桩基竖向承载力研究及ansys模拟-毕业论文.doc

安徽理工大学毕业论文

本科毕业论文

桩基竖向承载力研究
VERTICAL BEARING CAPACITY OF THE PILE FOUNDATION

学院（部）：理学院
专业班级： 力学08-1
学生姓名： 陈阳
指导教师： 刘伟教授

2012 年 5 月 31 日

桩基竖向承载力研究

摘要

本文以江阴长江大桥北塔桥墩钻孔灌注桩工程为背景，基于大量的现场实测数据，分析了该地区大直径深长钻孔灌注桩在竖向荷载作用下桩土体系荷载传递的过程和规律，对涉及桩侧和桩端阻力性状的许多方面进行了详细的阐述。通过试桩的实测数据得出本地区一些土层的侧摩阻力达到极限状态所需桩土相对位移的范围，对于相似土性的土层，埋深越深侧摩阻力达到极限所需的桩土相对
位移越大。
对该工程1，2号试桩的曲线进行分析，得出该地区有关桩顶荷载与沉降关系的一些结论，并按一定桩顶沉降量计算得到直径2.0米桩的极限承载力，为以后的设计提供了参考，具有一定的实用价值。
针对桩基工程应用中的两个首要问题：承载力计算和沉降计算进行了研究，并对嵌岩桩和非嵌岩桩分别得出了工作荷载下单桩沉降的估算公式，同时又分别研究了在工作荷载和极限荷载下的桩顶沉降关系。

关键词：大直径深长钻孔灌注桩，极限承载力，沉降

I
VERTICAL BEARING CAPACITY OF THE PILE FOUNDATION
ABSTRACT

In this paper the jiangyin Yangtze river bridge north tower bridge pier cast-in-place pile engineering as a background, based on a lot of the field measured data, this article analyses the region deep in large diameter cast-in-place pile under vertical load of the pile soil system load transfer process and rule, to involve pile sides and bottom resistance many aspects of characters in detail through the test pile of measured data in the soil that some of the frictional needed to limit state relative displacement of the pile soil range, for the similar endemic soil layer, the deeper the buried depth side friction limits the pile soil relative displacement is bigger.
For the project of 1, 2, the curve of the pile test for analysis, that the region on pile top load and settlement of the relationship between some conclusions, and according to certain calculated pile top settlement of 2.0 meters in diameter of the pile of ultimate bearing capacity, provide the design for later reference, has certain practical value.
For pile foundation engineering application of two first problem: bearing capacity calculation and settlement calculation, and of rock-socketed pile and the rock-socketed pile obtained respectively working load pile settlement order the estimate formula, and at the same time, were studied in the work load and limit load of the pile top settlement relationship.

KEY WORDS: deep of large diameter bored piles, limit bearing capacity and settlement

