靜壓樁沉樁過程中貫入機理理論研究進展*

劉雪穎 王永洪② 張明義② 白曉宇②

(①青島理工大學土木工程學院，青島 266033，中國)(②山東省高等學校藍色經(jīng)濟區(qū)工程建設與安全協(xié)同創(chuàng)新中心，青島 266033，中國)

0 引 言

在我國的沿海和南方地區(qū)，存在較多的深厚軟弱地基(趙夢怡等，2018；高英等，2019；李高山等，2019；毛洪運等，2019)。在實際工程中，多采用樁基礎(chǔ)對其進行加固處理，而靜壓樁憑借著無噪音，無振動，無沖擊力，施工應力小等諸多優(yōu)點，在我國的應用越來越廣泛，成為了軟土地區(qū)廣泛采用的一種沉樁形式(White et al.，2002；Fattah et al., 2016；張明義等，2017；Murthy et al.，2018；王永洪等，2018)。

相較于打入樁，靜壓樁的貫入較為穩(wěn)定，但在沉樁過程中，下部土體會產(chǎn)生側(cè)向移動，地表抬升，屬于擠土樁(何耀輝，2005)。在靜壓沉樁過程中，由于樁周土體短時間內(nèi)的不可壓縮性，會使土體中產(chǎn)生較高的超孔隙水壓力，從而產(chǎn)生擠土效應，造成樁身彎曲、傾斜、水平位移等，給工程帶來不良影響(王瑞彩等，2015)。但靜壓沉樁的貫入機理受壓樁力、沉樁速度、土層、地下水等因素共同影響，對其貫入機理的研究還不夠充分(樊向陽，2007)。因此，眾學者基于理論分析對靜壓樁沉樁機理展開了一系列的研究。

目前，常用的靜壓沉樁研究方法有：模型試驗法(李雨濃等，2010；劉清秉等，2011；張可能等，2012；曹兆虎等，2014；李鏡培等，2018a)、原位試驗法(羅戰(zhàn)友等，2014；李林等，2017；王嘉勇等，2018；李鏡培等，2018b；王永洪等，2019)、理論分析法(Bishop et al.，1945；Carter et al.，1979；Baligh，1985；湯斌等，2018)。模型試驗法具有成本低、效率高、易于操作且所測數(shù)據(jù)針對性強等特點，成為諸多學者首選的研究方法，但模型試驗中多采用均質(zhì)土作為模型地基土，而實際工程中影響樁靜力貫入機理的因素復雜，用模型試驗進行分析的準確度較低(曹兆虎等，2014)；原位試驗雖然所測數(shù)據(jù)真實可靠，但試驗成本較高、耗時較長且現(xiàn)場操作難度大(李鏡培等，2018b)；而理論分析法從靜壓樁貫入機理的本質(zhì)出發(fā)，在原有的理論基礎(chǔ)上進行修正與發(fā)展，可以獲得貫入特性的本質(zhì)機理(李月健，2001)。所以有許多學者選擇理論分析法對靜壓沉樁的貫入機理進行研究，并取得了諸多成果。本文對靜壓沉樁貫入機理理論研究所用的圓孔擴張理論、應變路徑法、有限元分析的研究成果和局限性及存在的問題進行介紹性總結(jié)和分析，并對其未來的發(fā)展方向進行展望。

1 圓孔擴張理論

圓孔擴張理論是由Bishop et al.(1945)提出，用于研究金屬成型等問題，后逐漸應用于巖土方面的研究。首先，假設土體是理想的彈塑性體，材料服從Tresca或莫爾-庫侖屈服準則，然后基于彈塑性理論，得出初始半徑的柱(球)形孔被均布的內(nèi)壓力擴張后的通解，初始受力計算原理圖如圖1所示。經(jīng)過Vesic(1972)、Randolph et al.(1979)、Carter et al.(1986)的不斷發(fā)展，圓孔擴張理論已成為研究沉樁貫入機理最廣泛的方法之一。

圖1 圓孔擴張示意圖(Bishop et al., 1945)

