来估计动荷载下包含斜桩的群桩的桩—土—桩相互作用系数的一种非常简单的方法；Paulus Karta Wijaya在文献[23]中采用耦合了有限元方法的边界元法来模拟桩土的动态接触，指出这种方法较之有限元法只需要在桩土接触面进行离散化并且该方法的自由度也比有限元法要低得多，所以这种方法比有限元法更有效；S.N.Moghaddas Tafreshi[24]用自由场土壤分析和文克尔地基梁法来解决动荷载作用下桩—土—结构的非线性接触，发现对于土层的谱加速度和桩上部结构加速度时程数值分析结果和实验结果吻合的非常好；在文献[25]中，Francesca Dezi等建立了一个在分层土中的群桩三维动力接触分析模型，指出这种方法适用于任意群桩和土壤剖面。

对于打桩问题的研究，H.R.Masoumi等[26]用数值模型对打桩冲击和振动引起的自由场振动进行预测，发现当贯入深度小于土层厚度时，土层介质对地面振动没有明显的影响，然而当贯入深度大于土层厚度时，土层介质的影响就会变得明显；M.M.Ali等在文献[27]研究了打桩相关的公式，指出用合适的方法准确的评估桩的承载力是非常重要和有价值的；文献[28]研究了柴油打桩锤的自动化能源控制系统，分析结果涵盖了从首次使用的半自动化柴油打桩锤到指明打桩发展的新方向。

在桩基沉降问题的研究中，F.Pooya Nejad等[29]采用基于标准贯入试验数据的ANN模型研究桩基的沉降，结果表明ANN模型是桩基沉降预测实用而有力的工具；Roberto Cairo等在文献[30]中对承受竖向荷载的桩群进行了非线性分析，结果发现当单桩的荷载测试是有效的并且群桩的破坏荷载与单桩接近时，即便是接近极限荷载预测的结果与实际观察到的结果是高度一致的。

归纳起来，国内外学者对桩土相互作用所进行的研究成果可汇总如下：1)采用新的模型和方法对桩土相互作用规律进行研究。2)总结了适用于动荷载下桩土相互作用的研究方法、土的本构模型以及桩土的接触形式。3)从数值模型、经典理论和实际应用方面对打桩问题进行探讨。4)通过理论研究与实验对比研究了桩基沉降问题。

3 结语

通过对上述文献的研读，得出的主要结论如下：

1)在研究桩土相互作用问题时，很多文献采用有限元方法利用有限元软件ANSYS，ABAQUS等对桩土相互作用进行分析。虽然部分有限元结果与实验结果较为符合，但应该看到有限元方法还存在一些不足，这主要体现在：a.接触问题。桩土接触是典型的非线性问题，一旦在软件中设置的不合理，不但不能真实反映桩土之间的相互作用，而且极容易出现计算不收敛无法得到计算结果。b.土的本构模型。由于土的物理特性复杂，目前虽然有很多种土的本构模型，如摩尔库仑模型、Drucker-Prager模型、剑桥模型等，但没有一种模型可以描述土的全部特性，所以如何根据具体问题选择合适的土体本构模型也是一个难点。c.软件计算中相关参数的选取。在用有限元软件进行桩土相互作用分析时，需要用到的一些计算参数如桩土之间的摩擦系数、土的摩擦角、剪胀角以及粘聚力等是无法准确确定的。这些参数往往通过查阅相关规范在某一范围内进行选择，带有一定的随意性，不同的计算参数对应不同的结果，这就降低了有限元软件计算结果的可信度。2)一些文献对经典理论分析法进行了探讨并在此基础上提出了一些新的或修正的理论计算方法。但应该看到这些桩土相互作用理论很多是基于单桩与土的作用提出的，如要推广到群桩还需要进行深入的研究。同时这些理论公式都十分复杂，一般需要借助专业的计算软件进行运算，这就不利于这些理论的实际应用。3)部分文献对现场试验结果进行分析，并得到桩土相互作用的一些规律。但是很多现场试验的结果是将研究对象变为小比例尺模型后得到的，这种简化不仅无法得到桩基与深层土之间的作用规律，同时由于存在尺寸效应也使试验结果的可信度降低。即使模型尺寸与研究对象完全相同，由于影响桩土相互作用的因素很多，需要多次试验才能找出较为准确的规律。基于上述三点认识，本文认为桩土相互作用研究还有很多有待完善之处，今后可能沿以下几个方向加以深入研究：a.进一步完善有限元软件计算方法。找到较为合理的桩土接触方式，研究适用于桩土相互作用的土的本构模型，以期相关参数的选择更为合理以增强结果的可信度。b.文献[19][29]提及了人工神经网络(ANN)，这种方法能够很好的处理类似桩土相互作用的非线性力学问题，其应用前景十分广阔。c.将有限元法与其他方法相结合，如文献[23]就采用边界元法与有限元法相结合的方式研究桩土的动态接触，相信随着桩土相互作用研究的深入会出现很多结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

花健灵(1960- )，女，硕士，副教授； 程洪波(1988- )，男，在读硕士； 王 琦(1988- )，男，在读硕士

TU473.1

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