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1、 8.5 桩的水平承载力与位移土木工程中的桩基大多以承受竖向荷载为主，但在风荷 载、地震荷载、机械振动荷载或土压力、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 桩基的竖向承载力要求外，还必须对桩基的水平承载力进行验 算。桩的水平承载力是指与桩轴方向垂直的承载力。作用在 桩基上的水平荷载有长期作用的水平荷载和反复作用的水平荷 载（如风荷载）。以承受水平荷载为主的桩基，可考虑采用斜 桩。即使采用斜桩更有利，但常受施工条件的限制而难以实现 ，不得不采用竖直桩。一般工业与民用建筑中的基础，常以承受竖向荷载 为主，但在桩基上作用有较大水平荷载时还必须对桩的 水平承载力进行
2、验算。一般来说当水平荷载和竖向荷载合力与竖直线的夹 角不超过5度时，竖直桩的水平承载力不难满足设计要 求，更应采用竖直桩。因此下面的讨论仅限于竖直桩的 水平承载力。实践表明：桩的水平承载力远比竖向承载力要低 ！.单桩的水平承载力 桩的水平荷载作用的特征桩在水平荷载作用下，桩身产生挠曲变形，变 形的形式与桩和地基的刚度有关。桩身变形挤压侧 土体，而土体对桩侧产生水平抗力，其大小和分布 与桩的变形、地基条件和桩的入土深度有关。桩在破坏之前，桩身与地基的变形是协调的，相应地桩身产生了内力。随着桩身变形和内力的增大 ，对于低配筋率的灌注桩来说常是桩身首先出现裂 缝，然后断裂破坏；对于抗弯性能好的钢筋混
3、凝土预制桩，桩身虽然未断裂，但桩侧土体已明显开裂和隆起，桩的水平 位 移一般已超过建筑物的允许值，也应认为已破坏。 影响桩水平承载力的因素 影响桩水平承载力的因素较多，主要有以下几种：桩的截面尺寸和材料强度桩的截面尺寸越大，材料强度越高，桩的抗弯刚 度越大；反之，桩的抗弯刚度就小。对于抗弯刚度较 大的桩，在水平位移较大时仍不折断，但已超过建筑 物的允许位移值。所以，桩的水平承载力常常不是由 桩的强度确定，而是由桩的允许水平位移值控制。地基土的强度地基土的强度越高，抵抗水平位移的能力就越大，桩的 水平承载力也就越大。所以，地基强度高的比地基强度低的桩 的水平承载力大。桩头嵌固条件桩头嵌固于承台中
4、的桩，其抗弯刚度大于桩头自由的桩 。所以，桩头嵌固提高了桩抵抗横向弯曲的能力，使桩的水平 承载力增大。桩的入土深度桩随着入土浓度增加，水平承载力就逐渐提高，当达到 某一深度后，继续增加入土深度，承载力将不起变化，桩抵抗 水平荷载作用所需的入土深度，称为有效长度。在水平荷载作用下，有效长度以下部分，桩没有显著的水 平变位。桩的入土深度小于有效长度时，则不能充分发挥地基 的水平抗力，荷载达到一定值后，桩就会倾倒而被拔出；而当 桩的入土深度大于有效长度时，桩嵌固在土中某一深度处，地 基的水平抗力得不到充分发挥，桩不致倾倒或被拔出，而是产 生弯曲变形。桩的间距当桩距较小（小于3d）时，桩前区土中应力将
5、发生重迭, 地基变形大，桩的水平承载力下降；当桩距较大时，应力重 迭的影响小。但桩距大，承台尺寸也随之增大，因此，设计 必须进行经济比较，全面加以考虑。 确定水平承载力的方法单桩的水平承载力与竖向承载力一样，不仅取决于地基土 的阻力而且也决定于桩身材料强度。设计时，仍然是先根据地 基土的阻力确定单桩的水平承载力，再据此承载力考虑一定的 安全度，按桩身材料验算并选定其材料强度。根据地基土对桩的侧向阻力确定单桩水平承载力的方法， 通常有以下几种：水平静载荷试验法：桩的水平静载荷试验是在现场条件下 进行的，影响桩的水平承载力的各种因素都得到比较真实的反 映，因此试验测得的承载力和地基水平抗力系数最符
