003水平荷载下桩基的承载力和变形

第3章水平荷载下桩基的承

载力和变形

3.1 概述

水平荷载包括垂直于轴线的横向力和弯矩，用于桩顶的水平荷载性质包括：长期作用的水平荷载(如上部结构传递的或由土、水压力施加的以及拱的推力等水平荷载)，作反复作用的水平荷载(如风力、波浪力、船舶撞击力以及机械制动力等水平荷载)和地震作用所产生的水平力。

水平承载桩的工作性能是由桩-土相互作用的问题，都是利用桩周土的抗力来承担水平荷载，桩在水平荷载作用下发生变形，促使桩周土发生相应的变形而产生抗力，这一抗力阻止了桩变形的进一步发展。

在水平荷载下，按照桩土相对刚度的不同而分为刚性桩、半刚性桩和柔性桩。

当桩很短或桩周土软弱时，桩土的相对刚度很大，属刚性桩。刚性桩的破坏一般只发生于桩周土中，桩体本身不发生破坏。由于刚性桩的桩身不发生挠曲变形且桩的下段得不到充分的嵌制，因而桩顶自由的刚性桩发生绕靠近桩端的一点作全桩长的刚体转动，而桩顶嵌固的刚性桩则发生平移，当桩头嵌固于承台时，因不能产生转动而发生平移，由平移获得抗力。

半刚性桩的桩、土相对刚度较低。在水平荷载作用下桩身发生挠曲变形，一般半刚性桩的桩身位移曲线出现一个位移零点．桩的下段可视为嵌固于土中

而不能转动，随着水平荷载的增大，桩周土的屈服区逐步向下扩展，桩身最大弯矩截面也因上部土抗力减小而向下部转移，若桩身抗弯刚度较低，破坏由桩身断裂引起；若桩身强度很高，破坏由桩侧土塑性挤出、桩的水平位移过大引起。

弹性长桩在水平荷载作用下的破坏同半刚性桩类似。桩身发生挠曲变形，随着水平荷载的增大，桩周土的屈服区逐步向下扩展，桩身最大弯矩截面也因上部土抗力减小而向下部转移，一般柔性桩出现两个以上位移零点和弯矩零点。

3．2刚性短桩和弹性长桩的判别

3.2.1 桩土特征系数：

K 为地基反力系数沿深度的增长系数KN/m 3/m;

为桩的计算宽度m ；

桩材弹性模量(KN/m 2)和截面惯性矩(m 4)。

5

p

EI T Kb

p b EI

3.2.2 桩的换算长度：

其中：L 为桩的入土深度。

桩顶自由时的桩体分类

L

h L T

α=?=

桩分类桩顶自由计算方法Broms 法

“m”法美国规范法刚性桩

半刚性桩柔性桩

1.5

h ≤ 2.5

h ≤ 2.0

h ≤1.5 2.5

h << 2.54

h << 2.04

h <<2.5

h ≥4

h ≥4

h ≥

桩顶嵌固时的桩体分类

桩分类桩顶嵌固

计算方法Broms法“m”法美国规范

法

刚性桩半刚性桩柔性桩

5.0

≤

h5.2

≤

h0.2

≤

h

25

.2

5.0<

5.2<

0.2<

25

.2

≥

h4

≥

h

4

≥

h

现行规范认为计算宽度的换算方法可用下式表示：

0p f b K K K b d = （或）

1

1

1''0.6L b K b h -=+?

相互影响系数计算

计算宽度换算

名称符号

基础形状

形状换

算系数

K f 1.00.90.9

受力换算系数K0

10.1

d

B

-

1

1

b

+1

1

d

+

1

1

B

+1

1

d

+

以上的计算方法比较复杂，理论和实践的根据也是不够的，因此国内有些规范建议简化计算。

A.圆形桩：当d ≤1m 时，b 1=0.9（1.5d +0.5）；当d ＞1m 时，b 1=0.9（d +1）。方形桩：当边宽b ≤1m 时，b 1=1.5b +0.5；当边宽＞1m 时，b 1=b +1。

B.而国外有些规范更为简单：柱桩及桩身尺寸直径0.8m 以下的灌注桩，b 1=d +1（m ）；其余类型及截面尺寸的桩，b 1=1.5d +0.5（m ）。

3.3 刚性短桩的极限平衡分析

对水平承载桩的分析计算方法主要有：地基反力系数法、弹性理论法、有限元法和极限平衡法，目前我国常用地基反力系数方法。对于刚性短桩，有两种计算方法：极限平衡法，又称极限地基反力法；地基反力系数法。

3.3.1粘性土中的短桩

（a）桩的变位（b）反力分布（c）计算土反力简化（d）弯矩

粘性土中的短桩

粘性土中的短桩:

桩土变形特征系数：

其中：

1)、桩顶自由的短桩（）桩身最大弯矩点深度：

2)、桩顶嵌固的短桩

1.5L β

11.5 1.59u

u H L d L d C d

=+=

+

（a ）桩的变位（b ）反力分布（c ）弯矩

桩顶嵌固短桩

3.3.2砂土中的短桩（）最大水平力：

桩身最大弯矩值：

桩身最大弯矩点深度：1.5L β<2

max 011

02

011( 1.5)92

( 1.5)18( 1.50.5)

u u u

u u u M H L d L C d L H H L d C d

H L d L =++-??=++=++2

2200009[4()2()46 4.5(2 1.5)]

u u L L L L L L L

H C d d d d d d d d

=?++?++-++max 11.5 1.59u u H L d L d C d

=+=+

2)

、桩顶嵌固的短桩（）

0.5L β<桩顶嵌固短桩

32

max

3() 4.5[() 2.25]

24u u L L M H d C d d

=+=-

3.3.2砂土中的短桩

地面以下深度z 处的土反力为：

231sin (45)

1sin 2

p o

p p c z

c tg γφφφ=?+==+

-砂土中的短桩

（a ）桩的变位（b ）反力分布（c ）计算土反力简化（d ）弯矩

1)桩顶自由的短桩（）

故最大弯矩点深度：

2.0L α<10233(1/)

u p H L

L C d L L γ==

+max 0000233(1/)0.385()

1/u u L M H L L L L

H L L L

??=+??

+????=++

2)

．桩顶嵌固的短桩( )2.0

L α<砂土中桩顶嵌固短桩

（a ）桩的变位（b ）反力分布（c ）弯矩

3

ax u m p M M C dL

γ==最大弯矩发生在桩顶：

3.3.3桩的位移

极限平衡法求解刚性短桩的横向极限承载力、最大弯矩时，没有考虑地基的变形。

一般情抗下，假定粘性土中水平反力系数为常数（矩形），砂土中的桩水平反力系数随深度

线性增加（三角形）。计算结果如表所示：

粘性土中刚性短桩的地面处位移

桩顶地面处位移

自由嵌固

4

(1 1.5)

L

H

kdL L

+

(0)

H

L

kdL

=

L

β

1.5

<

0.5

<