摘要：桩基础因其承载力高，能同时承受轴向和横向荷载的作用，且适用于多种工程地质条件，已被广泛作为高承载力及中、高压缩性土层地区的重型建筑物，以及承受水平荷载为主的水工、港工、海工建筑物的基础。传统的桩基设计理论认为：上部结构荷载全部由桩承担，群桩中各桩平均分担荷载，桩基承载力等于各单桩竖向承载力之和，其中桩基承载特征值等于桩基极限承载力特征值除以安全系数，安全系数的规定方面近些年提出了一些理论。目前桩基的安全系数是对整个桩土来说的，尚不能明确桩侧、桩端发挥的程度与安全系数之间的关系。为此，给出桩的工作机制以及桩端阻力及桩侧阻力两者所占的比例关系对安全系数的影响，建立桩端、桩侧阻力地基的两种安全储备系数，通过强度拆减法，实现客观的评价。现行《建筑桩基技术规范》中给出了一个笼统安全系数2。
关键宇：桩基；安全储备；安全系数
长期以来国内外许多学者和研究人员通过有限元来研究桩基承载力试图给出较为具体的数字，这些研究工作都假的了一些理想条件，是很多研究在实际应用中缺乏理论的验证。桩基极限荷载数值分析方法研究中一般使用的荷载增量方法研究桩基的极限荷载问题，判定条件仍沿用传统的判定方法，比较重视使用何种网格划分方法，如何降低计算模型的自由度。忽视了桩基础极限荷载判定方法这一核心问题的研究。也没有考虑端阻力桩侧阻力的比例关系对桩的安全系数的影响。
依据桩的荷载传递机理及桩基的受力情况，桩基可以分为摩擦性桩和端承型桩两种摩擦性桩主要由庄周土的摩擦力所承受，同时桩端土的反力也承受很小的一部分甚至可以忽略不计。端承型的桩的荷载主要由桩端的反力来承受同时桩周土的摩擦力也承受很小的一部分甚至忽略不计，纯摩擦型桩是指特别长是到桩端土的反力为零，纯端承桩的桩特别短桩周土的摩擦力几乎为零，纯摩擦型和纯端承型的桩几乎是不存在的。只是端部和侧部承受的的比例大小而定的，单桩的极限承载力的表达式，
R=qpAp+up∑qsili
R表示单桩极限承载力，qp表示桩端阻力，Up桩的周长，li桩的计算长度，针对基桩的安全性评价，现行规范要求通过桩基静载实验判别单桩极限承载力，其承载力等于极限承载力除以安全系数，安全系去2，这个系数是对于所有的桩基都能应用非常笼统，这样会造成材料的浪费，是桩的承载力得不到充分的应用，然而对于桩基静载实验，有限元荷载增量法来说，实现桩端阻力、桩侧阻力的发挥程度的双安评价是比较困难的。安全储备系数是基于有限元极限分析的强度拆减法，意义是；在桩端固定荷载客观的桩基承载力与该值的比，反映了人们为了确定极限荷载尚有的安全储备，在强度拆减法应用中要考虑，端阻力与侧阻力之间的关系，桩基础在承受荷载过程中桩侧与桩端阻力发挥的机制不同，桩侧阻力是桩与土之间的相互作用，桩与土接触面发生相对位移，在接触面产生摩阻力，大小沿着入土长度逐渐减小，而端阻力是再桩侧阻力发挥完，装端阻力才发挥其作用，属于接触面的土材料破坏。桩端阻力是桩端的压缩其下的地基，产生深部的滑移这种阻力收到桩端压力、滑移面的法向应力、材料的强度，装侧阻力等因素影响，属于材料压缩剪切破坏。基于有限元强度拆减法极限分析，桩基础的安全储备是材料的强度参数，粘聚力和摩擦角的强度拆减系数，在判断固定荷载条件下桩基基础尚具有安全储备的情况下，这一系数不同于传统的安全性评价。基于现行规范所给的安全系数应为侧摩阻力所占比例比较大的时候才用，而端阻力所占比比较大时安全系数应有所降低，基于这一假设引用有限元理论加以证明。
1、理论分析
在有限元法中各个单元的节点力和节点位移关系的建立，要利用虚位移原理，实际上是位移的变分方程在单元上的应力。利用最小势能原理，可以求出单元的刚度矩阵及节点荷载，其基本思想就是将连续的求解区域离散为一组有限个单元、且按照一定方式相互联接在一起的单元的组合体。用有限元法计算空间问题时，其方法与计算平面问题相似，就是把一个连续的空间体变换成一个离散的空间单元。其强度准则采用屈服强度准，桩与桩周土体的滑移面通过有限元分析软件的单元实现，采用积分方法选用拉格朗日法，提高接触单元的允许压应力参数和函数的收敛性。