目录

摘要（中文）………………………………………………………………………Ⅰ
摘要（外文）………………………………………………………………………Ⅱ
1 绪论………………………………………………………………………………1
1．1概述…………………………………………………………………………1
1.1.1  桩及桩基础的分类…………………………………………………2
1.1.2 单桩竖向极限承载力……………………………………………… 5
1．2 大直径深长钻孔灌注桩……………………………………………………5
1．2．1大直径深长钻孔灌注桩的定义………………………………… 5
1．2．2大直径深长钻孔灌注桩的特点………………………………… 6
1．3 大直径深长钻孔灌注桩单桩竖向承载性状理论研究方法现状…………7
1．3．1 荷载传递法………………………………………………………7
1．3．2 弹性理论法………………………………………………………8
1．3．3 剪切位移法………………………………………………………8
1．3．4 有限元法以及其它方法简化……………………………………8
1．3．5 灰色系统理论、神经网络理论和最优化理论…………………9
1．3．6 试验方法…………………………………………………………10
1．4 提高竖向承载力措施………………………………………………………11
1.5 问题的提出及研究意义…………………………………………………… 11
1.6 本文的研究思路和所做工作……………………………………………… 12
2 单桩竖向承载力…………………………………………………………………13
2.1 近似理论法………………………………………………………………… 13
2.1.1 桩端阻力的计算…………………………………………………………14
2.1.2 桩侧摩阻力的计算………………………………………………………14
2.2 直接试验法………………………………………………………………… 16
2.3 极限承载力外推法………………………………………………………… 18
2.4 小结………………………………………………………………………… 20
3 大直径深长钻孔灌注桩现场静载荷试验究……………………………………21
3.1 工程试桩简况……………………………………………………………… 21
3.2 试验成果…………………………………………………………………… 25
3.2.1 1号试桩极限承载力的判断………………………………………… 29
3.2.2 2号试桩极限承载力的推算………………………………………… 29
3.2.3 对北塔桥墩直径2m砖孔灌注桩极限承载力的估算值…………… 33
4．大直径深长钻孔灌注桩单桩的竖向承载性能及荷载沉降关系的研究…… 35
4．1桩土体系的荷载传递基本理论………………………………………………35
4．2荷载传递法的基本计算理论…………………………………………………36
4． 2．1荷载传递解析法………………………………………………………38
4． 2. 2荷载传递位移协调法………………………………………………… 38
4．3荷载传递法的应用…………………………………………………………… 39
4．4大直径深长桩的承载性状类型………………………………………………43
4．4．1承载性状分类…………………………………………………………… 43
4．5大直径深长钻孔灌注桩的进一步试验研究…………………………………44
4．5．1三种不同荷载阶段下单桩受力变形的特性研究……………………44
4．6 单桩沉降估算……………………………………………………………… 45
4．6．1概述……………………………………………………………………45
4．6．2单桩沉降组成…………………………………………………………46
4．6．3工作荷载下单桩沉降估算……………………………………………47
4．6．4极限荷载下单桩沉降分析……………………………………………49
4. 6. 5ansys模拟分析……………………………………………………… 51
5 结论与展望……………………………………………………………………… 55
5.1 结论…………………………………………………………………………55
5.2 展望…………………………………………………………………………55
参考文献…………………………………………………………………………… 57 致谢………………………………………………………………………………… 59

