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1、8.5 桩的水平承载力与位移建筑工程中的桩基础大多以承受竖向荷载为主，但在风荷载，地震荷载，机械制动荷载或土压力、水压力等作用下，也将承受一定的水平荷载。尤其是桥梁工程中的桩基，除了满足桩基的竖向承载力之外，还必须对桩基的水平荷载进行验算。8.5.1 水平荷载下基础的受力特性在水平荷载和弯矩的作用下，桩身产生挠曲变形，并挤压桩侧土体，土体对桩侧产生水平抗力，而桩周土体水平抗力的大小则控制着竖直桩的水平承载力，起大小和分布与桩的变形、土质条件以及桩的入土深度等因素有关。在出现破坏以前，桩身的水平位移与土的变形是协调的，相应地，桩身产生内里。随着内里与位移的增大，对于低配筋率的灌注桩而言，通常桩身
2、首先出现裂缝，然后断裂破坏；对于抗弯性能好的混凝土预制桩，桩身虽未断裂，但桩侧土体明显的开裂与隆起，桩的水平位移将超出建筑物的容许变形值，使桩处于破坏状态。影响桩水平承载力的因素很多，但桩的断面尺寸、刚度、材料强度、入土深度、间距、桩顶嵌固程度以及土质条件以及上部结构的水平位移容许值等。实践证明，桩的水平承载力远比竖向承载力要低。桩的刚度与入土深度不同，其受力及破坏状态也不同。根据桩的无量纲入土深度h（为桩的水平变形系数，见式（8.28），通常可将桩分为刚性桩（h2.5）和柔性桩（h2.5）。刚性桩入土较浅，而表层土的性质一般较差，桩的刚度远大于土层强度，桩周土体的水平抗力较低，水平荷载作用下
3、整个桩身易被推倒或发生倾斜（图8.15（a），故桩的水平承载力主要由桩的水平位移和桩身倾斜控制。桩的入土深度愈大，土的水平抗力也就愈大。柔性桩为细长的杆件，在水平荷载作用下，将想成一段嵌固的地基梁，桩的变形如图8.15（b）所示。如果水平荷载过大，桩身土中某处将产生较大的弯矩值而出现桩身屈服。因此，桩的水平承载力将由桩身水平位移和最大弯矩值所控制。确定单桩水平承载力的方法，以水平静载荷试验最能反映实际情况，所得到的承载力和地基土的水平抗力系数最符合实际情况，若预先埋设量测元件，还能放映出加荷过程中桩身截面的内里与位移。此外，也可采用内里计算，根据桩顶水平位移容许值，或材料强度、抗裂度验算等确定
4、，还可参照当地经验加以确定。8.5.2 单桩水平静载荷试验对于受横向荷载较大的甲级、乙级建筑物桩基，单桩水平承载力特征值应通过单桩水平静载荷试验确定。8.5.2.1 试验装置一般采用千斤顶施加水平力，力的作用线应通过工程桩基承台标高处，千斤顶与试桩接触处设置一球形绞座，以保证作用力能水平通过桩身轴线。桩的水平位移宜用大量程百分表测定，若需要测定地面以上桩身转角时，在水平力作用线以上500mm左右还应安装一只或两只百分表（图8.16）。固定百分表的基准桩与试桩的静距不少于一倍试桩直径。8.5.2.2 试验加载方法一般采用单向多循环加卸载法，每级荷载增加约为预估水平极限承载力的1/151/10,根
5、据桩径大小并适当开率土层软硬，对于直径300mm1000mm的桩，每级荷载增量可取2.52.kN。没级荷载是加后，恒载4min测读水平位移，然后卸载至零，停2min测读残余水平位移，或者加载、卸载各10min，如此循环5次，再施加下一级荷载。对于个别承受长期水平荷载的桩基也可采用慢速连续加载法进行，其稳定标准可参照竖向静载荷试验确定。8.5.2.3 终止加载条件当桩身折断或桩顶水平位移超过3040mm（软土取40mm），或桩侧地表出现明显裂纹或者隆起时，即可终止试验8.5.2.4 水平承载力确定根据试验结果，一般应绘制桩顶水平荷载-时间-桩顶水平位移（）曲线（图8.17），或绘制水平荷载-位移
6、梯度曲线（图8.18），或者水平荷载-位移曲线（）曲线，当具有桩身应力量测资料时，尚应绘制应力沿桩身分布图及水平荷载与最大弯矩截面钢筋应力曲线（图8.19）。试验资料表明，上述曲线中通常有两个特征点，其多对应的桩顶水平荷载称为临界荷载和极限荷载，是相当于桩身开裂、受拉区混凝土不参加工作时的桩顶水平力，一般可取曲线出现突变点（相同的荷载增量的出现的比前一级明显增大的位移增量）的前一段荷载；水平荷载-位移梯度曲线的第一直线段的终点或曲线拐点所对应的荷载；曲线第一突变点对应的荷载。是相当于桩身应力达到强度极限时的桩顶水平力，一般可取：曲线明显陡降的前一级荷载或水平位移包络线向下凹曲（8.17）时的前