6、合实际情 况。如果预先在桩身埋设测试原件，则试验资料还能反映出加 载过程中桩身截面的内力和位移。理论计算取值法：根据桩顶的水平位移容许值，用 理论公式进行计算，从而确定单桩的水平承载力。经验取值法：根据当地桩基的使用经验取值，确定 单桩的水平承载力设计值，如北京地区400mm直径灌 注桩，水平承载力取40 kPa 60kPa。 根据桩身材料确定单桩水平承载力，是从桩身材料 的强度、抗裂度验算出发加以确定的。按加荷方式的不同，试验方法有多循环加卸载法和分 级连续加载法两种，前者用于承受反复作用水平荷载的桩 基，后者用于承受长期水平荷载的桩基。详见建筑桩基 技术规范（JGJ94-94）。.单桩在水
7、平荷载作用下的计算方法单桩在水平荷载作用下的变形和内力计算，通常采用按 文克勒假定的弹性地基上梁的计算方法，即把承受水平荷载的 单桩视为文克尔地基上的竖直梁，通过梁的挠曲微分方程解答 ，计算桩身的弯矩和剪力，并考虑由桩顶竖向荷载产生的轴力 ，进行桩的强度计算。 基本假定单桩受水平荷载时，可把土体视为直线变形体，假定深 度z处的水平抗力x等于该点的水平抗力系数kh与该点的水平位移的乘积。即此时忽略桩土之间的摩阻力对水平抗力的影响以 及邻桩的影响。地基水平抗力系数 kh的分布和大小，将直接影响挠曲微分 方程的求解和桩身截面内力的变化。各种计算理论假定的 kh分布图式不同。较为常用的有下列四种计算方
8、法。常数法：假定沿深度为均匀分布即kh=k。这是我国学者张有 龄在三十年代提出的方法。 k法：假定在桩身第一挠曲零点以上按直线分布即kh=kz；以 下段为常数，即kh=k。 m法：假定kh沿深度z成正比增加，即kh=mz。见P229表8.12 c值法：假定kh沿深度z按cz1/2的规律分布，即kh=cz1/2。 实测资料表明：m法（当桩的水平位移较大时）和c值法（ 当桩的水平位移较小时）比较接近实际。 8.6 群桩基础计算 问题 1.群桩的承载力是否等于单桩承载力之和？ 2.单桩的沉降与群桩的沉降是否相同？ 3.群桩承载力和沉降如何确定？群桩效应系数：概念如何？概念如何？岩石土 6d1 群桩的
9、工作特点 1.1端承型群桩基础1.端承型群桩基础桩顶荷栽基本上通过桩身直 接传递到桩端处地基持力层， 各桩在桩端处的压力分布无明 显的应力迭加现象，故 群桩基础中各基桩的工作 性状与单桩基本一致； 群桩基础承载力等于各单 桩承载力之和； 群桩的沉降量几乎等于单 桩的沉降量； 端承型群桩基础 当各桩的荷载相 同、沉降相等、 且桩距大于3 3.5倍桩径时，群 桩的沉降量几乎 等于单桩的沉降 量。2.摩擦型群桩基础摩擦桩在竖向荷载作用下群桩的作用与孤立单 桩是有显著差别的。作用在摩擦桩上的荷载是通过 桩侧阻力传递的。由于摩擦阻力的扩散作用，群桩 中各桩传递的应力互相重迭，以致桩端平面处的附 加应力大
10、大超过孤立的单桩，且附加应力影响的深 度和范围也比孤立的单桩大得多，群桩的桩数越多 ，这种影响越显著。因此摩擦桩中各桩所受荷载与 孤立单桩相同时，群桩的沉降量比单桩要大。如果 不允许群桩的沉降量大于单桩的沉降量，则群桩中 的每一根桩的平均承载力将小于单桩的承载力。这 种基桩的承载力和沉降性状与相同地质条件和设置 方法同样的单桩有明显差别的现象称为群桩效应。 由上述可见，群桩效应主要针对摩擦桩而言。 端承型群桩基础:群桩基础承载力等于各单桩承载力之和；桩的沉降量几乎等于 单桩的沉降量；群桩效应系数：端承型群桩基础 岩石土压力扩散深度 6d1.2摩擦型群桩基础摩擦桩在竖向荷载作用下群桩的作用 与孤
11、立单桩是有显著差别的。作用在摩擦桩 上的荷载是通过桩侧阻力传递的。由于摩擦阻力的扩散作用，群桩中各桩 传递的应力互相重迭，以致桩端平面处的附 加应力大大超过孤立的单桩，且附加应力影 响的深度和范围也比孤立的单桩大得多。群桩的桩数越多，这种影响越显著。因此摩擦桩中各桩所受荷载与孤立单桩 相同时，群桩的沉降量比单桩要大。如果 不允许群桩的沉降量大于单桩的沉降量则 群桩中的每一根桩的平均承载力将小于单 桩的承载力。这种基桩的承载力和沉降性状与相同 地质条件和设置方法的同样单桩有明显差 别的现象称为群桩效应。即：群桩效应主要针对摩擦桩而言。 摩擦型群桩基础当桩数少，桩中心距较大时，桩端平面处各桩传来