29
第1章 绪论
1．1 概述
桩基础是一种常用的基础形式，是深基础的一种。当天然地基上的浅基础
沉降量过大或地基稳定性不能满足建筑物要求时，常采用桩基础。桩基础的主
要功能是将荷载传至地下较深处的密实土层，以满足承载力和沉降的要求。桩
基础具有承载力高、沉降速率低、沉降量小而且均匀等特点，能承受垂直荷载、
水平荷载、上拔力及由机器产生的振动或动力作用等。
桩基的应用虽然己经经历了漫长的历程，然而审视现状，环顾世界各地，桩基的生命依然显得年轻，其应用前景仍然十分广阔。上世纪70年代以来，从国际范围看，单承载力与变形机理、设计理论、工程应用等均取得了新进展，桩型、沉桩技术与设备也有创新，桩基础作为一种古老和传统的基础形式随着工程实践和科学研究的发展，不断焕发出新的技术潜能。
随着我国工程建设事业的蓬勃发展，在高层建筑、重型厂房、桥梁、港口
码头、海上采油平台及核电站等工程中已大量采用桩基础，桩基已成为我国工程建设中最为重要的基础形式，在所有桩基类型中，灌注桩应用较为普遍，其中尤以钻孔灌注桩为主。
目前在高、重结构的基础形式中，特别是陆上的建筑工程及桥梁工程中，采用钻孔灌注桩施工效率高，经济效益明显，故钻孔灌注桩在我国得到广泛的应用，且为了满足建筑物承载力需要，大直径钻孔灌注桩在我国已成功应用于许多高层、重型建筑以及桥梁等市政工程中，桩的长度也随之增加，桩的容许承载能力可达数千至数万kN以上，并能满足水平荷载的要求。目前，大直径钻孔灌注桩的直径已达5m，甚至更大，入土深度已达120m以上。无锡八百伴商贸中心桩基试桩直径lm，桩长76.2m；南京长江二桥2个主塔桩基钻孔灌注桩直径3．0m的，桩长达83 m和102 m；芜湖长江大桥桩基础运用了桩径2．5m和3．2m，有效桩长5063m的钻孔灌注桩；苏通长江公路大桥工程中的一些钻孔灌注桩的桩径达2．8m，桩长达132m；湖南省湘潭二桥工程中运用了桩径5m和3．5m的钻孔灌注桩。
影响钻孔灌注桩承载力的因素远比预制桩复杂的多，比如成孔孔径及其随
时间的变化、桩长、施工工艺、施工人员素质、土层情况、泥浆性能指标、混
凝土灌注时间等等，且成桩后由于土体的蠕变特性，在接近极限荷载水平下持
续荷载将产生桩体附加沉降以及桩侧摩阻力的下降。简单地采用预制桩的承载
力推算钻孔灌注桩承载力的方法仅是一种应急之法。已有众多学者和施工单位注
意到这个问题，随着钻孔灌注桩的大量使用，有必要对钻孔灌注桩承载力进行全
面系统研究。
因此，合理地确定钻孔灌注桩的承载力，充分提高桩基的经济技术效益，是工程设计人员和施工人员十分关心的问题。
1.1.1  桩及桩基础的分类
 桩可按承载性状、使用功能、桩身材料、成桩方法和工艺、桩径大小等进行分类。
  1、 按承台位置高低分类
      ( 1) 高承台桩基: 由于结构设计上的需要, 群桩承台底面有时设在地面或局部冲刷线之上, 这种桩基称为高承台桩基。这种桩基在桥梁、港口等工程中常用;
      ( 2) 低承台桩基: 凡是承台底面埋置于地面或局部冲刷线以下的桩基称为低承台桩基。房屋建筑工程的桩基多属于这一类。
  2、 按承载性质不同分类
    （1）摩擦型桩
     ①摩擦桩: 竖向荷载下, 基桩的承载力以桩侧摩阻力为主, 外部荷载主要通过桩身侧表面与土层之间的摩擦阻力传递给周围的土层, 桩尖部分承受的荷载很小。主要用于岩层埋置很深的地基。这类桩基的沉降较大, 稳定时间也较长。
