摘要：从计算模型和控制理论两方面详细分析了桩—土—结构共同作用设计理论的发展及研究现状，指出了目前在设计中存在的不合理及有待改进的问题。提出了以控制差异沉降为目的、引入桩土接触单元同时考虑土体固结和上部结构刚度的计算思路。
关键词：共同作用；差异沉降；接触单元；固结
随着高层建筑的日益发展，桩基础得到了越来越广泛的应用。桩基础不但能提高地基的竖向承载力，而且可以有效减小建筑物的沉降，同时提高了建筑物抵御复杂荷载的能力。在实际应用中，桩基础通常都是以桩-承台的形式工作的。桩—土—结构共同作用理论是桩基础课题的关键所在。本文在对桩土共同作用的计算模型和控制理论两方面详细分析的基础上，提出了以控制差异沉降为目的、引入桩土接触单元同时考虑土体固结和上部结构刚度的三维有限元计算理论。
1 桩—土—结构计算模型
桩—土—结构计算模型经历了不考虑共同作用、线弹性共同作用和非线性共同作用三个阶段。
1.1 不考虑共同作用
研究初期，由于计算机的限制及理论的不成熟，建筑设计主要以手算为主，建筑物与地基之间根本无法考虑共同作用问题。对于地基的受力计算，主要是采用结构力学的方法，将整个体系分成上部结构、基础和地基三部分独立求解。当采用桩基时，建筑物的荷载全部由群桩承担，不考虑地基土的贡献。以上方法满足了总荷载与总反力的静力平衡条件，但没有考虑地基刚度和结构刚度的相互影响引起的内力重分布，从而使得计算结果与结构体系受力情况有较大差别。
1.2 线弹性共同作用
研究表明，承台可以分担20%以上的上部荷载，不考虑相互作用的计算理论保守且不科学。其实，早在上世纪三四十年代上海的桩基础设计曾经采用简易的考虑桩土共同作用的计算模型，但以后没有得到推广。到上世纪七十年代，考虑承台底土体承担荷载的共同作用理论成了当时研究的热点。butterfield和banerjee在假定承台地面光滑、承台刚度无限大的基础上，对桩-土-承台体系进行了弹性分析，研究了桩台系统的荷载位移性状及承台与桩的荷载分配，分析表明：各桩在承台参与作用时承受荷载与承台不参与作用时有明显差别。randolph、poulos等对此均作了一定的研究，后来发展成分别以mindlin位移基本解、应力解为出发点的位移法、应力法。cooke等提出了以桩周同心圆式分布的弹性剪切位移场模式为基础的剪切位移法，并用于分析单桩、群桩与土的共同作用。尚守平等用位移系数来求解群桩中每根桩的荷载分配系数,以及应用geddes的应力系数计算桩、土地基的柔度矩阵，对桩箱基础与地基土的共同作用进行了弹性分析。
线弹性共同作用理论考虑了桩—土—承台的相互作用，尤其是考虑了桩、承台与地基土共同分担荷载，是一个很大的进步。但是，以线性关系表示桩—土—承台的相互作用过于粗略，与实际差别较大。
1.3 非线性弹性共同作用
弹性分析虽然引入了共同作用理论，但设计理论与实际的桩土工作机理存在较大的差别，设计中诸如桩土荷载分担比等基本设计参数都难以明确确定，以致桩和土的承载力不能充分利用。另外，由于地基土在线弹性工作阶段的承载力有限，故仅考虑土与结构的线性共同作用意义不大，考虑非线性的共同作用成了必然。
burland首先建立了桩筏三维非线性有限元计算模型。宰金珉等在弹性剪切位移法的基础上，提出了考虑桩周土体非线性的广义剪切位移法，并把其推广应用到群桩的共同作用分析，指出非线性分析的关键是解决桩周土近域位移场的非线性。estorff等分别采用杂交元对桩土结构进行了非线性耦合分析，并实测数据进行了验证。这些说明非线性的共同作用理论是必要的，是将来的发展方向。
2 桩—土—结构共同作用控制理论
2.1 强度控制
强度控制理论是早期的设计理论，主要以承载力为控制目标，很少考虑地基土的承载能力，直接采用结构力学方法计算内力。理论和工程实践表明，这种设计忽略了建筑物可以承受一定沉降量的可能性，非常保守，计算结果与实测数据相差很大，存在着较大的缺陷。
2.2 变形控制
变形控制的出发点是设计桩和土同时参与承受荷载，在强度满足的情况下，其主要通过抽桩、调整地基刚度和采用复合桩基三种方法来实现减小基础沉降，桩的数量由变形控制决定。
