长短桩与等长桩的对比分析

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【摘 要】当在设计桩基础时碰到了含有多层可作为持力层的地基土时，为满足承载力和沉降要求，通常会考虑承载力较深的持力层，而采用全长桩基础设计，这样不仅浪费了浅部持力层的承载力，而且加大了工程资金的投入。采用长短桩基础则能很好的解决这些问题。本文将比较长短桩与等长桩，对桩与地基土之间的相互作用进行研究。

【关键词】长短桩；等长桩；有限元

长短桩基础就是一种新型的桩基础，与常规的设计方案对比，这种长短桩基础的长桩和短桩端分别设置于不同的持力土层中，从而能更充分地利用不同土层的承载力，这样不仅提高了地基的承载能力，同时也降低了工程造价。本文将在上部结构荷载、筏板面积与厚度、地基土层条件相同情况下，对长短桩基础与全长桩、全短桩基础的沉降和受力进行比较和分析，从而说明长短桩基础的应用优势。

1 模型参数的选取

本文将采用ANSYS有限元模拟方式进行模拟，对全短桩基础、全长桩基础以及长短桩基础分别进行模拟，对三种形式的基础采用同样的桩体材料，同样的筏板材料，同样参数的土体以及一样的Drucker-Prager土体本构模型。三个基础模型的四周施加垂直于面的约束，底部采取固定全约束（All DOF）。对筏板进行荷载施加，所施加的荷载值都统一设为10000千牛。然后进行计算，得出数据结果。

2 不同桩基础模型对比分析的内容

对全短桩基础、全长桩基础和长短桩基础在竖直荷载作用下，三种不同类型的桩基础的最大、最小沉降、差异沉、平均沉降进行分析。

对于沉降分析，选取筏板表面上的节点作为桩基础的总体沉降比较合适，因为筏板表面的沉降量的多少就是上部结构建筑物的实际沉降量，这些点最具代表性。

3 等长桩、长短桩基础沉降比较分析

三种桩基础所分析沉降基础的范围：

①在水平方向上：-8米≤X≤8米，-8米≤Y≤8米；

②竖直方向上：0米≤Z≤50米。

经过计算得出结果，全短桩基础沉降量如表1所示。

从表1中数据可知全短桩基础的沉降不满足沉降控制的设计要求。

当作用于浅层持力层的全短桩基础不能够满足沉降量的要求的时候，人们一般会采用全长桩基础设计，将长桩作用于更深层的持力层。全长桩基础沉降量值如表2所示。

虽然全长桩能够满足沉降的要求，时候由于其所需的材料费、人工费、施工费较多，浅部的持力层没有很好的利用上实为可惜。所以在此采用一种更加科学合理的长短桩组合桩基础设计方法，该方法充分的利用了持力层，很好的调节了地基土体的沉降，让筏板更均匀的沉降，并且大大节约了材料、人工等费用。

经过计算得出结果，长短桩基础沉降量如表3所示。

经过ansys有限元模拟计算，全短桩基础、全长桩基础和长短桩基础的沉降量如表4所示。

长短桩基础平均沉降量对比

根据数据显示采用的全短桩基础的模式沉降量太大，以致发生了严重的变形，而全长桩基础和长短桩基础的沉降量较小并且相近。因此短桩基础模式的设计不满足沉降量的要求，而长短桩基础和全长桩基础则满足此要求。但是由于全长桩基础的所需要的建筑材料量远大于长短桩基础，其施工难度也大于长短桩基础。

综上所述，在考虑沉降量的方面上，相比等长桩来说，长短桩基础不失为一种优化的设计模式。

4 等长桩、长短桩基础桩土轴力比较分析

对全长桩基础和长短桩基础、全短桩基础和长短桩基础同样位置桩的轴力进行对比和分析。

对于全长桩基础和长短桩基础，选取坐标点（2m，6m）的长桩，如图1和图2所示，其中黑色圆点表示短桩，圆圈表示长桩，下同。

全长桩基础与长短桩基础所选长桩的桩身轴力沿土体深度的分布曲线，如图3所示。

对于全短桩基础和长短桩基础，选取坐标点（4m，2m）的短桩，如图4和图5所示。

全短桩基础与长短桩基础所选短桩的桩身轴力沿土体深度的分布曲线，如图6所示。

从桩身的轴力分布图中可以看到，相对于全短桩基础而言，长短桩基础的长桩将一部分荷载传递到深层的持力层中，其大大减少了短桩的桩顶反力。相对于全长桩基础而言，长短桩基础由于搭配了短桩，使得长桩在有短桩存在的土体深度范围内其自身的轴力变化不大，而且在短桩以下的土体深度范围长短桩基础的轴力和全长桩基础的轴力大小也相差不大。

从图3中可以看出，长短桩基础中的长桩所承受的荷载要比全长桩基础中的小一些，这其中短桩在长短桩基础中起到了分担总体荷载的效果，很好地利用到了浅层持力层的资源。在此，明显可以看出在遇到多层持力层情况下的地基土时，用桩量更少的长短桩基础方案明显要优于全长桩，使得长短桩基础中的长桩承载力更小些，提高了承载安全。

在此对三种不同的桩基础进行三维弹塑性有限元模拟分析，主要是从沉降量和桩体的受力情况进行了分析，将所得的结果数据进行了分析与对比。显而易见，从基础的承载能力、基础的变形沉降量、桩身的轴力等综合进行比较，长短桩组合桩基础相对于全长桩和全短桩而言是一种更加有效的设计方式。

为了更深入的了解长短桩组合桩基础的工作性状，接下来对长短桩组合桩基础中桩与桩之间的影响系数作进一步分析，以及桩土相互作用进行更细深入的分析。

5 等长桩、长短桩基础建筑材料用量对比

三种不同形式的桩基础，分别使用了不同量的建筑材料，对此将对它们进行一个大概的工程造价对比。单对桩体材料用量作比较，不考虑地基土桩孔开挖，以及土方的运输等其他的工程费用。

对于三种不同的桩基础形式作工程话费的大概估算，都以所用建筑材料的体积来进行预算，短桩截面积0.25平方米，桩长20米，长桩截面积0.4225平方米，桩长50米。情况如表5所示。

从表中的数据中可以知道，采用长短桩组合桩基础比采用全长桩基础更节约工程材料，全短桩基础虽然用料更节省，但是沉降量过大。

6 小结

对比分析后得出全短桩基础沉降量相比长短桩基础要大很多，全长桩基础虽然在承载力和沉降量和长短桩基础的差不多，但是在建筑材料用量方面，全长桩基础却没有长短桩基础的有优势。

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