     ②端承摩擦桩: 在极限承载力状态下, 桩顶荷载主要由桩侧摩擦阻力承受。即在外荷载作用下,桩的端阻力和侧壁摩擦力都同时发挥作用, 但桩侧摩擦阻力大于桩尖阻力。如穿过软弱地层嵌入较坚实的硬粘土的桩。
    （2）端承型桩
     ①端承桩: 在极限荷载作用状态下, 桩顶荷载由桩端阻力承受的桩。如通过软弱土层桩尖嵌入基岩的桩, 外部荷载通过桩身直接传给基岩, 桩的承载力由桩的端部提供, 不考虑桩侧摩擦阻力的作用。
     ②摩擦端承桩: 在极限承载力状态下, 桩顶荷载主要由桩端阻力承受的桩。如通过软弱土层桩尖嵌入基岩的桩, 由于桩的细长比很大, 在外部荷载作用下, 桩身被压缩, 使桩侧摩擦阻力得到部分地发挥。
 3按桩身材料分类
  根据桩身材料可分为混凝土桩、钢桩和组合材料桩等。
     （1）钢筋混凝土桩
     混凝土桩是目前应用最广泛的桩, 具有制作方便, 桩身强度高, 耐腐蚀性能好, 价格较低等优点。它可分为预制混凝土方桩、预应力混凝土空心管桩和灌注混凝土桩等。
     （2）钢桩
     由钢管桩和型钢桩组成。钢桩桩身材料强度高, 桩身表面积大而截面积小, 在沉桩时贯透能力强而挤土影响小, 在饱和软粘土地区可减少对邻近建筑物
的影响。型钢桩常见有工字形钢桩和H 形钢桩。钢管桩由各种直径和壁厚的无缝钢管制成。由于钢桩价格昂贵, 耐腐蚀性能差, 应用受到一定的限制。
     （3）木桩
     目前已经很少使用，只在某些加固工程或能就地取材的临时工程中使用。在地下水位以下时，木材有很好的耐久性，而在干湿交替的环境下，木材很容易腐蚀。
    （4）灰土桩
    主要用于地基加固。
    （5）砂石桩
    主要用于地基加固和挤密土壤。
 4、 按桩的使用功能分类
     ( 1) 竖向抗压桩: 竖向抗压桩主要承受竖向荷载, 是主要的受荷形式。根据荷载传递特征, 可分为摩擦桩、端承摩擦桩、摩擦端承桩及端承桩四类。
     ( 2) 竖向抗拔桩: 主要承受竖向抗拔荷载的桩,应进行桩身强度和抗裂性能以及抗拔承载力验算。
     ( 3) 水平受荷桩: 港口工程的板桩、基坑的支护桩等, 都是主要承受水平荷载的桩。桩身的稳定依靠桩侧土的抗力, 往往还设置水平支撑或拉锚以承受部分水平力。
     ( 4) 复合受荷桩: 承受竖向、水平荷载均较大的桩, 应按竖向抗压桩及水平受荷桩的要求进行验算。
 5、 按成孔方法分类
    （1）非挤土桩
     非挤土桩是指成桩过程中桩周土体基本不受挤压的桩。在成桩过程中。将与桩体积相同的土挖出。因而桩周围的土很少受到扰动。这类桩主要有干作业法、泥浆护壁法和套管护壁法钻挖孔灌注桩。或钻孔桩、井筒管桩和预钻孔埋桩等。
     （2）部分挤土桩
     这类桩在设置过程中，由于挤土作用轻微。故桩周土的工程性质变化不大。这类桩主要有打入的截面厚度不大的工字型和H型钢桩、开口钢管桩和螺旋钻成孔桩等。
     （3）挤土桩
    在成桩过程中，桩周围的土被挤密或挤开，使桩周围的土受到严重扰动，土的原始结构遭到破坏，土的工程性质发生很大变化。挤土桩主要有打入或压入的混凝土方桩、预应力管桩、钢管桩和木桩。另外沉管式灌注桩也属于挤土桩等。

