徐學凱 俞發(fā)乾

摘 要: 就樁基研究工作中的難點與方法進行分析,主要探討了樁基的三種主要研究方法,即連續(xù)介質(zhì)力學方法、地基響應(yīng)法和數(shù)值計算方法,最后分析了研究樁基大變形的意義。

關(guān)鍵詞: 樁基;力學方法;地基響應(yīng)法;數(shù)值計算方法

中圖分類號: TU473

1 樁基研究的難點

雖然樁基在工程實踐中得到廣泛的應(yīng)用,但是相應(yīng)的設(shè)計理論、研究方法卻存在一定的滯后。這種滯后是與樁基的特點密切相關(guān)的。其一,與結(jié)構(gòu)工程中的其他領(lǐng)域相比,樁基所處的環(huán)境更加的復(fù)雜。由于土層的形成和堆積過程的復(fù)雜,使得土層的力學特性具有較大的離散性,很難準確的表達土層的力學特性。其二,由于承臺、樁、土的相互作用,樁基礎(chǔ)的載荷傳遞與變形過程屬于復(fù)雜的非線性力學系統(tǒng)。樁基在各種靜載荷與動載荷作用下,其載荷傳遞機理和樁基的破壞模式與樁基本身的材料強度、抗彎剛度,樁側(cè)土體的抗力、摩阻力、樁端土體的承載能力以及施加載荷的方式等因素都密切相關(guān)。這些都給樁基的設(shè)計和施工帶來很多困難。

2 樁基的研究方法

經(jīng)過半個多世紀的研究,形成了研究樁基的三種主要方法:連續(xù)介質(zhì)力學方法、地基響應(yīng)法和數(shù)值計算方法。

2.1 連續(xù)介質(zhì)力學方法

連續(xù)介質(zhì)力學方法是基于連續(xù)介質(zhì)理論和框架來建立樁基力學行為的數(shù)學模型,其中,樁和土的材料可以是彈性、粘彈性和彈塑性材料等。由于這種方法概念清楚、理論性強,得到比較廣泛的認同,因而比較流行。Tajimi在1969年首先采用連續(xù)體模型來模擬土體,以后眾多學者對這一理論方法進行了進一步的研究。比如,Hikmet(2006)將土體看成無限延伸的土體片,研究了在組合載荷作用下,半剛性連接和部分埋入樁的自由振動。在求解樁土相互作用的問題時,連續(xù)介質(zhì)模型是比較合理和有效的,常用于求解粘彈性問題、彈塑性問題等,但較難得到解析解或半解析解。另外,近年來隨著飽和土研究的深入,飽和、非飽和土中樁基力學行為的研究也受到越來越多的關(guān)注。

2.2 地基響應(yīng)法

這種方法是將對上樁的作用力表述為一系列的方程,包括各種廣義Winkler等地基模型、地基反力系數(shù)法等。

Winkler地基模型是把樁周的土體離散為一個個單獨作用的彈簧,某一彈簧受力時,僅該彈簧發(fā)生與作用力成正比例的壓縮而和其他彈簧無關(guān)。這種把地基看作非連續(xù)介質(zhì)且地基反力系數(shù)在整個位移過程中均為常數(shù)的假定雖和實際不符,但和目前較復(fù)雜的一些其它解析方法相比較,它在許多情況(例如當基礎(chǔ)的容許位移值較小時)仍可得出接近實際的結(jié)果。

Matlock和Reese考慮到土體抗力集度P的非線性特點提出了反力一撓度曲線法,即P-Y曲線法,并被列入美國API規(guī)范。P-Y曲線是指在水平力作用下,地面下某個深度z處土反力P與該點樁的撓度Y之間的關(guān)系曲線,它綜合反映了樁周土體的非線性、樁的剛度和外荷作用的性質(zhì)等特點。P-Y曲線能如實地把地基的非彈性性質(zhì),及由地表開始的進行性破壞現(xiàn)象反映到樁的計算中。P-Y曲線法原理簡單、計算可信度較高、實用范圍較廣,特別是對于復(fù)雜工況下樁基力學特性的研究,有較大的用途。但是由于其試驗需要高昂的成本,故只能在部分重大工程中大規(guī)模的應(yīng)用。