2、算例，大直径挖孔灌入桩双安全储备系数分析
地质；粘土厚度3.2m，细沙6，2m、砾石9.2m桩基采用C25桩长为1 2m桩径为0.8的人工挖孔灌入桩，根据重型动力触探数据桩侧地基桩侧地基土的弹性模量采用各层土本身的弹性模量混凝土的桩体的弹性模量为，E=2.5GPa，μ=0.2；装的静载试验采用维持荷载法，最大加载量为53200KN桩顶位移为208.34mm桩顶载荷为4200KN时，试验p-s曲线出现拐点，确定极限承载力为4200KN，对应的桩顶位移为120.2mm，桩侧地基强度拆减与相应阻力的变化曲线。
桩身单元类型为实体单元（solid45）采用三角形网格划分，采用的是自由网格划分方式，边界条件由于所研究的模型是属于轴对称模型只取其1/4，XZ面、YZ面为对称面，所以在XZ面、YZ面上施加对称约束；除上表面约束外，其余各边界均为固定约束。
3、计算理论
固体力学主要研究变形体对外部作用的响应。实际上就是对一个物体施加载荷的过程，就是施加者、被施加者之间相互接触、作用的过程，只不过当满足一定条件时，我们将其中的一方简化为明确的、不变的作用，成为应力或边界条件，而研究另一物体的受力和变形，这就是经典固体力学的主要研究内容；当一方不能或不宜简化为应力或位移边界条件而必须同时考虑各物体的受力和变形时，即为我们所说的接触问题，接触问题是典型的边界非线性问题。在接触问题中边界条件通常不能直接给出，他随接触过程的发展而变化。简单的弹性接触问题自上世纪末就有Hertz研究过，即著名的Hertz问题。 在桩体表面施加面荷载，考虑土体的自重，荷载直接施加于实体模型上，在有限元软件求解时程序将自动将所加荷载转换到节点和单元上。在采用有限元软件对桩、土共同作用分析时，首先采用单因素分析。即分析时计算参数可分为固定参数和可变参数两大类，固定参数在模拟计算过程中主要发生变化。
求解过程，求解非线性方程组的方法采用牛顿一拉普森迭代法，在每次求解前牛顿一拉普森法计算出残差矢量，这个矢量是恢复应力和所加荷载的差值，然后使用非平衡荷载进行线性求解，且检查平衡方程的收敛性，如果不满足收敛准则，则重新计算非平衡荷载，修正刚度矩阵，重新求解并持续这种迭代过程直到问题收敛。
经有限元分析桩的P-s曲线比较完整。达到极限荷载前，静载荷试验和荷载增量法计算的荷载位移曲线拟合得较好，单安全储备系数与桩一土系统安全储备系数的计算误差为0.6%的误差，双折减系数法计算的极限荷载与静载荷试验确定的极限荷载为5%。折减系数法、双折减系数法的计算误差较小，单桩安全储备系数和桩一土系统安全储备系数表达式的分析，曲线均表现出明确的拐点直线段和V型尖点变化，物理意义比较明确，所得到的强度拆减系数（安全储备系数）反映了基础桩的客观承载能力。
4、结语
随着对桩土相互作用机理的深入研究，以沉降为控制条件的复合桩基设计理论得到了广泛的应用，如今这一方法已日趋成熟。近年来对于桩土相互作用又出现了一些新的观点和方法，本文对此进行了分析总结。复合桩基设计思想是桩筏基础研究中的热点问题，桩筏基安全储备分析可以减少材料的浪费。而采用带垫层的复合桩基，桩基础的端阻力、桩侧阻力的发生机制不同，占总承载力的比例不同，在基础极限荷载中的重要性也就不同。本文研究了桩端、桩侧材料双强度折减系数的非线性有限元分析方法，反映了桩基础承受竖向荷载过程中桩端、桩侧阻力的发挥程度。计算结果表明，地基材料的强度参数接近于实际情况时，双折减系数法计算结果接近于静载荷试验、荷载增量法和单折减系数法的计算结果。因静载荷曲线、位移曲线、强度折减系数一阻力曲线其变化特征与算例一致，所确定的桩一土系统安全储备系数与单折减系数法的安全储备系数的误差也在允许范围内。综上说明，基于桩基础工作机理的复杂性以及桩侧土体的摩阻力比例的比例不同，建立桩端、桩侧地基两种强度折减系数，通过有限元极限分析方法实现了客观评价桩安全储备问题。