浅析桩与土体间的相互作用

摘 要：建筑工程的建设过程中，桩基础的设计尤为重要，桩基础承载着整个建筑的上部的主要荷载，土与桩基础之间的作用是提升承载力的。本文通过用PLAXIS 3D软件进行有限元模拟在桩基处于一定的荷载作用下，分析桩基础与土体间的相互影响，通过软件计算出桩的最大应力及土的最大位移；以便在实际工程中更好的利用天然地基的承载力，从而在保证其安全的条件下，减少桩基础的用量，节约资源。

关键词：桩基；土体；PLAXIS 3D；相互作用

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.15.091

1 前言

建筑工程的建设过程中，桩基础的设计尤为重要，桩基础承载着整个建筑的上部的主要荷载，土与桩基础之间的作用是提升承载力的。通过考虑桩基础与土体间的相互作用，更加充分发挥天然地基承载力，从而减少桩的使用量，提高工程的经济效益[1-2]。桩基础与土体间的相互作用是现在工程中出现的一个重要的问题，国内已经有很多学者对桩土间的相互作用进行了研究[3-4]。陈顺伟等[5]通过使用ANSYS有限元软件，建立模型，施加动静荷载，使用有限元分析法，从而分析桩与土体间的相互作用，分析两者间的力学特征。王春等[6]通过对工程实例的具体分析，发现了目前桩土模型在设计计算过程中存在着一定的局限性，并提出一个使用程序计算桩土之间相互作用的模型。戴民等[7]通过研究桩与土之间相互作用的理论意义，对国内外桩土之间相互作用做出了详细的总结。

2 模型建立

本文采用一款已经在岩土工程项目广泛使用的有限元计算软件PLAXIS 3D進行桩基础的模型建立。采用10节点三角单元进行模拟土体，首先对该模拟桩基础所在场地（几何尺寸为：80mx60mx30m）的土层进行划分。如图1所示，将该场地土层分为三层，最上面一层为沙土层顶部为±0m，底部为-5 m；中间层为碎石层，顶部-5 m，底部-10 m；第三层为粘土层，顶部-10 m，底部-30 m。地下水位位于-8米处，并设有地下水头。为模拟桩基础与土体间的相互作用，数值模拟过程中分为桩孔的开挖与桩体的建造、承台板的建造、上部荷载施加。为更清楚反应出桩对土体的影响分布情况。设置六根独立桩，桩体尺寸：D=0.8m、H=19m，桩间距为4m，采用1m厚承台板将其进行整体连接。模拟过程网格划分如图2所示，并对局部网格进行加密。荷载施加在承台板上，荷载采用逐渐增大的方式进行施加最终增加至500kN/m2。通过有限元软件计算得到桩体与土体间的应力与位移。

3 模型计算

土体采用的模型是Mohr-Coulomb理想弹塑性模型，并满足不相关联流动法则和材料张力限值。Mohr-Coulomb为：

相应的势函数为：

式中：

为土的内摩擦角；c为黏聚力；φ是剪胀角；为t时刻应力第1不变量；为t时刻偏应力第2不变量；为t时刻偏应力第3不变量。

通过一系列的计算，荷载由-10.24KN/m2开始增大到7993 KN/m2土体开始出现应力集中分布现象如图3，此时桩基础的最大位移为0.6577m如图4，相应的最小孔隙水压力为-7776，最大为8036.如图5所示。如图中所示，桩基础周围的土出现应力集中，停止施加荷载，在该结构模拟的过程中，发现应力及孔隙水压力主要出现在桩顶及桩底部。若要使桩基础承受更大的荷载，可主要处理桩基的顶部和底部，加强两端的承受应力集中的能力。从而使天然土基的承载力得到更加充分的利用。

4 工程实例

某项目为住宅建筑工程，采用的是桩基础的施工技术，充分利用

桩与土之间的相互作用，桩基础的安全等级为二级，工程地质情况从上向下依次为沙土、杂填土、粘土、淤泥等，地质情况比较特殊，所以采用两种桩型：灌注桩和预制桩，灌注桩长23-27m，桩径为700mm、800mm.桩体用C30 混凝土，每根桩的极限承载力大约为1200KN.预制桩则采用混凝土强度等级为C80的预应力混凝土桩，桩径为500mm，壁厚为125mm，每根桩的设计承载力为大约1800KN，采用锤击法，桩长为20-25m.并确保地基中的粘土在物理化学反应的条件下形成坚固的土拱，在土拱的上部挖一条地沟以便地下水的排出。该项目充分利用桩与土之间的相互作用，最大限度的提升了天然地基的承载力，有效的结合桩型，减少了混凝土的用量，降低了资源的浪费。

5 结论

作为建筑施工的重要部分，桩基础在满足承载力设计的要求下，要严格控制沉降，刚柔复合桩基与天然地基的相互作用，可以更有效的减少桩的沉降，与桩基础相互作用更有效的提高承载力。

（1）桩与土之间相互作用的前提是桩基础之间的地基土的压缩量是桩自身的压缩量和桩断刺入量的总和。在确定桩顶荷载的设计时，设计承载力一般大于单桩承载力特征值。结合结构的允许沉降值，由不同作用力水平下基础沉降的设计值来确定桩顶荷载的设计。

（2）本文研究的桩与土间的相互作用，充分发挥桩间土的承载力，达到节约桩的目的。在本文工程实例中，用桩量节约1/3，桩间土可分担8%的荷载，且能正常使用。既满足了安全需要，也达到了较好的经济效益。

参考文献：

[1]Muhannad T.Suleiman，Lusu Ni，Jeffrey D.Helm，Anne Raich. Soil-Pile Interaction for a Small Diameter Pile Embedded in Granular Soil Subjected to Passive Loading[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，2014.

[2]郑尚龙.大跨连续刚构桥考虑桩土相互作用的动力响应研究[D].重庆大学，2016.

[3]Quoc Van Nguyen，Behzad Fatahi，Aslan S.Hokmabadi. Influence of Size and Load-Bearing Mechanism of Piles on Seismic Performance of Buildings Considering Soil-Pile-Structure Interaction[J].International Journal of Geomechanics，2017，17（07）.

[4]H.S.Chore，V.A.Sawant.Soil-Structure Interaction of Space Frame Supported on Pile Foundation Embedded in Cohesionless Soil[J]. Indian Geotechnical Journal，2016，46（04）.

[5]陈顺伟，梁栋，徐东强，陈向红.静、动载荷下桩-土作用体系的非线性有限元分析[J].河北工业大学学报，2012，41（03）：78-81.

[6]王春，王宏东.桩-土作用模型在桥梁设计中的研究与应用[J].工程与建设，2007（05）：770-772.

[7]戴民，周云东，张霆.桩土相互作用研究综述[J].河海大学学报（自然科学版），2006（05）：568-571.

作者简介：刘振江（1981-），男，天津人，硕士研究生，工程师，主要从事水利水电工程勘察工作。