1.1 基于圓孔擴張求解沉樁阻力

在原有的圓孔擴張理論中，將剪切模量設定為常量，與實際情況不符。近年來，國內(nèi)外學者通過圓孔擴張理論對沉樁阻力的計算方法進行了一定優(yōu)化：Yu et al.(1991)在原有沉樁貫入機制的基礎(chǔ)上，結(jié)合球孔擴張理論，同時加入Boussinesq解進行修正，獲得了樁端阻力與樁側(cè)摩阻力的計算公式。張明義等(2003b)通過對樁端部分采用球孔擴張理論解答，對樁側(cè)部分采用滑動摩擦理論解答，建立了球孔擴張-滑動摩擦計算模式，分別計算了沉樁過程中的端阻力和側(cè)摩阻力，其計算圖式如圖2所示。得到了實用準確的沉樁阻力計算公式。劉俊偉等(2009)結(jié)合球孔擴張與源-源假設理論，基于Boussinesq解修正的基礎(chǔ)上，分別計算了樁端阻力和樁側(cè)摩阻力，在考慮了側(cè)阻退化情況下提出了壓樁力的模擬計算公式，通過計算時樁側(cè)土單元與樁底之間的距離來體現(xiàn)側(cè)阻的退化效應，采用以下公式：

圖2 沉樁阻力計算示意圖(張明義等，2003b)

(1)

式中：τmax為樁第1次經(jīng)過該單元的側(cè)摩阻力；m為退化因子。

楊慶光等(2013)通過圓孔擴張理論，引入貫入深度對擴孔壓力的作用，得出擴孔壓力的迭代算法；并建立了楔形與等截面的靜壓沉樁阻力的計算公式。李林等(2016)通過使用K0各向異性修正劍橋(K0-MCC)模型，得到了靜壓沉樁柱孔擴張的基本解答，同時提出沉樁阻力的估算公式，其沉樁阻力由樁端阻力和樁側(cè)阻力組成，沉樁阻力分布圖如圖3所示。阮永芬等(2017)基于圓孔擴張理論，研究了引入土體擾動修正系數(shù)下的齒形樁承載力，并探討了樁周球孔擴張的影響，分析了有齒樁豎向與側(cè)向承載力機理。Li et al.(2017)基于對樁周土體應力歷史的考慮，對靜壓樁承載力進行了理論研究；通過求解控制方程，得到了樁周土體中有效應力的變化。

圖3 沉樁阻力分布圖(李林等，2016)

1.2 基于圓孔擴張求解樁側(cè)壓力與土體位移

另有部分學者基于圓孔擴張理論，對沉樁過程中的樁側(cè)壓力與樁側(cè)土體位移進行了研究：Cao et al.(2001)利用修正劍橋模型和大變形理論，假定了不排水條件塑性區(qū)的偏應力，統(tǒng)一解答了圓孔擴張問題，獲得了樁土界面徑向應力與孔隙水壓力的精確解。Sun et al.(2004)通過簡化劍橋模型，引入了新的應力張量和硬化參數(shù)，得到了簡化后的柱孔彈塑性擴張問題的解答，但未考慮柱孔擴張過程中有效應力之間的關(guān)系，且由于劍橋模型僅使用p和q兩個應力參數(shù)，難以反映柱孔擴張中土體的三維強度特性。胡偉等(2006)以考慮土體體積變化為基礎(chǔ)，應用圓孔擴張理論，結(jié)合修正劍橋模型，推導了非飽和土球孔擴張后應力和位移分布的解析解。同時分析了超固結(jié)比對應力、位移的影響。李鏡培等(2014)結(jié)合修正劍橋模型，在偏應力無任何假設的條件下，得到了不排水條件下球孔周圍土體應力和孔隙水壓力的半解析解，并將球孔擴張應用于靜力觸探原位試驗，提高了原位試驗的拓展應用性。李林等(2016)通過使用K0各向異性修正劍橋(K0-MCC)模型，同時考慮天然飽和黏土的初始應力的各向異性、應力歷史等特征，得到了靜壓沉樁柱孔擴張的基本解答，其樁周彈性區(qū)和塑性區(qū)位移解答分別為：

(2)