7、一级荷载；曲线第二直线段终点所对应的荷载；桩身折断或者应力达到极限的前一级荷载。按规范要求获得单位工程同一条件下的单桩水平临界荷载统计值后：当水平承载力按桩身强度控制时，取水平临界荷载统计值为单桩水平承载力特征值；当桩受长期水平荷载且不允许桩身开裂时，取水平临界荷载统计值的0.8倍作为单桩水平承载力特征值。混凝土预制桩、钢桩、桩身配筋率大于0.65%的灌注桩，可取=10mm(对于水平位移敏感的建筑物取=6mm）所对应荷载的75%作为单桩水平承载力特征值；对于桩身配筋率小于0.65%的灌注桩，可取临界荷载的75%作为其水平承载力特征值。8.5.3 水平受荷桩的内力及位移分析国内外关于水平荷载下桩
8、的理论分析方法有几十种，我国多采用线弹性地基反力法。该法将土体视为弹性体，用梁的弯曲理论来求解桩的水平抗力，并假设与桩的水平位移x成正比，且不计桩土之间的摩阻力以及临桩对水平抗力的影响，即：式中 地基水平抗力系数，。根据对n的假定不同，又可分为多种方法，采用较多的是图8.20中所示的集中方法，其分别是：常数法：假定地基水平抗力系数沿深度均匀分布，即n=0。该法为我国学者张有龄先生1937年提出，在日本和美国应用较多。“k”法。假定地基水平抗力系数在第一弹性零点t以上按抛物线变化，一下保持为常数。该法由前苏联学者盖尔斯基于1937年提出，曾在我国广泛应用。“m”法。假定地基水平抗力系数随深度呈线
9、性增加，即n=1，该法在我国应用最广。“c”法。假定地基水平抗力系数随深度呈抛物线增加，即n=0.5.1964年由日本久保浩一提出，在我国多应用于公路部门。试验资料表明，桩的水平位移较大时，“m”法计算结果较为接近实际；当桩的水平位移较小时，“c”法比较接近实际。我国陕西省交通科研所在分析了若干桩基的实测结果后，认为地基系数随深度按0.10.6次方增大。由于目前我国各规范均推荐使用“m”法，故下面仅简单介绍m法。8.5.3.1 计算参数单桩的水平荷载作用下所引起的桩周土的抗力不仅分布于荷载作用平面内。而且受桩截面形状的影响。故计算时简化为平面受力，故取桩的截面计算宽度为为： d1m d1m式中
10、：桩的形状系数，方截面桩取1.0，圆截面桩取0.9 d桩的直径，方截面时取装的边长b计算桩身抗弯刚度EI时，对于钢筋混凝土桩，可取，其中为混凝土的弹性模量；为桩身换算截面惯性矩。如果无试验资料时，地基水平抗力系数的比例系数m值可参考表8.12选取。此外，若桩侧为多层土，可按主要影响深度范围内m值得加权平均，具体可参见有关规范8.5.3.2 单桩挠曲微分方程及解答设单桩在桩顶竖向荷载、水平荷载、弯矩和地基水平抗力p（z）=作用下产生挠曲，其弹性挠曲微分方程为： （8.26）通常竖向荷载的影响很小，可忽略不计，并将式（8.24）带入，可得桩的挠曲微分方程为： （8.27）式中（8.28）式中桩的水
11、平变形系数（1/m)采用幂级数对式（8.27）求解可得沿桩身深度z处的内力及位移的简捷算法表达式为：位移 转角 弯矩 剪力 式中 均可查表8.13得到。按上式可作出单桩的水平抗力、内力、随深度的变化曲线，如图8.21所示，由此即可进行桩的设计与验算。8.5.3.3 桩顶水平位移桩顶水平位移是控制基桩水平承载力的主要因素，且桩的无量纲深度不同，桩端约束条件不同，其水平荷载下的工作性状也不同。表8.14给出了基桩不同无量纲深度及桩端约束条件下的位移系数和，将其带入式（8.29）即可求出桩顶的水平位移。8.5.3.4 桩身最大弯矩及其位置要设计桩截面配筋，最关键的是求出桩身最大弯矩及其相应的截面位置，根据最大弯矩截面剪应力为零的条件，可导出其无量纲法的计算过程如下：由，查表8.15得相应的换算深度，则最大弯矩截面深度为： （8.30）由查表8.15可得桩身最大弯矩系数，即桩身最大弯矩为： （8.31）一般桩的入土深度达到4.0/时，桩身内力及位移已几乎为零。在次深度下，桩身只需按构造配筋或不配筋。6 / 6
