超长桩工程性状及研究方法综述

【摘 要】超长桩的荷载传递机理到目前为止还很不清楚，设计时仍按现有规范的计算理论进行，迄今还没有符合实际的计算方法。普通桩的规范设计法并非建立在超长桩的承载变形机理深入研究的基础之上，存在理论与实际之间的矛盾，因此，开展超长桩承载性状研究和提出超长桩合理的设计方法不仅是桩基理论自身发展的需要，更是工程界的迫切要求。通过对国内外众多学者在超桩工程性状特征研究工作基础上的概括，同时对桩基沉降理论的国内外研究现状进行了分析，为超长桩的设计及施工提供经验总结。

【关键词】超长桩；工程性状；沉降计算

近年来，高层建筑及大跨度桥梁的迅猛增多，这些构筑物高、重以及沉降控制严格，当地基承载力及桩的变形不能满足设计要求时，同时承台、桩数以及桩径又不能增加的情况下，加大桩长是一种最直接的方法。因此超长大直径钻孔灌注桩以其具有较高单桩承载力的优点在工程上应用数量急剧增多。例如，上海世界环球贸易中心、金茂大厦都采用了入土深度达80多米的钢管桩，杭州钱塘江六桥采用的钻孔灌注桩桩长达130余米。因此开展超长桩承载性状研究和提出超长桩的合理设计方法是十分必要的。

一.超长桩工程性状特征

超长桩工程性状具有以下特征：

（一）工作荷载下，超长桩为纯摩擦桩或端承摩擦桩[2]。当侧摩阻力尚未完全发挥时，其荷载传递具有摩擦桩的特性，桩端分担荷载很小；对于钢管桩和大直径钻孔灌注桩，由于其桩身压缩量较大或设计承载力较高，桩侧摩阻力发挥相对较早，后续荷载将主要由桩端阻力分担，表现为摩擦端承桩。

（二）超长桩的垂直承载力大，初始刚度大，承载力充分发挥所需桩顶位移相对于短桩要小，应选择良好的持力层，需严格控制桩身密实度，垂直度和孔底沉渣厚度。超长桩的设计荷载较大，超长桩的必召曲线具有缓变型，桩顶沉降较大，超长桩极限荷载由桩顶沉降量和桩身材料强度两个指标同时控制，通常是根据桩顶沉降来控制。

（三）桩长越长，长径比越大，配筋率相对越低，极限承载力和使用荷载越高，桩的非线性变形增大，桩身材料总压缩量越大。钻孔灌注长桩的过量沉降是其破坏的主要表现，极限承载力选取应以沉降量和沉降速度为控制指标，桩身压缩量和桩底土沉降量是桩顶沉降的主要组成部分。

二.单桩承载特性计算方法

单桩受到荷载后，其沉降量由下述三部分组成：桩本身的压缩量；由于桩侧摩阻力的向下传递，引起桩端下土体压缩所产生的桩端沉降；由于桩端荷载引起桩端下土体压缩所产生的桩端沉降。目前单桩沉降计算主要方法有下述几种：

（一）荷载传递法

荷载传递法由Seed[2]提出，这种方法的基本概念是把桩划分为许多弹性单元，每一单元与土体之间用非线性弹簧联系，以模拟桩一土间的荷载传递关系。Seed提出了位移协调法，将桩划分成许多单元体，考虑每个单元的内力和位移协调关系，求解桩的荷载传递及沉降量。要使荷载传递法在实际应用上取得比较满意的结果，关键是取得符合实际情况的传递函数。比较理想的方法是在桩的静荷载试验时，在桩身内埋设量测元件，实测桩身轴力分布及沉降，由此得到实测的传递函数关系。假定传递函数是双曲线函数、指数函数和其它一些函数的组合，利用分层积分法计算桩的位移、轴力、桩侧摩阻力、桩端阻力和其它静力受荷性能。推导出了一个运用简单积分的具体计算方法，使得较多复杂因素，象土的非线性、分层土中各层土的不同特性、土参数随深度的变化、桩硷弹性模量在不同荷载下的变化，甚至不等截面桩，都能方便的考虑和计算。