式中：G為土體的剪切模量；υ=1+e，為土體體積比；e為土體孔隙比；v′為有效泊松比。

σrx=σry+

(3)

Δurx=(pfx-p′f)-(p0-p′0)

(4)

張亞國等(2018)在李林的基礎(chǔ)上，在原有沉樁擠土位移解答方法中加入對土性彈塑性本構(gòu)關(guān)系與地表邊界效應的考慮，假定屈服后土體服從劍橋修正模型，推導出了無限長樁長的擠土位移初始解，并引入修正函數(shù)來表達地表邊界和沉樁深度的影響，該修正函數(shù)為彈性區(qū)內(nèi)擠土位移與圓柱孔彈性擠土位移之比f，即：

(5)

式中：h為總樁長；h1和h2分別為點到樁底和樁頂?shù)呢Q向距離；dr為點到樁中心的水平距離。

周航等(2014)在圓孔擴張理論的基礎(chǔ)上，提出了沉樁過程中樁周土體位移場和超孔隙水壓力的理論方法。分析了楔入角、貫入深度和樁周土參數(shù)對擠土效應的影響。梅國雄等(2008)基于圓柱孔擴張理論，同時引入考慮位移的土壓力計算方法確定由水平向應力誘發(fā)的側(cè)壓力系數(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)極限平衡理論推導出樁周淺層土體隆起分界面計算式為：

(6)

1.3 基于圓孔擴張求解開口管樁土塞效應

通過考慮土塞效應，可以利用圓孔擴張理論對開口管樁的貫入機理進行研究：鄭俊杰等(2006)在考慮了土塞效應條件下，利用圓孔擴張理論對開口管樁的擠土效應進行了分析，得出了開口管樁樁周土體應力場與位移場的解析解。劉裕華等(2007)利用圓孔擴張理論分析了開口管樁的彈塑性力學，得到了塑性區(qū)半徑和土體位移的表達式，同時關(guān)于土塞效應對開口管樁擠土效應的影響進行了探討。黃生根等(2015)在彈塑性力學分析的基礎(chǔ)上通過考慮管樁土塞效應的規(guī)律，得到了柱孔擴張過程中樁周土體的應力場及位移場的解析表達式為：

塑性區(qū)應力解：

(7)

彈性區(qū)應力解：

(8)

彈性區(qū)與塑性區(qū)邊界處位移解：

(9)

彈性區(qū)位移解：

(10)

式中：R0為初始孔半徑；Ru為孔擴張后的半徑；r為半徑；E為彈性模量；μ為泊松比；C為土體黏聚力；φ為土體內(nèi)摩擦角；Δ為塑性區(qū)土體的平均體積應變；G為剪切模量。

1.4 基于圓孔擴張求解異形樁貫入機理

隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，實際工程中靜壓樁的截面形狀不斷更新，已有學者對不同樁型靜壓樁的沉樁貫入機理進行了有益的研究：楊慶光等(2013)通過考慮擴孔深度對壓力的影響，推導出擴孔壓力的迭代算法。周航等(2014)在圓孔擴張理論的基礎(chǔ)上，考慮到擴底楔形樁截面尺寸的變化情況，擴底楔形樁與普通楔形樁沉樁示意圖如圖4所示，提出了擴底楔形樁在靜壓沉樁過程中沉樁阻力的理論計算方法。并分析了楔形角、沉樁深度、土體參數(shù)等因素對沉樁阻力的影響。Manandhar et al.(2011，2013)通過荷載傳遞法中的迭代過程來計算表面摩擦，引入了壓力-膨脹關(guān)系，提出了基于球孔擴張理論計算表面摩擦的公式；同時，引入漸錐角的影響來計算錐形樁的樁端阻力。阮永芬等(2017)基于圓孔擴張理論與土體擾動修正系數(shù)，研究了齒形樁的承載力，分析豎向及側(cè)向承載力的機制，該齒形樁的總豎向力為：

圖4 沉樁示意圖(周航等，2014)

(11)

(12)

f=αμσ

(13)

σ=σr+k0γz

(14)

(15)

τf=c+ασtanφ

(16)

