關(guān)鍵詞：樁基礎(chǔ) 沉降 計(jì)算方法 評(píng)述

 

樁基礎(chǔ)在工程建筑中是一種很常用的基礎(chǔ)，在樁基設(shè)計(jì)中，最主要的是確定豎樁的承載力與沉降，盡管在過(guò)去漫長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，從事巖土工程的研究者和工程師們，為了精確計(jì)算和預(yù)測(cè)樁基的沉降，曾進(jìn)行過(guò)大量的研究，提出過(guò)一系列的計(jì)算樁基沉降的方法，但時(shí)至今日，對(duì)樁基沉降的預(yù)估仍然不熊充分地反映真實(shí)的情況。

 

1.1荷載傳遞分析法 

荷載傳遞分析法是單樁荷載一變形分析最常用的一種方法，這種方法是從規(guī)定的荷載變形傳遞方式來(lái)計(jì)算樁對(duì)荷載的反應(yīng)。其基本的概念是:將樁離散為一系列等長(zhǎng)的樁段(彈性單元)，每一樁段與土之間的聯(lián)系用非線性彈簧來(lái)模擬，樁端處土體也用非線性彈簧與樁端聯(lián)系。 

在運(yùn)用荷載傳遞曲線中，該法假定任意點(diǎn)的樁位移僅與那一點(diǎn)的摩阻力有關(guān)，而與樁其它位置的摩阻力無(wú)關(guān)，故沒(méi)有考慮土體的連續(xù)性，所以對(duì)分析樁群的荷載沉降關(guān)系是不合適的。

為了獲得現(xiàn)場(chǎng)的荷載傳遞曲線，需要安裝許多的儀器進(jìn)行樁的荷載試驗(yàn)，且試驗(yàn)成果推廣到另外場(chǎng)地并不一定是完全成功的。

 

1.2剪切變形傳遞法 

Cooke(1974)提出了摩擦樁荷載傳遞的物理模型，該模型為了簡(jiǎn)化計(jì)算，作了一系列假定并認(rèn)為:當(dāng)荷載水平p/pu較小時(shí)，樁在軸向荷載尸作用下沉降較小，樁土之間不產(chǎn)生相對(duì)位移，亦即樁沉降時(shí)周圍土體亦隨之產(chǎn)生剪切變形，剪應(yīng)力從樁側(cè)表面沿徑向向四周擴(kuò)散到周圍土體中;摩擦樁一般在工作荷載作用時(shí)，樁端承擔(dān)的荷載比例較小，沉降主要是由樁側(cè)傳遞的荷載所引起。 

 

1.3彈性理論法 

彈性理論法是對(duì)樁土系統(tǒng)用彈性理論方法來(lái)研究單樁在豎向荷載作用下樁土之間的作用力與位移之間的關(guān)系，進(jìn)而得到樁對(duì)土，土對(duì)樁，樁對(duì)樁以及土對(duì)土的共同作用模式。以彈性理論法為根據(jù)發(fā)展出一些計(jì)算單樁沉降的方法，這些解法雖略有不同，但一般都基于樁的位移與臨近土位移的協(xié)調(diào)條件，為此，借助于軸向荷載下樁身的壓縮求得樁的位移，又應(yīng)用荷載作用于半無(wú)限體內(nèi)某一點(diǎn)所產(chǎn)生的Mindlin位移解求得樁周土體的位移。由于彈性理論假定樁土界面普遍滿足彈性即界面不發(fā)生滑移這一條件，沿界面諸相鄰點(diǎn)的樁位移應(yīng)與土位移相等，由此即可求得樁身摩阻力和樁端阻力的分布，并進(jìn)而求得樁的位移分布。 

 