6. 按桩的施工方法分类
（1）预制桩
    在施工前预先制作成型，再用各种机械设备把它沉入地基至设计标高的桩，称为预制桩。
预制桩可以是木桩、钢桩或钢筋混凝土桩等
（２）灌注桩
灌注桩为在建筑工地现场通过机械钻孔、钢管挤土或人力挖掘等手段在地基土中形成桩孔，并在其内放置钢筋笼、灌注混凝土而做成的桩。
依照成孔方法不同，灌注桩可分为钻（冲）孔灌注桩、沉管灌注桩和挖孔灌注桩等几大类。
7. 按桩径大小分类
（1）小桩 d≤250mm
（2）中等直径桩 d=250800mm
（3）大直径桩 d≥800mm

图 1.1
桩的受力与承载如图1.1所示，本文主要研究大直径深长钻孔灌注桩的竖向极限承载力。
1.1.2 单桩竖向极限承载力
单桩竖向极限承载力：单桩在竖向荷载作用下达到破坏状态前或出现不适于继续承载的变形时所对应的最大荷载。
单桩竖向承载力取决于两方面：桩身的材料强度、地基土的支承能力
（1）按《建筑桩基技术规范》（JGJ94-94） 方法确定
单桩竖向极限承载力标准值确定方法：
§ 按静载荷试验确定
§ 按经验公式确定
（2） 单桩竖向极限承载力标准值
静载荷试验
§ 试桩数不小于总桩数的1%，且不小于3根；
§ 按P-s曲线特征或按沉降确定极限承载力实测值Qui；
§ 确定单桩竖向极限承载力标准值Quk
经验公式（物理指标法）
单桩极限承载力Quk由总极限侧阻力Qsk和总极限端阻力Qpk组成，若忽略二者间的相互影响，可表示为
（1.1）
（3） 单桩竖向承载力设计值
单桩竖向承载力设计值的确定
按静载荷试验确定 （1.2）
按经验公式确定 （1.3）
1．2 大直径深长钻孔灌注桩
1．2．1 大直径深长钻孔灌注桩的定义
研究表明，桩的承载性状在很多方面与其几何尺寸(桩直径、桩长)有关。对灌注桩按直径进行的分类，各国(地区)和各专业的分类标准不尽相同，主要视施工习惯及桩型承载性状等不同而区分。例如，我国香港地区将d≥600mm的灌注桩视为大直径灌注桩；我国《建筑桩基技术规范》(JGJ94．94)将d≥800mm的灌注桩视为大直径灌注桩。另外，王伯惠等提出将d2500mm的桩称为大直径桩。对桩按长度进行分类还缺乏统一的认识，尤其是对深(超)长桩的概念并不明确。
黄明聪、龚晓南认为桩长L>30m，或长径比40m为长桩，L50m、60m时可以称为超长桩；石明磊认为桩长L>60m或长径比50m的桩均称为超长桩；朱向荣认为长度L>50m的桩即为超长桩：俞亚南认为超长桩指桩径比L／D>50的桩。本文将桩径d800mm的钻孔桩视为大直径钻孔桩，将长径比40或L>40m的钻孔桩定义为深长钻孔桩，将L50m的钻孔桩定义为超长钻孔桩，当然，超长桩属于深长桩的范畴。
1.2.2 大直径深长钻孔灌注桩的特点：
(1)大直径深长钻孔灌注桩单桩承载力大，常可一桩一柱，布桩间距大，群桩效应小。
(2)大直径深长钻孔灌注桩属于非挤土桩，施工基本无噪音、无振动、无地面隆起或侧移，也无浓烟排放，因而对环境影响小，对周围建筑物、路面或地下设施等危害小。
(3)大直径深长钻孔灌注桩因其桩身刚度大，除能承受较大的竖向荷载外，还能承受较大的水平荷载，故能有效地充当坡地抗滑桩以及建筑物基坑开挖的支护桩。
(4)钻孔灌注桩最大的特点是可以穿过各种复杂地层，并可将桩端置于坚实土层或嵌入基岩，如南京长江第三大桥桩身嵌入微风化泥岩近三十米，这是其它施工方法很难做到的。
(5)大直径深长钻孔灌注桩由于在地下或水下钻孔灌注成桩，施工影响因素众多，故桩身质量不可能象预制桩那样稳定可靠。
(6)大直径深长灌注桩直径大、入土深，现有机具和人工挖掘都能进入各类
地基。且能把桩嵌入于各类新鲜基岩，这均为打、振、压入式桩所不及。
(7)大直径深长灌注桩可采取扩大底部的形式，更好地发挥桩端土的作用。
混凝土预制桩和大直径钢管桩一般不能扩底，沉管灌注桩之所以能扩底(如弗兰
基桩等)，也完全由于它采取了就地灌注的施工工艺。
(8)大直径深长灌注桩单桩承载力高，随地质条件、桩身尺寸和混凝土强度
等级不同，往往可达数千至数万kN。因此，它能满足高层、超高层建筑物框架、
框剪、简体、空间网架等各种结构体系或其他重型结构物承载的要求，且常可设计一柱一桩，不需桩项承台、大大简化基础结构。
(9)大直径灌注桩除能承受较大的竖向荷载外，由于桩身刚度大，还能承受较大的横向荷载，增强建筑物抗震能力；它能有效地充当坡地抗滑桩、堤岸支护
桩以及地铁或建筑物地下室基坑开挖的支护桩，还可在基坑开挖后继续作为地
下室的承重墙等永久性结构使用。相反，混凝上预制板桩和钢板桩等，因其刚
度较差、施工不易、拔出困难、防水性能不佳等原因而用得越来越少。
(10)大直径灌注桩通常布桩间距大，群桩效应微小，设计中毋需为此而进行烦琐的计算。对桩的沉降及其对邻桩和周围地基的影响，其估算也较常规的中
等直径桩更为简便。