式中：Wp為自重；Q0為樁頂壓力；qh為樁端球孔應力；Fh為樁側(cè)阻力；f為樁周摩阻力(基于擾動系數(shù))；τ為齒形樁齒間抗剪切力；n為總齒間的個數(shù)；α為修正系數(shù)；σ為法向應力；σr為圓孔擴張應力；τf為樁間土體剪應力。

但是，經(jīng)典的圓孔擴張理論存在著一個很大的缺點：其所得的解析解只考慮到徑向坐標的影響，而未考慮豎向坐標的影響。直接將圓孔擴張理論應用于三維坐標體系中的沉樁過程，忽略了豎向摩擦力的影響，與實際應用情況不符。圓孔擴張理論在靜壓樁研究中的應用還需要進一步完善和優(yōu)化。

2 應變路徑法

Baligh(1985)于1985年提出了應變路徑法，該法相對于圓孔擴張理論考慮了深度變化對土體位移的影響和樁貫入過程的連續(xù)性。應變路徑法基于不考慮本構(gòu)關(guān)系，可將擴展速度積分獲得變形，然后進行微分得到應變。

部分國內(nèi)外學者利用應變路徑法對沉樁機理進行了一系列的研究，獲得了一定成果。Baligh(1985)利用應變路徑法為闡明和預測樁基礎(chǔ)的行為、解釋現(xiàn)場試驗、評估取樣擾動效應以及為處理“深部巖土問題”提供了一個完整和系統(tǒng)的框架。用應變路徑法確定了滲透應力和孔隙壓力，并將這些解決方案以近似的形式擴展到實際工程中。Sagaseta(1987)假設貫入過程中土體形成無限的速度場，運用點源和流場求解位移場，提出源-匯法，在不排水的沉樁過程中，可以認為，點源在無限土中勻速下沉形成一個圓柱孔，沉樁過程中在土的自由邊界會產(chǎn)生正應力和剪應力。但由于修正應力引起的位移不考慮大變形的影響，對大變形的分析只考慮局部。羅戰(zhàn)友(2004)通過運用源-源法，源-匯法對應變路徑法進行了修正，將地表土體轉(zhuǎn)變?yōu)榘霟o限空間土體，修正了應變路徑法的邊界條件。應變路徑法假定土為各向同性的無限體，忽略地表存在，這其實與自由表面的無約束邊界條件是不一致的。其結(jié)果是，所有的土均會沉降，這與實際情況是矛盾的。汪敏等(2015)首先假設土壤是無限的，然后通過地表面處σ和τ的修正，消除虛擬邊界條件，結(jié)合源-源，源-匯的相互作用，假定土體位移為小應變，得到靜壓管樁單樁豎向和水平擠土位移的解析解，其豎向與水平的求取步驟分別如圖5，圖6所示，并對其影響因素進行了研究。Zhou et al.(2018)基于應變路徑法提出了一種新的通用分析方法來獲取任意截面樁周土體的變形機理。采用一種新的二維(徑向和周向)空腔擴展模型模擬侵徹問題，在應變路徑法理論框架的基礎(chǔ)上，利用保角變換技術(shù)，將非圓柱型空腔擴張的運動學(速度場)簡化為求解具有任意速度邊界條件的拉普拉斯方程。可以看出，近年來采用應變路徑法對靜壓樁貫入特性進行研究的學者較少，這主要是因為該法計算較為繁瑣。

圖5 垂直方向擠土位移(汪敏等，2015)

圖6 水平方向擠土位移(汪敏等，2015)

對比圓孔擴張理論，應變路徑法考慮深度的影響和沉樁的連續(xù)貫入性?？傻玫匠翗哆^程中的應力、位移與深度的大致分布規(guī)律，但本質(zhì)上應變路徑法為近似算法，計算步驟較為繁瑣。同時將圓孔擴張理論與應變路徑法相結(jié)合，可以互為補充。