1.4單向壓縮分層總和法 

單向壓縮分層總和法就是根據(jù)各土層的參數(shù)分別計(jì)算各層的沉降后總和求得總的沉降量。這種淺基礎(chǔ)的最終沉降量的常用計(jì)算方法在樁基設(shè)計(jì)中，主要用于大直徑的的單樁(墩)，考慮到其樁側(cè)阻力的荷載分擔(dān)比相對(duì)較小，樁端底面積大且其荷載分擔(dān)比也較大，因此可仿照擴(kuò)展基礎(chǔ)采用單向壓縮分層總和法計(jì)算沉降。當(dāng)用以計(jì)算深基沉降的其它條件相同時(shí)，用明氏應(yīng)力分布求得的最終沉降與實(shí)側(cè)推算結(jié)果較為接近;而用布氏公式算得的值要比實(shí)測(cè)值大1/2至1/3，并且給出的實(shí)用應(yīng)辦計(jì)算公式及附加應(yīng)力系數(shù)表格。用分層總和法分析單樁沉降時(shí)，要考慮壓縮層的計(jì)算深度，可參照文獻(xiàn)[17][20]的有關(guān)規(guī)定確定，或按照一些實(shí)甩的經(jīng)驗(yàn)公式確定。

 

1.5有限單元法

有限單元法分析計(jì)算群樁時(shí)通常把問(wèn)題簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問(wèn)題或軸對(duì)稱問(wèn)題。兩種問(wèn)題中都把筏和土劃分成有限單元，可以方便地研究土和筏的非線性行為。該方法還能考慮土的固結(jié)，能夠計(jì)算沉降與時(shí)間的關(guān)系以及由此而引起的樁頂荷載重分布。研究表明，有限單元法的計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果非常相似。由于受計(jì)算參數(shù)較多，三維計(jì)算要求內(nèi)存大，計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)，其使用范圍受到影響。不過(guò)，作為探索和校核實(shí)用簡(jiǎn)化方法的工具，有限單元法仍有著重要的實(shí)際意義。從長(zhǎng)遠(yuǎn)地來(lái)看，它仍然是計(jì)算群樁沉降的一種趨勢(shì)和正確方向。由于樁土作用的復(fù)雜性和單樁沉降理論仍在進(jìn)一步完善中，為了方便和輔助樁基設(shè)計(jì)，產(chǎn)生了一些簡(jiǎn)化方法，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，大直徑樁、嵌巖樁沉降計(jì)算法等。這些方法現(xiàn)在尚處于討論驗(yàn)證階段，其精確性受到較大限制。因此，這些方法存在較大局限性。

 

1.6實(shí)體深基礎(chǔ)(等代墩基)法 

實(shí)體深基礎(chǔ)法是現(xiàn)在工程界應(yīng)用最廣泛的一種計(jì)算群樁沉降的方法該計(jì)算模式是將承臺(tái)下的群樁及樁間土看作一個(gè)等效墩基的一個(gè)實(shí)體深基礎(chǔ)，在此等代墩基范圍內(nèi)，樁間土不產(chǎn)生壓縮如同實(shí)體墩基一樣工作，然后按照擴(kuò)展基礎(chǔ)的沉降計(jì)算方法來(lái)計(jì)算群樁的沉降�！　∮捎谟�(jì)算時(shí)考慮的前提條件不同，研究者提出和使用著計(jì)算的不同模式，其主要差別在于選用的假想實(shí)體基礎(chǔ)底面的位置不同，以及對(duì)地基土中附加應(yīng)力的考慮和計(jì)算不同根據(jù)樁距地基土的性質(zhì)不同，樁間土實(shí)際上是會(huì)產(chǎn)生不同程度的壓縮變形，另一方面假想的實(shí)體基礎(chǔ)外圍存在著側(cè)面剪應(yīng)力的擴(kuò)散作用為了消除這些差別對(duì)群樁沉降計(jì)算的影響人們采取了一些措施，集中表現(xiàn)在所采用的模式上。這些措施是: 

1.變動(dòng)假想實(shí)體基礎(chǔ)底面的位置，以考慮樁間土存在壓縮變形的可能，這是Peck和Terzaghi等人建議的模式Peck等建議將假想實(shí)體基礎(chǔ)底面置于樁端平面以上 高度處， 取為樁長(zhǎng)的1/3處(樁位于均勻并土中時(shí))或進(jìn)入持力層深度的1/3(樁穿過(guò)軟弱土層并進(jìn)入堅(jiān)硬土層時(shí)〕這種建議涉及的影響因素過(guò)于單一，因?yàn)榧傧牖�底位置上升的因素很多，采用此法不能全面反映這些情況。 