1．3 大直径深长钻孔灌注桩单桩竖向承载性状理论研究方法现状
目前研究大直径深长钻孔灌注桩单桩竖向承载性状的方法主要有荷载传递
法、弹性理论法、剪切位移法、有限元法以及其它方法简化、灰色系统理论法、
神经网络理论和最优化理论法、试验方法等。
1．3．1 荷载传递法
荷载传递法也称传递函数法，由Seed和Reese(1955年)根据试验结果提出的，用来分析单桩的荷载传递规律及其沉降计算。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～土间的荷载传递关系；桩端处土也用非线性弹簧与桩端联系。这些非线性弹簧的应力～应变关系，即表示桩侧摩擦阻力 (或桩端抗力)与剪切位移S间的关系(～s或～s关系)，这一关系一般就称作传递函数。
荷载传递法概念明确、精度高、适应性强，一旦确定荷载传递函数后，只
要进行一些简单的数据运算便可得到桩的荷载～沉降曲线。根据求解桩身荷载传递微分方程的不同途径，该法可再分为荷载传递解析法和位移协调法两类。荷载传递解析法是由Kezdi(1957)和佐滕悟(1965)先后提出。常用的具代表性的传递函数模型有：Kezdi的指数曲线模型、佐滕悟的线弹性全塑性模型、Gardner的双曲线模型和Kraft(1981)提出的理想荷载传递曲线等等。而位移协调法是由Seed和Reese(1955)、Coyle和Reese (1966)提出的。位移协调法得到的传递函数一般比较复杂，要从其它途径获得，如根据平衡条件和位移协调原则，经反复试算以求得桩身轴向力和桩侧摩阻力。我国学者何思明、陈竹昌与徐和、陈龙珠、房卫民等人在荷载传递法研究中也获得了一定进展。何思明(1994)提出广义传递函数，它具有双曲线关系。陈龙珠(1994)提出双折线硬化模型，房卫民(1999)提出了三折线模型。龚维明等(1997)将荷载传递法与剪切位移法巧妙结合起来，提出广义荷载传递法，既考虑单桩非线性特征又考虑群桩共同作用。
目前，荷载传递分析法己被广泛地推广应用到桩基础的各个方面。例如戴国亮，郭忠贤等分别将其推广应用于嵌岩桩、夯实水泥土桩、复合地基单桩的荷载～沉降性状分析；傅旭东等根据桩周阻抗三阶段理论，提出用荷载传递计算单桩沉降可靠度的方法。总之，将荷载传递法应用于桩基础沉降分析时，如果具备标准化的地区性桩荷载试验资料和现成的计算机专用程序，则分析工作就变得较为简单。
1．3．2 弹性理论法
弹性理论法，将土体看成均匀各向同性的线弹性半空间体，用弹性模量()
和泊松比()两个变形指标表示土的性能．弹性理论法在今天已经发展成为一种可用于工程实践的、较为完整的理论体系。这些方法的共同特点都以弹性连续介质理论模拟桩周土体的响应，并都使用了在半无限体内施加荷载的Mindlin方程求解。Poulos和Davis，Mates和Poulos等以作用在各单元桩段四周圆环面积上的均布荷载代替桩侧剪应力分布，并且Poulos于1980年出版了基于弹性理论的桩基础经典著作Pile Foundation AnalysiS And Design，书中对桩基负摩阻力的现场实测，下拉荷载的时间效应，单桩负摩阻力的理论解答，群桩负摩阻力的综合分析以及实测数据与理论分析结果的对照作了一个整体的阐叙，对以后的研究工作打下了坚实的基础。
国内学者在弹性理论法的改进和发展研究方面也取得了一定成果。刘金砺对弹性理论法中的相互影响系数和沉降比的理论值提出了修正方案；汤永净以Poulos弹性理论法为基础，计算地下连续墙和中间支承桩的沉降。
1．3．3 剪切位移法
Cook(1974年)提出摩擦桩荷载传递物理模型，假定当荷载水平较小时，桩在轴向荷载作用下沉降较小，桩与土之间不产生相对位移，因此桩沉降时，周围土体也随之发生剪切变形。剪切力在桩侧表面沿径向向四周扩散到周围土体中。分析时假定桩侧上、下土层之间没有相互作用，此外，认为摩擦桩一般在工作荷载作用时，桩端承担荷载较小，计算中可略去，即假定桩沉降主要由桩侧荷载传递引起。以上所述剪切位移传递法不考虑上、下土层之间的作用，并认为地基土的剪切变形是线弹性的，且桩～土间不发生滑动，这些均与桩的实际工作性状差别较大。
Randolph和Wroth（1978)对剪切变形传递法作了补充和修正，提出桩的影
响半径与桩长及土层性质有关，并按弹性力学方法补充了桩端沉降量的计算式。
这与实际工程中土的非均质性及桩和土具有非线性的实际情况并不相符。另外
该方法假定桩～土之间位移协调，即桩～土之间不产生滑动，这与桩的实际工
作性状也不相符，仅在荷载较小时能得出较准确的解，荷载较大时，则会产生
较大的偏差。尽管如此，近年来以该法计算单桩沉降的可靠性己得到了工程技
术界广泛重视；另外该方法的一个主要优点是只要通过简单地推广便可进行群
桩的分析，没有考虑土连续性的方法则不能分析群桩。
1．3．4 有限元法以及其它方法简化