3 有限單元法

有限元法由Carter et al.(1986)于1979年首次提出，在沉樁模擬中被廣泛應用。對于樁體的有限元分析，主要分為小應變和大變形模型兩種。小應變即小變形模型(Potts et al.，2001；Benz，2007)，所建模型中的孔洞為預先鉆孔，再將樁體放入，其樁周土體仍處于初始應力狀態(tài)；再以破壞荷載等于貫入阻力為計算基礎(chǔ)，對其進行一個產(chǎn)生增量的塑性破壞計算。以小應變模型為基礎(chǔ)所進行的模擬過程并不完全準確，這是因為在靜力壓樁過程中樁周將產(chǎn)生較大的樁側(cè)應力，而在此計算模式下，所得樁側(cè)應力遠小于實際阻力。大變形模型通過考慮土體材料、幾何雙重非線性以及靜力貫入對初始應力的影響，能夠更為準確地模擬樁周土體的應力-應變情況。隨著有限元分析的不斷發(fā)展，目前國內(nèi)外學者(Kiousis et al.，1988；王浩等，2002)多通過建立大變形模型進行沉樁模擬。

3.1 靜壓沉樁模型的建立與優(yōu)化

近年來，國內(nèi)外學者對基于有限元法的靜力沉樁機理進行了一系列研究。Chopra et al.(1992)通過把沉樁過程模擬為土體逐漸劈裂過程，繼而擴張到樁徑，建立了靜壓樁沉樁模型。但該模型為小應變模型，未考慮樁-土相互作用的問題。Mabsout et al.(2003)在原有沉樁有限元模型的基礎(chǔ)上，同時考慮樁-土作用，優(yōu)化了原有模型，獲得了基于新模型的計算式。但因采用了施加力荷載的方式，難以模擬整個沉樁過程，因此無法獲得淺層地表處擠土效應的解答。羅戰(zhàn)友等(2005)通過建立以有限變形理論及土體屈服準則為基礎(chǔ)的壓樁有限元模型(圖7)，對靜壓樁沉樁產(chǎn)生的位移場進行了分析，得出了樁土模量比、樁土界面的摩擦特性及泊松比對沉樁位移場的影響規(guī)律。戚科駿等(2005)基于拉格朗日列式法，分析了壓樁時產(chǎn)生的大變形，引入樁-土界面間的接觸作用，并對樁周土體采用Mohr-Coulomb模型進行數(shù)值分析，得到了靜力壓樁過程中優(yōu)化的數(shù)值模擬模型。計宏等(2009)用從初始半徑a0的小孔擴張到2a0的過程來等效0～R的小孔擴張過程，將有限元分析運用到擴孔分析中，可對不同截面形狀的樁進行擴孔分析，與圓孔擴張理論相比具有更好的靈活性和適應性。畢慶濤等(2011)通過在樁頂應用位移邊界條件模擬了靜壓樁連續(xù)的貫入過程。同時，使用ALE方法對再次細分有限元計算網(wǎng)格以優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸，獲得了預制混凝土樁在砂土地基中的沉樁模擬過程，ALE法控制網(wǎng)格體積成形模擬過程(圖8)。ALE有限元綜合了拉格朗日有限元和歐拉有限元的優(yōu)點。它通過對材料運動和網(wǎng)格運動分別進行描述，有效地控制了計算網(wǎng)格的變形，從而保證了網(wǎng)格的計算質(zhì)量?？梢钥闯?，Lagrangian-Eulerian有限元技術(shù)和接觸力學技術(shù)能夠很好地應用于工程中的大變形與接觸問題。曹明(2015)基于疊加原理，通過有限元法計算樁-樁位移相互作用系數(shù)，同時考慮了樁土分離后樁體孔洞的存在情況，減少了群樁的計算量，又提高了計算精度。

圖7 有限元模型圖(羅戰(zhàn)友等，2005)

圖8 ALE法控制網(wǎng)格扭曲(畢慶濤等，2011)