（二）弹性理论法

弹性理论法以弹性连续介质模拟桩周土体的响应，使用在半无限体内施加荷载的方程求解。在均匀、各向同性的弹性半空间内作用单位竖向荷载的情况下，半无限空间内任一点处的应力、位移的积分形式。弹性理论法把土体看作线弹性体，用弹性模量Es和泊松比两个变形指标表示土的性能.其中泊松比的大小对分析结果影响不大，Es是关键的指标。但是Es很难从室内土工试验取得精确的数值，在工程上大都需要从单桩试验结果反求其值，这使得弹性理论法的应用受到限制。尽管这样，近几年采用该法计算单桩沉降的可靠性己得到工程技术界的重视。为了把均质土中的分析方法应用到成层土中，Poulos[3]建议根据土层厚度加权平均来计算弹性参数，同时也考虑了桩一土之间相对滑移的影响。对桩底单元进行了细分，直接对桩单元进行计算，并假定桩端阻力为均布、桩侧摩阻力为梯形分布，考虑与桩间应力重盛效应，利用盈加原理求出群桩在荷载作用下地基中应力及变形。在求解土中应力时，导出了由于桩端阻力及侧摩阻力所产生的土中应力计算公式。考虑桩与桩周接触土体沉降相等，确定桩侧摩阻力的分布，再用分层总和法求得桩的沉降。杨敏[4]认为实际工程中的天然地基并非是均匀的弹性体，其组成往往是成层状构造，因此采用Mindlin课题的解答来求解实际桩基础的应力与变形问题，可能会产生较大的误差。根据弹性层状理论运用矩阵递推方法讨论分析了多层地基内部作用一集中荷载时的广义Mindlin课题解。从理论上来说，采用多层地基内部作用一集中荷载时的应力与位移解答（广义Mindlin解答）来进行实际桩基础的分析与计算是一种更合理的选择。同时运用广义Mindlln解对轴向荷载作用下分层地基中单桩进行分析，发现在均质地基中的结果与Poulos的弹性理论法的结果相当吻合；对于分层地基中的单桩与Poulos弹性理论法的结果有较大的差异。

（三）剪切变形位移法

剪切变形位移法是摩擦桩的荷载传递物理模型，认为桩沉降时周围土体随之发生剪切变形，剪应力从桩侧表面沿径向向四周扩散到周围土体中，假定桩侧上下土层之间没有相互作用，离开桩身距离相等处的剪应力是相等的，而且剪应力的大小与其距离成反比的假定。这些假定被用单桩和群桩试验成果所证实。宰金铭[5]推广Cooke提出的剪切位移法，Cooke认为桩周土体处于弹性状态，仅给出了弹性解，并认为桩周土的剪切模量为常数。宰金铭认为桩周土分别处于弹性状态和塑性状态，并认为土的剪切模量并非为一常数，从而形成桩周土非线性剪切位移场的广义剪切位移法。同时通过实例和计算结果表明，把广义剪切位移法和层状半空间的有限层法根结合的半解析半数值方法建立的群桩与土和承台非线性共同作用模式是合理可行的。这种方法原理简单，基本假设合理，但只适用于摩擦桩，而且在分析群桩时存在一定的困难。

三、小结

现有的创新理论在一定程度上解决了部分超长桩承载性状分析问题，但是仍不够完善，需要做进一步的研究工作。比如，针对钻孔灌注超长桩的受力和施工特点，采用荷载传递法分析沉渣和混超长桩承载性状研究混凝土弹塑性对超长单桩非线性性状的影响；采用弹塑性轴对称有限元程序对均质土和成层土中的超长桩承载性状进行分析，提出最优长径比的概念等。

参考文献：

[1]俞亚南.软土地区超长钻孔灌注桩承载性状试验研究[J] .2002.

[2]Seed，H.B.&Reese，L.C.The action of soft clay along friction piles[M].1957.

[3]Poulos HG.Pile behavior-theory and application[M].1989.

[4]杨敏，艾智勇.多层地基内部作用竖向集中力时的广义Mindlin课题[C] .1999.

[5]宰金珉.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[J].1993.

作者简介：

桂松（1987-），男，河南省固始县，河南大学土木建筑学院在读研究生、硕士，地下结构与基础工程