桩基础沉降计算方法研究现状的综述

桩基础沉降计算方法研究现状的综述

(西南交通大学土木工程学院岩土工程系四川成都)

摘要：桩基础是一种常用的深基础形式，它由桩和桩顶的承台组成。按桩的受力情况，桩分为摩擦桩和端承桩两类。桩的沉降分为单桩和群桩两种沉降。单桩受到荷载后，其沉降量由下述两部分组成:桩自身的压缩变形和桩底以下土层的压缩。目前，计算单桩沉降量的计算方法主要有分层总合法、弹性理论法、荷载传递分析法、剪切变形传递法、有限元法及其他简化算法，这些方法都是在一定的简化基础上考虑一种或几种因素对桩基沉降量的影响。而对于群桩的沉降计算；当桩都为端承桩时，由于不需要考虑群桩效应，故可将单桩的沉降作为整个桩基础的沉降；当桩都为摩擦桩时，由于要考虑桩与桩之间的相互影响、承台的影响等。其沉降计算方法有整体分析法、等代墩基法经验法。

关键词：桩基础计算方法沉降

桩基础的承载力与沉降是桩基设计中的重要内容，沉降常常是设计中需控制的一个重要因素，与承载力相比，沉降的计算更为复杂。在过去漫长的时间内，从事岩土工程的研究者和工程师们，为了精确计算和预测桩基的沉降，曾进行过大量的研究，提出过一系列的计算桩基沉降的方法，但由于地下桩基础的复杂性和地基土的非均匀性，桩基础沉降的计算理论还有待成熟。

1.单桩沉降计算方法

单桩的沉降与桩的长度、桩周及桩底土的性质、荷载大小及

持续时间等因素有关。计算单桩单桩的沉降则应采用长期施加的荷载。

1.1剪切变形传递法

Cooke(1974)提出了摩擦桩荷载传递的物理模型，该模型为了简化计算，作了一系列假定并认为:当荷载较小时，桩的沉降较小，桩土之间不产生相对位移，上下土层之间无相互作用，桩的沉降由剪切变形的积累而产生的，剪应力从桩侧表面沿径向向四周扩散到周围土体中;摩擦桩一般在工作荷载作用时，桩端承担的荷载比例较小，沉降主要是由桩侧传递的荷载所引起，在单桩周围形成漏斗状位移分布。

宰金铭（1993，1996）将剪切变形传递法推广到塑性阶段，从而得到桩周土非线性位移场解析表达式。在该基础上，与层状介质的有限层法和结构的有限元法联合应用，给出群桩与土和承台非线性共同作用分析的半解析半数值方法。

1.2荷载传递分析法

荷载传递分析法亦称传递函数法，由Seed及Reese于1957年提出，它是目前应用最为广泛的简化方法，这种方法是从规定的荷载变

形传递方式来计算桩对荷载的反应。其基本思想是:将桩划分为一系列等长的桩段(弹性单元)，每一桩段与土体之间的联系用非线性弹簧来联系，桩端处土体也用非线性弹簧与桩端联系，以模拟桩-土之间的荷载传递关系。

Guo(2001)提出了一种弹脆塑性模型，以考虑桩周土体的软化性状，这也是三折线模型中的一种。

将桩与土之间的接触简化为弹簧连接，易推得

()s z E A U dz

s d P P ,22τ= 式中的 ),(s z τ即桩侧阻力的传递函数，只要该函数能够确定，解上述方程即可得到桩的位移。

1.3弹性理论法

弹性理论法于20世纪60年代被提出，它将土体视为弹性半无限体，依靠Mindlin 解，建立桩、土之间的变形协调方程，最终求得桩的轴力、侧阻、端阻及沉降等。。以弹性理论法为根据发展出一些计算单桩沉降的方法，这些解法虽略有不同，但一般都基于桩的位移与临近土位移的协调条件，为此，

借助于轴向荷载下桩身的压缩求得桩

的位移，又应用荷载作用于半无限体内某一点所产生的Mindlin位移解求得桩周土体的位移。由于弹性理论假定桩土界面普遍满足弹性即界面不发生滑移这一条件，沿界面诸相邻点的桩位移应与土位移相等，桩侧完全粗糙，桩侧阻力沿每个单元周围的分布是均匀的；忽略桩、土之间在法向的变形协调。由此依靠即可求得桩身摩阻力和桩端阻力的分布，并进而求得桩的位移分布。吕凡任（2004）提出了考虑桩土相对位移的“广义弹性理论法”从而可以考虑桩周土的塑性，并将其应用于斜桩分析。

2.群桩沉降计算方法

桩基础的应用大都是以群桩的形式出现，群桩效应在群桩沉降问题中表现的非常明显。端承桩通常不需要考虑群桩效应，故可将单桩的沉降作为整个桩基础的沉降，但对于摩擦桩来说，计算桩基沉降时，应考虑桩与桩之间的相互影响、承台的影响等因素。

2.1整体分析法

整体分析法，目前应用较广泛和成熟的整体分析方法主要包括有限元法、边界元法和弹性理论法。有限单元法是适应计算机应用而发展起来的一比较新颖和有效地数值计算方法，随着计算机的发展，有限元越来越广泛。常用的桩基有限元分析软件有ABAQUS ,ANSYS ，MARC，和ADINA等其它的还有Plaxis和FLAC/FLAC3D等等。研究表明，有限单元法的计算结果与现场观测结果非常相似。由于受计算参数较多，三维计算要求内存大，计算时间长，其使用范围受到影响。不过，作为探索和校核实用简化方法的工具，有限单元法仍有着重要的实际意义。从长远地来看，它仍然是计算群桩沉降的一种趋势和正确方向。由于桩土作用的复杂性和单桩沉降理论仍在进一步完善中，为了方便和辅助桩基设计，产生了一些简化方法，如神经网络法，大

直径桩、嵌岩桩沉降计算法等。这些方法现在尚处于讨论验证阶段，其精确性受到较大限制。因此，这些方法存在较大局限性。

边界元法也叫积分方程法，是把区域问题转化为边界问题求解的一种方法，即将筏板地基中的桩进行离散化分析。单纯的边界元法假设桩土界面位移协调，没有考虑桩土界面土的屈服滑移，与实际工程有一定差距。Sinha (1996)提出了一种完整的边界元法，把桩离散用边界元法分析，用薄板有限元法分析筏板，土被假定为均质弹性体，引入了土的滑移现象，以分析土体的膨胀或固结效应。有限条分法首先用于分析上部结构，并取得成功。Cheung(1976)首先提出将有限条分法用于单桩分析，以分析层状地基中的单桩的特性。

用弹性理论法算群桩的沉降与计算单桩沉降的方法完全相似，其土的位移方程可写为

}{[]

}{τ21S S S

I I E d s +=' 与单桩[]S I 不同的是，[]S S I I 21+既有因本桩所引起的桩轴土体位移，又包含另一根桩所引起的桩周土体位移。

群桩要考虑土桩与桩之间的相互影响，定义相互作用系数 桩在自身荷载下的沉降

邻近桩引起的附加沉降=α 采用弹性理论法和有限元法分析群桩时，发现群桩将大部分荷载传到了地基的深部，水平方向扩散的应力很小，桩端附加应力受桩数、桩长径比、桩的距径比和吃力层刚度的影响较大，而受承台长度比和桩土相对刚度比影响较小。