3.2 基于有限元軟件的研究

隨著有限元軟件的普及，學者開始選擇有限元軟件對沉樁機理進行研究。ANSYS作為有限元分析軟件在沉樁機理研究方面具有較好的適用性，該軟件界面友好，操作簡便，可以任意更改命令流方式來進行模擬計算，同時它的網(wǎng)格劃分與結(jié)果后處理功能都很優(yōu)異。許多學者使用ANSYS有限元軟件對貫入機理進行研究：張明義等(2003a)基于有限元軟件ANSYS對靜壓樁進行研究，提出位移貫入法，該法通過控制邊界位移條件，考慮彈塑性本構(gòu)關(guān)系等復雜問題，使樁體貫入的模擬更符合實際情況。鹿群等(2008)利用ANSYS和位移貫入法對靜壓樁的整個沉樁過程進行了模擬，并對靜壓樁在均質(zhì)土和層狀土中產(chǎn)生的位移應力場進行了詳細的比較，經(jīng)模擬獲得了不同深度處的土體位移與應力。深度10im處的土體位移與應力曲線如圖9，圖10所示。

圖9 土體位移(鹿群等，2008)

圖10 水平擠壓應力(鹿群等，2008)

但ANSYS有限元軟件在土體本構(gòu)模型選擇方面有著較大的局限性。相比之下，有限元軟件ABAQUS能夠更好地滿足多種土體本構(gòu)模型的選擇，模擬的靜壓沉樁過程更為準確可靠。因此許多學者選擇通過ABAQUS有限元軟件對貫入機理進行研究：寇海磊等(2012)基于ABAQUS軟件模擬了層狀土中靜壓樁的連續(xù)貫入，在原有模型的基礎(chǔ)上優(yōu)化了平滑樁的尖角與分層平衡地應力，其優(yōu)化示意圖如圖11所示。同時設置了允許滑動的樁-土界面接觸與約束、基于位移貫入法的邊界條件設定等。獲得了應力分布模擬結(jié)果，較為合理，實現(xiàn)了對靜壓樁的連續(xù)貫入的模擬。周小鵬等(2014)在ABAQUS中建立了滲透管樁模型，模擬了滲透與樁周土體固結(jié)過程，并利用圓孔擴張理論驗證了模型，闡述滲透管樁貫入過程中位移場以及超靜孔壓場變化規(guī)律；對比分析靜壓樁和滲透管樁樁周土體固結(jié)性狀，開拓了有限元軟件的應用范圍。桑松魁等(2018)運用有限元軟件ABAQUS，在考慮土體彈塑性的本構(gòu)關(guān)系、樁-土的接觸類型以及土體初始應力的基礎(chǔ)上，采用位移貫入法和Mohr-Coulomb準則，建立了靜壓樁貫入土體的有限元模型，實現(xiàn)了樁體位移的連續(xù)貫入，探討了沉樁過程中樁周土的土中應力以及樁-土界面孔隙水壓力隨貫入深度的變化規(guī)律。肖昭然等(2019)采用有限元仿真軟件ABAQUS建立了靜壓樁沉樁過程的3D模型，基于莫爾-庫侖屈服準則，考慮到材料與位移的非線性和大變形，通過位移貫入法來模擬連續(xù)沉樁，得到了不同路徑上的應力與位移變化圖。

圖11 模型單元劃分與圓滑處理示意圖(寇海磊等，2012)

通過ANSYS與ABAQUS的對比，可以看出兩種有限元軟件有著各自的優(yōu)勢與不足，兩者的對比如表1所示。

表1 有限元軟件的對比

在理論分析方面，有限元方法在各類工程計算中應用較廣，該法能將土體位移、應力、孔壓等全面考慮。但在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，有限元模擬仍存在以下問題：

(1)有限元計算的計算結(jié)果取決于本構(gòu)模型的選取以及模型參數(shù)的設定。模型參數(shù)需要通過土工試驗來獲得，在目前的巖土工程試驗中，樣品的制備比較困難，模型參數(shù)的確定大多基于經(jīng)驗。

(2)對于靜壓樁的貫入過程難以進行準確的模擬，通過將有限元計算獲得的沉樁過程與實際沉樁過程進行對比，可以發(fā)現(xiàn)，有限元軟件對于沉樁貫入過程的模擬精度仍有待提高。

因此，對靜壓樁貫入過程的有限元模擬進行優(yōu)化設計，如何將基于大變形理論有限元模擬成果應用于實際分析，為實際工程提供參考依據(jù)，具有較大的工程意義。

4 對靜壓樁貫入特性理論研究的展望

4.1 3種理論方法的對比

通過對各種理論研究方法的分析，靜壓樁沉樁機理研究的主要問題為：(1)沉樁貫入阻力的分布；(2)總徑向應力沿水平方向的規(guī)律；(3)超孔隙水壓力沿水平方向的規(guī)律。