12、的压力互不重叠，群桩 中每个单桩的工作状态与单 桩一致。群桩的承载力各单桩承载力之和摩擦型群桩桩端平面上的压力分布（a）单桩摩擦群桩基础 应力叠加 、桩底应力增加,使承载力不足;总的 沉降增加对于砂土 sp 1.0, 粘性土sp 1.02.承台下土对荷载的分担作用考虑桩和承台下土的共同工作，使承台兼有浅基础的 作用，组成复合桩基。承台底分担荷载的作用是随着桩群相对于桩基土向下位移幅度的加大而增强的。设计复合桩基时应注意：在桩基沉降不会危及建筑物的安全和正常使用、且台底不与软土直接接触时，才宜于开发利用承台底土的反力的潜力。 1-台底土反力；2-上层土位移；3-桩端位移（桩基整体下沉）关于承台承
13、载力问题承台下土的承载力低于浅基础，承台内反力小于外 围,双曲线分布 1.承受经常出现的动力作用，如铁路桥梁桩基；2.承台下存在可能产生负摩阻力的土层；3.在饱和软土中沉入密集桩群，引起超静孔隙水压力和土体 隆起，随时间推移，桩间土逐渐固结下沉而承台脱离；4.端承桩情况下不考虑承台承载力。3. 群桩的竖向承载力设计值 桩基的群桩效应难以通过承台桩土相 互作用分析的理论方法求解，为了实用的目 的，桩基规范JGJ9494规范引用构成基桩极限承载力诸分量的平均值与 其相应单桩诸分量的平均值之比作为 该分量的群桩效应系数。(1).对于桩数超过3根的非端承桩复合桩基，宜考虑桩群、土、承台的相 互作用效应
14、，其复合基桩竖向承载 力设计值为：R单桩总极限侧阻力和总极限端阻力标准值；QCK相应于任意一基桩的承台底地基土 的总极限阻力 标准值；qck承台 底下等于承台半宽的深度（5m）范围内地 基的极限阻力标 准值；Ac承台底地基土的净面积； s 、P 、sP 、 c 桩侧 阻、桩端阻 、桩侧阻端阻综合抗力及 承台 底地基土的抗力分项系数，表8-16值；s 、 P 、 SP桩侧阻、桩端阻、桩侧阻端阻综合群桩效 应系数。承台宽度的深度内 (6d 桩距大于6倍桩径 n9 独立基础m2 条基础 某些单层工业厂房桩基 桩基变形验算：桩基变形验算： 桩基变形的特征值：桩基变形的特征值：沉降量、沉降差、倾斜、局部
15、倾斜砌体承重结构砌体承重结构框架结构和单层排架结构框架结构和单层排架结构多层或高层建筑和高耸结构多层或高层建筑和高耸结构倾斜倾斜：建筑物桩基础倾斜方向两端点的沉降差与其距建筑物桩基础倾斜方向两端点的沉降差与其距 离的比值。离的比值。局部倾斜局部倾斜: : 墙下条形承台沿纵向墙下条形承台沿纵向某一长度范围内某一长度范围内桩基桩基 础两点的沉降差与其距离的比值。础两点的沉降差与其距离的比值。1） 计算简图如图，桩基内任意点 的最终沉降量可用角点法按下 式计算：桩基沉降计算经验系数；非软土地区和软土地区桩端有 良 好持力层时取1；软土地区且桩端无良好持力层 时，当桩长25m时，取1.7, 桩长25m
16、时，取(5.9-20)l(7- 100)l。 e 桩基等效沉降系数。对于矩形布置的桩基， 在计算变形时可以简 化： 矩形基础中点沉降：矩形基础角点沉降： 2）确定地基沉降计算深度Zn确定地基沉降计算深度，有应力比法和应变比法两种。而应力比法是我国工程设计人员十分熟悉的计算 方法，因此建筑桩基技术规范JGJ94-94规定按应 力比法确定，即Zn 处的附加应 力z与土的自重应力 c应符合下式要求：附加应力系数根据角点法划分的矩形长宽比及深宽比查规 范附录5。说明：在计算桩基沉降时，应考虑相邻基础 的影响，采用叠加原理计算；规范对于Zn的确定与实际情况相比，偏大还是偏小？说明：在计算桩基沉降时，应考虑相邻基础的影响，采用叠加原理计算；桩基等效沉降系数可按独立基础计算。当桩基形状不规则时，可采用等代矩形面积计算桩基
