研究背景及意义

20世纪60~90年代，大量修建的多层建筑物基本上采用了天然地基或简单处理的浅基础。回填土不密实及雨水长期浸泡可造成地基不均匀沉降，导致建筑物出现倾斜开裂。考虑到建筑物上部结构基本完好，没有到达设计基准期，满足后续年限使用要求。

为保证建筑物的安全和正常使用，应对建筑物进行纠偏处理，对其基础进行加固处理。目前国内外在处理建筑物沉降和基础加固方面，已经积累了大量的理论和实践经验。常用的纠偏方法主要有顶升纠偏、掏土纠偏、静压桩纠偏、断桩法纠偏等。

目前常用的基础加固措施主要有锚杆静压桩加固、基础注浆加固等，具体问题可根据房屋结构情况、基础类型、地基和地层情况，选择不同的纠偏，加固方法。既有建筑地基基础纠偏加固工程，因其设计要求或施工条件限制。

要求加固施工使用的机械设备能够尽可能地紧邻既有建筑或是在既有建筑内部施工，但由于客观条件限制，常规纠偏方法难以有效处理该类情况。

微型钢管桩因其独特的优越性，如施工所占场地小、钻孔适用各种类型的土、布置形式灵活、受力明确、施工简单、工期短且加固费用低等特点，被广泛应用于基础托换与纠偏加固中，Tom Armour对这种新型桩体的应用，以及适用范围等方面做了详细介绍。

随着被加固结构日趋复杂，主体结构的体积及高度也越来越大，建筑物对不均匀沉降的敏感也随之增高，微小的沉降差可能对结构的安全性产生重大影响，被加固建筑的沉降必须严格控制，控制桩体沉降需要对桩基承载力进行定量计算。

计算的目的是检验桩体是否发生破坏，而桩体的破坏不一定为材料破坏，总的来说，其破坏模式主要有三种形式:刺入破坏、整体剪切破坏、失稳破坏。当桩基发生整体剪切破坏和刺入破坏时，其分析计算可采用常规方法进行。

目前理论较为成熟，但当桩基发生失稳破坏，且长细比较大时，失稳荷载的计算结果与实际桩基失稳承载力有较大出入，桩基失稳破坏的核心问题是探索力与沉降的关系，一般认为荷载不继续增大，但桩体继续发生沉降。

桩基就失去承载效果了，就可认为桩基发生失稳破坏。微型钢管桩直径小，桩身长细比大而稳定性不佳，其失稳承载力的大小成为房屋纠偏、加固的主要控制因素。

现有理论计算桩基失稳承载力与实际情况有所出入故当采用微型钢管桩对建筑物进行纠偏时，有必要对微型桩失稳机理展开研究，确定失稳承载力。

国内外研究现状

综述早在20世纪20年代，有关基桩稳定性的理论分析及试验研究就已有报道，当出现以下2种情况时需在设计和施工中考虑桩基的屈曲稳定性：(1)码头或海上平台的部分嵌入桩；(2)软弱土体中的细长桩(特别是当长细比大约为50时)。

根S.Lin等研究表明：当软土土体的不排水剪切强度小于30kPa时，桩体(特别是细长桩)发生屈曲失稳的几率将大大增加。另外，地震作用、土体液化和土体侧向运动等问题，引起的桩体屈曲也已越来越备受关注。

但因受边界条件、桩侧土抗力、桩侧摩阻力及桩体本身材料等诸多因素的影响，长期以来只能靠定性分析、简单的验算复核及经验方法加以解决，其结果或保守或偏于不安全，许多问题仍难以解决，不得不依靠大量工程实践进行逐步修正。

目前国内各行业如铁路、公路、港口等均采用类似的经验方法，即根据桩入土深度、桩端约束条件以及桩侧地基土强度等参数，差表计算桩的稳定计算长度，后代入公式进行验算,这一做法尚存在一定问题而有待完善。

目前研究桩基失稳分为三类方法：一种是试验手段，分为现场试验和模型试验，通过实测以及相似理论来推测桩基失稳荷载大小指导施工；另一种研究问题的角度就是从理论出发，抓住桩基受竖向荷载时的主要受力特征。

把工程实例转化为理想的物理模型，建立数学物理关系展开研究，通过计算得出较为理想状态下桩基失稳荷载，指导工程施工；最后一种是在基本原理上采用有限元的计算方法，即在计算机内建立相应的物理模型。

将桩沿纵轴划分为若干单元，每一个单元长度可以相等，也可以不等，根据需要确定。根据力的平衡以及位移协调平衡建立方程。然后采用计算机编制相应的语言进行计算。

1.2.1国内外试验研究现状现场

试验一般为原型试验，通过静压试验结合相关规范得出失稳荷载值。但由于客观条件限制，也可通过设计室内模型试验代替，结合相似理论，推测桩基失稳承载力。20世纪50年代后，不少研究者开始进行一系列基桩屈曲试验。

1957年，Brandtzage对桩基失稳问题进行了试验研究：通过对钢轨桩进行屈曲试验，结合当地规范给出了失稳承载力；为了更好研究桩基失稳的相关因素，Golder开展了室内钢筋桩模型试验，取得了理想的结果。

Bergfelt分别采用不同材料来探究桩基失稳，根据钢、铜及木桩抗弯刚度的不同构造不同的刚度比设计了室内模型试验，分析了桩基失稳的主要因素[36]；1964年Klohn和Hughes进行了现场木桩试验。