通過表2的總結(jié)對比不難發(fā)現(xiàn)，3種理論方法各有利弊，同時也相輔相成。圓孔擴張理論作為目前應用最為廣泛的理論研究方法，已成為理論研究的基石，其對研究沉樁過程中樁土界面的受力機制有著較高的適用性；應變路徑法對于圓孔擴張理論起到補充作用，可以給出沉樁貫入過程中樁周土體的應力位移分布規(guī)律；而有限單元法的全面性使其在靜壓樁貫入機理理論研究中的應用越來越多，成為工程計算中獲得土體應力位移的主要方法。

表2 理論方法對比

4.2 理論研究的展望

(1)在上述理論方法中，應變路徑法過于繁復，鮮有學者通過此法進行研究；有限元模擬法的力學原理快捷高效，但在進行模型參數(shù)取值時，范圍較廣，難以獲得確定值；圓孔擴張理論作為目前應用最為廣泛的理論方法，其對于沉樁過程中土體的側(cè)向擠壓擴張研究有著較高的適用性，方法也較為簡便；同時圓孔擴張理論存在一定缺點，圓孔擴張理論中未將深度方向的影響考慮在內(nèi)，將空間球(柱)體的問題簡化成平面上的應力-應變，該方法對于深度較小的情況適應性較好，但對于靜壓樁的貫入過程，簡單地將z坐標方向的影響直接忽略，會導致理論與實際應用間存在偏差。故有必要從理論分析入手，基于圓孔擴張理論，加以有效修正，從土的非線性、樁與土的共同作用、空間特性等對靜壓樁的沉樁機理本質(zhì)進行分析；而大變形問題的研究尚需深入。

模擬靜壓樁沉樁時，圓孔擴張理論為簡化計算，通常認為是平面應變，也就是孔壁的內(nèi)部壓力沿深度方向是恒定的，孔壁的摩擦力忽略不計，土體中應力不受深度方向的影響。這種假定不僅未考慮上覆土重的問題，而且忽略了壓力與摩擦力隨深度的影響，得到的位移、應力均與深度無關(guān)。對于樁長相對較小時，深度方向的影響較小；但樁長超過20im后，深度方向的影響不可忽視。因此，基于空間理論分析靜壓樁貫入特性，有著重要的工程和理論價值。

首先基于圓孔擴張理論，建立確定應力邊界條件的平衡微分方程；選擇合適的應力函數(shù)，對彈性區(qū)的應力、位移、超孔壓解析解進行推導，塑性區(qū)采用Mohr-Coulomb屈服準則進行求解，獲得塑性區(qū)應力、位移、超孔壓解析解。后續(xù)可通過實測數(shù)據(jù)驗證上述方法的準確性，并通過有限元理論進行數(shù)值分析，對理論公式計算值、工程實測值和有限元計算值進行對比分析，進一步驗證理論的正確性，得到更為準確合理的成果。

5 結(jié) 語

通過對靜壓樁的貫入特性的理論研究方法的總結(jié)與研究，可以發(fā)現(xiàn)：

(2)在傳統(tǒng)的圓孔擴張理論基礎(chǔ)上，可以通過應變路徑法對其進行有效地修正，并結(jié)合有限元分析和靜壓樁離心模擬試驗的方法，從土的非線性、樁與土的共同作用、空間特性等對靜壓樁的沉樁機理本質(zhì)進行分析。

(3)靜壓樁貫入機理問題中對超孔壓的解答也可應用于靜力觸探應力、孔壓觸探、樁基承載力的研究中，具有良好的應用前景。

(4)建議在今后的研究發(fā)展中引入“大變形”和“損傷”等概念，提高飽和黏土中靜壓樁貫入機理問題的研究，將有助于提高對靜壓樁沉樁貫入機理的認識，靜壓樁貫入機理研究水平的提高將推動我國靜壓樁施工和設計水平。