随着计算机的高速发展和计算技术的进步，有限单元法(FEM)、边界元法
(BEM)等数值计算方法也被引入桩基的计算分析之中，它以模拟功能较强而具有
较强的理论分析价值。
有限元法是用有限个单元体所构成的离散化结构代替原来的连续体结构，
来分析应力与变形。它很适于处理非线性、非均质和复杂边界等问题，而土体
的应力变形分析恰好就存在这些困难问题。此外，有限元可以把地基、基础，
甚至上部结构作为一个整体进行计算，可以考虑土体的非线性弹塑性，考虑地
基、基础和上层结构的相互作用，使它们之间本来存在着的有机联系得到很好
的反映。自1966年美国Clough和Woodward首先用有限元法分析土坝以来，有
限元法在岩土工程中的应用发展迅速。Ellison等人于1971年较早将有限元法用于单桩沉降计算分析，首先使用二维轴对称有限元法来分析钻孔灌注桩，Ottaviani将三维有限元用于群桩的分析，尤其是桩身与土之间的荷载传递特性。
有限元法也有缺点，如计算参数不易确定、计算结果及其影响因素间的关
系不直观等，而且其结果的准确性在很大程度上依赖于所选择的土和桩土界面
的本构关系模型参数是否能够准确地反映真实情况。对于单桩的有限元分析，可以按轴对称问题考虑，而对于群桩的计算则是一个连续半空间的三维问题了。三维有限元法计算精度很高，较为符合实际情况，但计算过程复杂，耗时较长。为此，需要较大的计算机内存和较快的运行速度，使得实用性受到限制。
边界元法计算工作量比有限元法要小，只需要对桩土界面进行离散，在接
触面用荷载传递函数或弹性理论模拟土的性状，建立桩土之间的平衡和位移协
调关系。但是边界元法难以处理土的非均质性，且需要对解析点进行双重积分，
有时这很困难并费时。 Poulous(1969年)提出了单桩沉降计算的边界元法，
Butcrficld和Bancrjee在1971年对边界元法加以深入。杨敏以边界积分法为基础分析桩，并以Mindlin应力解为基本解，在考虑各种非均质情况时要对基本解进行修正，使桩的分析结果适用于各种实际地基情况。
1．3．5 灰色系统理论、神经网络理论和最优化理论
灰色预测理论是一种新型预测理论，它利用连续的灰色微分方程模型，对系
统进行观察分析，并做出长期预测。在处理方法上，灰色系统理论首先将杂乱无
章的原始数据通过累加或累减整理成规律性较强的生成数，然后再进行进一步研究，从而使寻找数据内在规律的过程变得非常简单明了。根据灰色预测理论，把那些有限的、不确切的、包含系统行为特征的原始数据序列进行变换后，通过建立灰色微分方程，可对系统的发展变化进行全面地分析、预测，从而寻找到数据内在的规律性。我们知道，桩土体系是一个由桩和桩周围的岩土介质组成的复杂系统，用系统理论的观点来看，桩土体系是个灰色系统，因此，完全可以把桩基
工程的有关问题作为灰色系统来看待，用灰色系统理论加以预测。目前灰
色系统理论在桩基工程中的应用主要包括对单桩承载力、沉降的预测以及用灰
色关联分析研究单桩的承载性能，所采用的模型大多为GM(1，1)模型。用灰色
系统理论进行单桩极限承载力的估算，只需对单桩静载荷试验中各级荷载下桩
的沉降观测值进行累加或累减使之呈现一定的规律性，再用特定的函数去逼近
拟合建立灰色微分模型和响应函数，跟踪桩顶沉降随荷载增加的发展趋势，就
可以推测预定沉降对应的荷载值或预定荷载的沉降值。用灰色系统理论预测单
桩承载力和沉降还有不受样本数量限制的优点。