2.3 數(shù)值計算方法

由于樁基力學行為的分析十分復(fù)雜,直接得到解析解或是半解析解是很困難的。因此常常采用數(shù)值計算方法來模擬樁基的力學特性,其研究內(nèi)容和成果也是樁基研究中內(nèi)容最為豐富的一部分。主要的數(shù)值計算方法,包括有限元方法、樣條有限元方法、邊界元方法和它們相組合得到的混合方法等。

在上述三類方法中,在求解樁——土相互作用問題時,連續(xù)介質(zhì)模型是比較合理和有效的。此類方法的公式直接,可應(yīng)用到彈塑性問題、粘彈性問題及穩(wěn)定狀態(tài)和瞬時地下水滲透問題等,但是一般在理論分析、數(shù)值模擬等方面比較困難,特別是在分析由幾何和材料引起的非線性問題時,具有更高的難度。地基響應(yīng)法,由于是通過試驗得到土對樁的作用的力,即P-Y或Q-S曲線,因而能夠較好地刻畫樁——土系統(tǒng)的實際工況條件?？梢缘贸鲈谳S向荷載分布、沉陷值、彎矩和剪力等方面令人較滿意的結(jié)果。但是由于其高昂成本只在極少數(shù)重大工程中廣泛使用。隨著科技的發(fā)展,計算機容量和速度的極大提高,數(shù)值計算方法特別是有限元法在樁基研究中起著越來越大的作用。但是由于有限元法計算工作量大,耗時多,成本高。將邊界元法或其他方法和有限元法聯(lián)合形成的禍合方法,可以發(fā)揮它們各自的優(yōu)點,將可能是一種比較有效的方法。但是,對于復(fù)雜的樁——土禍合系統(tǒng) ,特別是非線性系統(tǒng)而言,尋找精度高、計算量小、收斂速度快、穩(wěn)定性好的數(shù)值方法仍然是值得大力發(fā)展的研究內(nèi)容。

3 分析樁基大變形的意義

2002年,Miura等在其綜述報告中,也列舉了許多樁基的破壞形式。他們都認為樁基的這些破壞形式往往是在地震中因土體的液化導致的橫向地面移動、慣性力的影響或者強烈地震運動過程中的橫向地面移動等造成的,這種地面的橫向位移往往很大,采用小變形理論來描述樁基的變形過程會帶來很大的誤差。同時,隨著樁基施工技術(shù)的發(fā)展,各種長樁、超長樁、海洋平臺樁等新型樁基在工程實踐中越來越多的使用,也為樁基靜、動力學分析帶來了新的挑戰(zhàn),經(jīng)典的樁基小變形理論已經(jīng)遠遠不能滿足工程的需要,更精確的樁基大變形分析也越來越受到研究人員的關(guān)注。因此,需要對樁基的大變形過程進行詳細的分析,以提供樁基設(shè)計更適當?shù)睦碚摶A(chǔ)。關(guān)于樁基的大變形分析和非線性分析,已有一些工作。

最近幾年Miyasaka,Miura和Izumi等人研究了因地震液化導致的橫向地面移動對樁基礎(chǔ)及其靜動力學行為的影響。他們發(fā)展了一種高柔韌性抗震接頭樁—High Ductility Aseismatic Joint Spliced Pile (HDAJ拼接頭樁),可以用來抵抗由于地震引起的破壞。這種樁基的變形是比較大的,應(yīng)用小變形理論進行分析和設(shè)計將導致比較大的偏差。另一方面,工程中不斷出現(xiàn)超長樁,為了增加樁基的剛度和穩(wěn)定性,各類具有接頭的樁基也越來越廣泛地應(yīng)用于許多工程領(lǐng)域中。對這類具有接頭的樁基進行大變形分析,已是工程設(shè)計的需要?？梢?對樁基進行系統(tǒng)的大變形靜、動力學分析是樁基理論和設(shè)計中的一項具有前沿性的研究內(nèi)容,是樁基研究領(lǐng)域的一種新的發(fā)展趨勢。

參考文獻

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