什么是桩的横向受力计算?

[拼音]：zhuang de hengxiang shouli jisuan

[外文]：calculation of laterally loaded pile

桩除了支承轴向荷载外，有时还受到垂直于桩轴方向的横向力及弯矩的作用，如码头、海洋构筑物或挡墙下的桩基。分析地震对桩基的作用，亦有假定在桩顶施加等代横向静荷载的方法。桩是细长构件，在横向受力时的承载力远小于轴向受力时的承载力。但在近代海洋石油平台中应用的大直径厚壁钢管桩，使单桩横向承载力也能高达数百吨。

在横向力或弯矩作用下，单桩可能因出现下列情况而破坏：

（1）桩身由于荷载产生的弯矩过大而断裂；

（2）桩周土被挤出，从而导致桩的整体转动、倾倒或桩顶位移过大。

单桩的横向承载力与桩的入土深度、桩的截面强度和抗弯刚度、桩顶和桩底的嵌固条件、荷载性质、有无轴向荷载同时作用、桩周土的强度与变形性质以及上部构筑物特性等许多因素有关。常分别按刚性桩和柔性桩计算。

刚性桩（长径比L／d小于10～12）的破坏受土的强度控制，常按平面土压力理论或其他简化方法（如布罗姆斯理论）计算（图1）;破坏荷载可按桩在土中绕桩身某点旋转而使四周土体达到极限平衡的条件求得。

柔性桩（L／d远大于12）的上部尽管亦会使土因塑性挤出而破坏，但由于桩嵌固较深，不会出现整体转动，因此须计算桩身内弯矩沿深度的分布，并确定最大弯矩值及其位置，以及荷载与桩顶变位间的关系。柔性桩的计算方法有：基床系数法、d性半空间法以及有限元法。后者，由于三维课题及土的参数选用等问题，还仅限于在d性阶段作研究尝试，在工程中尚未应用。

利用1867年由E.温克勒提出的假定，将横向力作用下的桩视为支承在d性地基上的梁进行分析（见地基上梁和板）。它完全忽略土体的连续性，假定桩身任何深度处单位面积上的土抗力 р仅和桩在该点的挠度у有关：

р＝khy (1)

式中kh为土的横向基床系数，与桩径及挠度大小或土中的应力水平有关。根据力学关系可得桩的挠曲微分方程式为

(2)

式中d为桩的计算宽度；EI为桩截面的抗弯刚度;рz为轴力。

当无轴力同时作用或挠度很小时，第二项可略去不计；如将地基土模拟为均质线性d簧，则按式(1)，得：

(3)

其中


称为桩的形变系数，反映桩土的相对刚度，可用作划分计算方法适用范围的定量参数。式(3)在1931年由张有龄按已知边界条件求得不同荷载及桩顶嵌固条件下桩身各点的位移、转角、弯矩、剪力与荷载的关系：

位移


(4)

转角


(5)

弯矩


(6)

剪力


(7)

式中H、M分别为作用在桩顶处的横向力及弯矩；A和B为有关的计算系数。

基床系数法的特点之一是可将土视为不同刚度的d簧，用比较简单的方法考虑土抗力与桩挠度间关系随深度的变化（图2）以及非线性特点，因此，土抗力可写为

р＝kymzn (8)

系数k、 m、n可分别按所取图式、桩顶位移条件及试桩水平荷载试验实测数据求得，并可与现场试验数据建立经验关系。中国交通部公路科学研究所提出的适用于计算大直径低配筋率钻孔灌注混凝土桩弯矩及桩顶位移的c值法，取m＝1，n＝0.5。

借助电子计算机使式 (3)的数值解获得更深入的应用。在计算中直接给定各土层的土抗力р与位移y的经验关系，为模拟往复荷载下土抗力变化的复杂关系（如桩后空隙的形成等）创造了条件。此种方法简称为 р-y曲线法。目前存在的问题是难以从实际中确定具体工程条件下的р-y曲线。

将桩侧土视为均质连续体并忽略桩的影响。分析时将桩划分为若干单元(图3)， 各单元中点的位移ρp及土抗力pj(对土体而言，则为引起土体该点处变形ρs的外荷载)均为待定未知值。计算ρs须用d性半空间体内作用水平集中力的明德林解答。将水平集中力引起的位移在桩单元与土接触面范围内积分即可求得ρs，且可考虑各单元上土抗力间的相互影响。ρp按式 (3)用有限差分法列式。根据各点桩土位移ρp及ρs协调以及利用力与力矩平衡的条件即可解出各未知项。

群桩的横向承载力涉及各桩间的相互影响。基床系数法一般采用减小单桩计算宽度的经验方法。d性半空间法在计算土体位移时，利用叠加法计入。

提高桩的横向承载力及减小位移的方法一般可加大桩身上部尺寸或刚度，增加上部土层对桩的抗力，或改用斜桩、叉桩。

阻挡滑动土体的抗滑桩或受到地基土侧向变形（如由于大面积堆载引起的）挤压作用的桩，工程上习惯称作被动桩，以别于上述单纯支承横向荷载的桩(主动桩)。被动桩的破坏机理较为复杂，一般亦可用上述类似的方法分析，但在运动土体内的桩段上除土抗力外，另一侧尚需考虑土体的下滑压力。

参考书目

卢世深、林亚超编：《桥梁钻孔桩试验》，人民交通出版社，北京，1980。B.B.Broms，Precast Pilinɡ Practice，Thomas Telford，London，1981.