人工神经网络(ANN)是由大量而简单的处理单元以某种拓扑结构广泛的互
相连接而形成的复杂网络系统。神经网络具有自适应性强、非线性、容错性强
等特点，特别适用于处理各种非线性问题。在桩基工程中，神经网络方法更多
的被用于预测单桩的承载力、沉降和分析单桩的承载性能等方面。所谓最优化，
就是研究在一定限制条件下，如何寻找并选取某种方案以达到最优目的的一门
科学。对桩基进行优化设计，在保证安全的前提下，减小桩数或减小桩径，最
大限度的发挥地基土和桩的承载潜力，降低桩基造价，以达到技术效益和经济
效益的高度统一应该是桩基础发展的方向。不少专家学者己经在这方面展开了
积极的探索并取得了阶段性成果。
1．3．6 试验方法
目前研究桩基承载性状主要是指通过现场试验或模型试验，建立土的物理
力学性质指标与桩基承载性状的关系。如有些规范中根据土类、土的状态及桩基类型与成桩工艺确定桩侧阻力，采用原位测试(如：静力触探)估算单桩承载力等近年来，大量的工程技术人员还从理论与实践相结合的角度出发，又探索出各种单桩承载性能的简便估算方法。
用室内试验进行单桩荷载传递研究，集中在采用直剪仪或三轴剪力仪测定
不同土类、不同压力下土的荷载传递函数。Coyle和Reese在三轴剪力仪中测
定粘土与钢管桩间的荷载传递函数；Kezdi用直剪仪测定砂土的荷载传递函数。
目前绝大多数研究人员采用的是现场试验。现场试验主要包括单桩静载试
验及桩身应力测试，静载试验是目前研究单桩的承载性能及单桩荷载一沉降特性
最常用的手段。运用静力载荷法测试单桩竖向承载力，尽管设备笨重、造价高、
时间长，但迄今为止还是其它任何动力检验法无法替代的基桩检测方法，其试
验结果的可靠性也是毋庸置疑的。1989年由加拿大伯明翰公司(Berming Hammer)
和荷兰皇家科学院建工研究所(TNO)联合研制成功的静动法(Statnamic)，是目前国际上一种崭新的桩基荷载测试方法，它利用一个类似于火箭的装置，携带一定量的反力作用于桩头，点火后在桩头产生一个相对平缓持续的推力，从而获得
可分解的荷载试验曲线，最终通过解析处理获得静荷载曲线。该方法允许
测量最大承载力可达7000吨，而且不受桩型、桩斜和桩周环境的限制，特别适
用于测量斜桩、群桩和水上作业的各种桩型，简便易行，相对成本比静载低，
使试验结果更接近于静载，因此被称为静动法。目前已在荷兰、加拿大、美国、
德国、日本、韩国和新加坡等国得到认可和应用，我国建设部的质检中心于1995
年6月，首次运用静动法成功地进行了灌注桩承载力的测试表演，但至今未能
得到全面推广。20世纪80年代中期，在美国提出了一种桩承载力自平衡试验法
(也称Osterberg试桩法)，国内清华大学、东南大学等已开始对其进行研究，该
法是省去试验的外加反力系统，通过在桩体内植入扁式千斤顶进行试验，装备
简单，无需构筑笨重的反力设施，而且可以清楚地分出侧摩阻力与端摩阻力分
布和各自的荷载～位移曲线，试验成本也大大降低，近几年来该方法在我国公
路和铁路上得到推广应用。
1.4 提高竖向承载力措施
影响灌注桩承载力的因素较多，离散性较大，缺乏合理的评价指标。影响大直径灌注桩竖向承载力的主要因素有:桩侧、桩端土层性质，直接关系到桩侧摩阻和桩端阻力大小，该因素可在工程勘察时基本查明;其次是桩身混凝土质量，也可在成桩后通过超声波或各种动测设备测定和评价。另外对桩竖向承载力影响较大、也不容易检测或定量考虑的是:桩底沉