2.從群樁樁頂外圍按一定斜率(例如 角或1:4斜率)向下擴(kuò)散增大假想實(shí)體基礎(chǔ)底面積，以考慮樁群外圍總剪應(yīng)力對(duì)沉降分析的影響，這是Tomlinson等人的模式。 

3.為了改善地基土附加應(yīng)力估計(jì)的精度，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外根據(jù)半無(wú)限彈性體內(nèi)集中力的Mindlin公式發(fā)展了一些估計(jì)樁基荷載作用下地基土附加應(yīng)力的方法，還有一種將Mindlin解與Boussinesq解對(duì)比來(lái)估計(jì)等代墩基的等效基底附加應(yīng)力。 

 

2方法評(píng)述

荷載傳遞法以其簡(jiǎn)單直觀的特點(diǎn)在實(shí)際工程中得到了廣泛應(yīng)用。由于工程中的土大多數(shù)是層狀的，應(yīng)力土體的彈性模量都隨深度變化，因此荷載傳遞法沿深度將樁身分段的方法能準(zhǔn)確反映樁承載特性。但是缺點(diǎn)是任意點(diǎn)樁的位移只與該點(diǎn)的剪應(yīng)力有關(guān)，而與樁身上其他點(diǎn)的應(yīng)力無(wú)關(guān)，沒(méi)有考慮土體連續(xù)性，不能用于群樁的計(jì)算。

剪切變形法能較準(zhǔn)確地計(jì)算深長(zhǎng)樁的沉降問(wèn)題。但由于該方法忽略了地基的三向應(yīng)力狀態(tài)、地基分層、土參數(shù)隨深度的變化及樁端沉降因素等諸多因素，在樁基設(shè)計(jì)的實(shí)踐中應(yīng)用較少。

有限單元法優(yōu)點(diǎn)在于：有限單元可方便地反映巖土材料的復(fù)雜結(jié)構(gòu)關(guān)系；有限元法對(duì)復(fù)雜的邊界條件的反映比其他數(shù)值方法有較大的優(yōu)勢(shì)；開(kāi)發(fā)了不同類型的單元，可以適合不同情況的模擬（如板殼單元模擬板殼的作用、界面單元模擬各種界面的特性）；可以考慮各種復(fù)雜因素對(duì)樁基礎(chǔ)沉降的影響。不足之處是實(shí)際計(jì)算中要考慮樁對(duì)土的影響范圍，需要對(duì)土體劃分大量的單元。此外，為了保證精度，必須將單元?jiǎng)澬�，使得單元�?shù)目急劇增加。這些都增加了計(jì)算時(shí)間。

彈性理論法已經(jīng)比較成熟，考慮土的連續(xù)性，可用于群樁分析，計(jì)算結(jié)果較準(zhǔn)確。但其缺陷在于把地基看作均勻的、各向同性的理想彈性體，忽略了實(shí)際中存在的應(yīng)力及時(shí)間效應(yīng)，需要進(jìn)一步改進(jìn)和完善。

單向壓縮分層總和法是一個(gè)科學(xué)、實(shí)用的計(jì)算方法，能反映群樁基礎(chǔ)的各因素對(duì)沉降的影響，如樁的距徑比、長(zhǎng)徑比、樁數(shù)等。其存在的問(wèn)題是對(duì)于長(zhǎng)樁，特別是樁側(cè)土較好的長(zhǎng)樁基礎(chǔ)，計(jì)算沉降量與實(shí)測(cè)值誤差較大，統(tǒng)計(jì)結(jié)果發(fā)現(xiàn)計(jì)算值大，而實(shí)測(cè)值小。造成這種現(xiàn)象的原因是上部結(jié)構(gòu)的荷載借助于側(cè)摩阻力傳至承臺(tái)投影面積以外，使樁端平面的計(jì)算附加應(yīng)力遠(yuǎn)小于實(shí)際受力。

 

3結(jié)語(yǔ) 

本文對(duì)目前國(guó)內(nèi)外樁基礎(chǔ)的沉降計(jì)算理論進(jìn)行了分析，包括單樁和群樁的沉降分析，并對(duì)它們的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍進(jìn)行了論述，但應(yīng)該注意，在實(shí)際中，要采用何種理論要看實(shí)際的情況而定。 

　

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