莫小明

（华蓝设计（集团）有限公司 广西南宁市 530011）

1 桩土共同作用研究现状及意义

岩土工程的相关科研人员对于当前热门的地基-基础-上部结构的共同作用展开了大量的研究与分析，并且获得了许多的经验以及科研成果。如何更好地、合理地利用共同作用理论，是当前需要解决的重要问题之一，这对基础的优化设计尤为重要。基础优化设计的关键在于减少差异沉降，这样能够降低上部结构的次应力和降低筏板之间的应力，减少用桩数量，提高桩筏的稳定性能。

2 桩-土-结构计算的模型

对于该项计算技术的发展经历的3段历程：①不考虑共同作用的最简单的计算方法；②在计算过程当中考虑地基的共同作用；③在计算过程中将上部结构-基础-地基三者共同进行分析计算。

2.1 不考虑共同作用

在研究刚刚进入起步阶段时，因为计算条件较差以及相关理论处于萌芽阶段，在当时建筑设计主要利用手算，对于地基和建筑物之间根本无法计算其二者的共同作用问题。当进行地基的受力计算时，主要根据理论力学来计算，将整体分为地基、基础以及上部结构三个部分分别进行独立求解。如若使用桩基时，群桩承担建筑物的全部载荷并且不需要考虑地基土的载荷。其满足了二力平衡的平衡条件，但是因为在设计的过程当中并没有将地基和结构的刚度二者相互影响而产生的内力重分现象，所以得到的计算结果与该结构体系具有很大的差别。

2.2 线弹性共同作用

通过相关的实验发现，承台能够承受将近1/3的上部载荷。在20世纪30年代的相关设计人员曾经利用简易的桩土共同作用的计算模型，但是该项技术并没有得到认可。经历四十年，相关人员通过研究桩台系统发现：各个桩在有无承台时承受载荷能力有着很大的差距。线弹性共同作用理论涉及了桩-土-承台三者之间的相互作用，尤其是它着重考虑了承台、桩以及地基三者共同分担承重载荷。但是由于其相互作用考虑过程欠佳，所以和实际的情况有着很大的差别。

2.3 非线性弹性共同作用

针对弹性分析来看，虽然弹性分析中加入了共同作用的理论，但是在设计的过程理论与实际存在着很大的差距，在设计的过程当中例如桩土的荷载分担比需要的一些参数很难确定，导致桩与土之间的承载能力无法进行合理的利用。在此，因为基土在建筑的阶段其承载能力非常的有限，所以在设计的过程当中仅仅考虑线性的共同作用对于实际过程没有任何意义。所以在设计过程需要考虑非线性的共同作用是尤为重要的。

3 桩土共同作用分析

如果仅仅考虑桩土与地基之间的共同作用，桩土之间的影响在通常情况下是单桩某一点的位移和桩土载荷之间的关系，二者之间的关系能够通过平衡方程来简化，之后结合叠加原理，根据桩和土、桩和桩、土和土之间的影响，来得到桩土之间的关系。

对于桩土来说，可以得出以下关系：

式中：{Kp}为桩-土体系的总刚度矩阵；{R}，{W}分别代表荷载反应力向量以及地基各节点的沉降向量。

针对基础结构，可以将荷载向量与节点向量分别为 {Q}与{U}，其中刚度矩阵为{K}可以得到方程为：

由关系能够了解{U}={W}，将（1）带入到（2）中，能够得到基本方程为：

式中：{Ksp}为桩-土体系的总刚度矩阵；{Q}，{U}分别为荷载反力向量和地基表面沉降向量。

4 桩土共同作用理论模型计算

桩土共同作用理论模型通常采用非线性有限元桩-土模型和土弹簧桩-土模型两种。

4.1 非线性有限元桩-土模型

本文拟采用圆形钻孔桩来计算桩土共同作用（其中桩长15m，其中地上部分 1m，地下部分14m），ANSYS建模采用SOILD45单元来模拟桩和土。桩与土的接触处，桩表面建立刚性目标面TARGE170单元，土表面建立柔性接触面CONTA173单元。各层土的物理性能参数如表1。

表1

单桩ANSYS模型如图1。

4.2 土弹簧桩-土模型

桩采用六面体8节点单元SOLID45号实体单元进行模拟，土体采用COMBIN14单元进行模拟，采用SURF154单元来模拟桩-土接触面表面摩擦效应。计算时，各土层的物理性能参数同非线性有限元桩-土模型，查《建筑桩基技术规范》，得土层的m值（如表 2）。

单桩ANSYS模型如图2。

图1 单桩模型

图2 单桩模型

表2

4.3 两种桩-土相互作用模型单桩计算结果分析

4.3.1 两种桩-土模型竖向力作用下的对比

在桩顶施加100～550kN竖向力时，两种桩-土模型桩顶位移及相应的模型竖向刚度计算如表3。

表3

4.3.2 两种桩-土模型横向力作用下的对比

在桩顶施加100～550kN横向力时，两种桩-土模型桩顶位移及相应的模型横向刚度计算如表4。

表4

4.3.3 两种桩-土模型计算结果对比

两种桩-土模型的竖向刚度都为定值，在数值上，非线性有限元桩-土模型的竖向刚度小于土弹簧桩-土模型。非线性有限元桩-土模型的横向刚度呈变化状态，而土弹簧桩-土模型的横向刚度不变，在数值上前者较大。

5 有待解决的问题

通过对桩-土共同作用的理论以及现状的分析与研究，虽然有着很多的优点以及实用性，但是在实际的的建筑过程中总会出现许多有待解决的问题。

5.1 考虑地基土的固结

在上述的介绍当中，并没有考虑土体的固结现象会对共同作用产生如何的影响，所以在实际的建筑工作当中要针对地基土的固结现象加以重视。

5.2 控制差异沉降

在实际的建筑过程中，虽然桩基础有这一定的承载能力和变形能力，但是对于目前的研究状况而言非线性共同作用的计算手段仍然不是非常的成熟，所以在设计沉降以及强度双重控制的基础之上，需要考虑土体的固结现象，通过对地基的刚度进行有效地调整，建立一个科学有效地一控制沉降差异为目的的计算方法。

5.3 模拟接触问题

对于建筑的上部结构基本均为钢筋混凝土，其特点是有着很高的强度和刚性，但是对于地基土而言其强度和刚度与混凝土比较差很多，当两种力学性质相差甚远的材料相接触时应该对于其变形协调、传递方式以及与力学相关的问题都应该引起高度的重视。应该专门对其进行模拟实验，来处理该问题。

6 结束语

本文通过对桩-土共同作用的研究以及当前现状的分析，从各个角度对桩-土共同作用的优点以及缺点进行剖析，同时还提出了相应的待解决的问题，这样能够在今后的建筑过程当中提供良好的建议，更是为今后的桩设计过程提供了良好的基础和创新理念。

[1]刘金砺，迟铃泉.桩土变形计算模型和变刚度调平设计[J].岩土工程学报，2000，22（2）：151～157.