首先讨论抽桩的可行性。“抽桩”是指考虑土的承载力对传统计算的桩数、桩距分别进行减少和疏布的一种设计方法。burland根据桩土相互作用的理论研究指出，对于天然地基的强度能满足要求但沉降却过大的情况，可以用少量的桩来减小基础沉降。hooper根据计算分析指出，桩数的进一步增加对减小沉降和差异沉降的作用并不明显。cooke指出在桩距小于4倍桩径时在设置更多的桩并不能有效的减小沉降。randolph指出桩的作用是把沉降减小到一个可接受的水平，桩基础设计应向极限承载力设计，同时强调了非线性设计的必要性。工程实例表明：桩基础的实际沉降量远没有计算的那么大，在牺牲少许沉降的情况下就可以节约可观的桩数。这些都说明当考虑土参与承载时，通过抽桩来控制变形是可行的。
抽桩的本质是调整基础的刚度，调整地基刚度的设计理论由此而生。宰金珉、刘金砺等对此作了充分研究，并应用于工程实践。目前调整地基刚度的概念基本摆脱了抽桩的束缚，而是通过调整桩长、桩径、桩距等因素实现，布桩方式主要有外强内弱、内强外弱两种方法。两种方法都是以均匀布桩为基础的，外强内弱布桩从减少各桩的反力差值出发，但会在筏板中产生较大的弯矩；内强外弱从控制沉降出发，可以有效减少筏板中的弯矩和上部结构的次应力，但沉降会有所加大。对于桩基础，一般宜选用控制沉降的内强外弱布桩。宰金珉在调整桩长的基础上，把改变桩径也引入到调整基础刚度中来，进一步提出了“复合桩基”的新概念，并给出了复合桩基承台下土体的极限承载力提高值的理论解。赵锡宏、杨敏等对按变形控制的桩—土—结构共同作用理论均作了较为详尽的研究。
变形控制的共同作用理论很大程度上考虑了地基土的反力，较强度控制是很大的进步。
2.3 强度变形双重控制
当前人们强调的多是按变形控制的共同作用控制理论，往往忽略了对强度的验算，其实中桩—土—结构的强度与变形是相辅相成的，两者都要满足。宰金珉在复合桩基理论的基础上，分别根据强度条件和变形条件，得到了复合桩基的最大可建层数的简明表达式，结合实际工程和相应的算例说明无论是片面强调按强度控制进行桩基设计，还是片面强调按变形控制进行桩基设计，都是不对的，而应该按强度和变形双重控制进行桩基设计。
龚晓南在双重控制理论的基础上，提出了局部内强外弱的布桩方法，来减少筏板基础的局部内力。宰金珉在桩土明确分担荷载的设计理论基础上，进一步提出了双重控制的塑性支承桩-卸荷减沉桩的新概念，并应用与多个工程实践，取得了良好的经济效益。复合桩基设计理论的核心概念就是人为地令单桩工作荷载接近或等于单桩的极限荷载。对特大桩距的复合桩基，可以认为各桩的工作如同一个完全塑性的支承，它始终可承担极限荷载，任何新的荷载增量它都不再参与分配，也不再提供任何新的支承刚度，这时沉降状态仅由桩间土的抗变形能力控制。塑性支承桩的概念是双重控制理论的一个重要体现。
按强度和变形双重控制的复合桩基非线性设计理论摆脱了传统桩基设计理论的束缚，开创了桩基设计的新思路，为实现真正意义上的桩基优化设计提供了保证，使得降低基础工程造价成为可能。
3 有待解决的问题
3.1 考虑地基土固结
值得注意的是上述研究分析中，都没有考虑土体固结对共同作用的影响，这显然不能很好的反映桩—土—承台共同作用的机理。
3.2 控制差异沉降
虽然桩基础有一定的承受变形能力，但考虑非线性共同作用的沉降计算方法目前还不成熟，故应在强度和沉降双重控制的基础上，考虑土体固结，通过调整基础与地基的刚度，建立以控制差异沉降为控制目标的设计理论和计算方法。
3.3 模拟接触问题
其实建筑物的上部结构、基础基本为钢筋混凝土结构，具有很大的强度和刚度，而地基土的强度和刚度与混凝土相比非常小，如此两种物理力学性质相差很大的材料在受荷后接触处力的传递机理、变形协调、应力应变状态都应该引起重视，应在接触处设置接触单元来模拟这一问题。
参考文献
[1]宰金珉, 宰金璋. 高层建筑基础分析与设计[m]. 北京：中国建筑工业出版社,1993
[2]龚晓南, 陈明中.桩筏基础设计方案优化若干问题[j].土木工程学报, 2001, 34(4): 107-110.
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