1968年Lee采用钢、铝桩进行了室内模型试验；1981年Sovinc采用钢管桩进行了现场失稳试验，得到了较好的实验结果；有机玻璃棒力学性能良好，1990年赵明华进行有机玻璃桩失稳室内试验。

试验者在桩基失稳的理论上有重大突破，且该试验一定程度上验证了理论的合理性；在求解桩基的各类失稳理论中，都要用到桩基在变形时的桩身的横向位移随桩长变化的挠度曲线，简称挠曲线，但挠曲线一直为假设形式。

大部分理论研究者都假设挠曲线为正余弦函数，为了对桩基挠曲线形状直接观察，2015年齐昌广采用一种在无围压条件下的1g小规模透明土物理模拟试验，观测不同约束形式下完全嵌入模型细长桩的完整屈曲曲线。

同时，结合粒子图像测速(PIV)和近景摄影测量技术，非介入的测量细长桩屈曲引起的土体变形。采用激光面照射透明土模型并拍摄下细长桩屈曲引起变形的数字图像，利用PIV获得所产生的位移场，以上就是试验对桩基失稳荷载的探索。

1.2.2国内外有限元法研究现状

随着计算机技术的快速发展，数值计算在工程研究上均取得了广泛应用。作为工程数值分析的有力工具，有限元法已经在固体力学和结构分析等领域取得了巨大成就，并己经发展成一个学科领域。

有限元法的成功的关键在于通过将复杂问题的分析域离散成若干单元,然后分片插值,由此建立系统的近似方程组而使问题得到求解，现有求解基桩屈曲临界荷载的有限元法，实质为平面杆系矩阵分析法。

首先将桩身划分为若干单元，利用势能驻值原理，获得各单元的刚度矩阵后，按“对号入座”的方法组成与桩顶荷载有关的总刚度方程，即[K]{δ}={P}，[K]为总刚度矩阵，{δ}为节点位移向量，{P}为节点列向量，即{δ}=[K]-1[P]。

当桩发生失稳变形时，刚度矩阵[K]的行列式为0，故{δ}竖向位移无限大，故可判定桩基发生失稳。采用有限元求解桩基失稳的研究成果也较多。Bowles应用有限元法得到基桩屈曲解答；Desai通过有限元方法建立了桩基础的三维数值模型。

同时通过现场试验获得了大量实测数据，通过实测数据与有限元计算结果进行对比分析，验证了有限元方法的有效性，并利用数值模拟分析了桥梁桩基础各项工作特性；贾强采用比例为1:2的室内模型和非线性屈曲数值计算的方法。

获得了桩顶受压时钢管桩的应力分布以及极限承载力，并通过进一步计算，得出其受压稳定性和计算长度系数。

1.2.3国内外理论研究现状

近年来，国内外许多学者对桩基稳定问题进行了理论研究。1744年Euler对压杆失稳做出了开创性研究，通过研究压杆的曲率与截面弯矩的关系，得到了压杆受竖向荷载时的挠曲线函数，通过边界条件及几何关系得出失稳荷载表达式。

得出了不同边界条件下无侧向约束时压杆的失稳公式，经计算可知失稳荷载大小与压杆抗弯刚度成正比，与杆件长度的平方成反比，且边界条件不同失稳荷载不同。当桩体作为基础和土体共同工作承担上部荷载时。

需要考虑地基土对桩体的横向反力以及竖向的侧摩阻力对失稳承载力的影响。将实际问题转化为物理力学问题，需要对地基土和桩体进行合理假设，桩体可假设为理想弹性体，地基土可假设为半无限空间的理想弹性模型。

目前，用于分析桩土相互作用的弹性方法主要有Winkler的地基反力法和Poulos提出的弹性理论法，这是对桩土相互作用两种不同的假设方法。1876年E. Winkler提出弹性地基模型，将土体对桩身反力看作无数横向互不联系的土弹簧。

其位移与压强的关系为p kw。k为地基抗力系数，在《建筑桩基技术规范》中有如下表述：当地基抗力系数k随深度不改变时，则称这种桩土相互作用的假设方法称为“k”法；当地基抗力系数k随深度线性增加，此法称为“m”法。

地基抗力系数k随深度呈指数为0.5的幂函数增加时，此假设方法称为“c”法。该假设方法不仅使数学力学计算得以大大简化，而且能保证计算精度。1973年，Poulos根据桩、土界面处应力平衡和位移协调的原理。

完整地提出了被动条件下单桩的弹性分析理论：将土体看作理想弹性材料，其应力-应变关系满足半空间集中荷载作用下的Mindlin解答，并用该理论解决桩基屈曲问题。在解决桩基屈曲问题上。

Winkler的弹性地基模型运用的最为广泛。在研究桩基失稳初期，研究者的思路是将桩体在土中失稳问题转化为欧拉失稳模型，张学言将桩基失稳问题等效为在原土面下嵌固一定深度悬臂桩的压杆失稳问题。

等效条件为：在同样的水平力或力矩作用下，两者具有相等的桩顶水平变位或转角，称悬壁桩为弹性桩的等效桩。其后用静力法解答。该方法的目的是把存在约束条件的桩基失稳问题转化为无侧向约束下欧拉失稳问题。