港口工程水平受荷桩m值的确定

水平受荷桩非线性有限元分析乔友刚;吴先敏【摘要】利用有限元分析软件PLAXIS对水平受荷桩进行了非线性有限元分析,并采用规范中的m法和NL法进行了计算.结果表明,3种方法计算的桩身位移与弯矩分布图形状相似,桩身位移与弯矩随桩顶水平力的增大而增加;水平力较小时,采用Plaxis计算出的桩身最大弯矩小于m法与NL法的计算结果,水平力较大时,桩上部范围内的土表现出较强的塑性状态,使桩身弯矩大于后两者的计算值.采用Plaxis可以很好地对水平受荷桩进行模拟,采用软件自带的Mohr-Coulomb模型可以很好地考虑桩周土的塑性,真实反映土的特性,且易于获取参数,可作为水平受荷桩分析的一种有力工具.【期刊名称】《水运工程》【年(卷),期】2009(000)004【总页数】5页(P38-42)【关键词】m法;NL法;有限元;桩【作者】乔友刚;吴先敏【作者单位】山东水利勘测设计院,山东,济南,250014;山东水利勘测设计院,山东,济南,250014【正文语种】中文【中图分类】TU473.1+1桩基作为一种重要的基础形式，在港口工程中应用广泛。

目前，已有很多水平承载桩的作用机理及其受力特性分析方面的相关理论和方法[1-3]，为桩基在港口码头、海堤工程等以水平荷载为主要控制荷载的工程中得以广泛应用奠定了理论基础。

水平承载桩的工作性能是桩—土相互作用的问题，利用桩周土的抗力来承担水平荷载，桩在水平荷载和力矩的作用下受弯，桩身产生水平变位和弯曲应力。

外力的一部分由桩本身承担，另一部分通过桩传给土体，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。

当水平荷载较小时,这一抗力是由靠近地面的土提供的，而且土的变形主要为弹性的，即桩周土处于弹性压缩阶段,随着水平荷载的增大，桩的变形加大，表层土逐渐产生塑性屈服，从而使水平荷载向更深处的土层传递，当变形增大到桩所不能容许的程度或桩周土失去稳定时，桩—土体系便趋于破坏。

精选全文完整版（可编辑修改）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αh（α为桩的水平变形系数，见式（8.28）），通常可将桩分为刚性桩（αh ≤2.5）和柔性桩（αh≥2.5）。

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。

波浪作用下考虑桩土相互作用的桩柱响应张卫平;孙昭晨【摘要】以一离岸深水桩柱为例,依据JTJ 2132-1998《海港水文规范》的环境条件和环境荷载规范,对桩柱进行有限元离散.在海洋深水环境备件下考虑流固耦合效应,计算了在海洋极端规则波以及不规则波条件下桩柱的运动响应;为了进一步研究分析泥面以下土体对桩柱运动响应的影响,对比分析了在考虑桩土耦合相互作用下桩柱的响应与基岩面目结解下的响应；考虑到海洋地基为两相饱和土介质,对比了在不同简化阻抗处理下的运动响应结果.结果表明,桩土耦合相互作用对于波浪尤其是不规则波作用下的桩柱响应有很大影响,简化阻抗下的运动响应相比两相饱和地基阻抗处理论误差在10％左右,考虑桩土耦合效应对于工程设计具有指导意义和实用价值.【期刊名称】《水运工程》【年(卷),期】2012(000)003【总页数】5页(P55-59)【关键词】波浪作用;流固耦合;桩土相互作用【作者】张卫平;孙昭晨【作者单位】大连理工大学港口海岸与近海工程国家重点实验室,辽宁大连116024;大连理工大学港口海岸与近海工程国家重点实验室,辽宁大连116024【正文语种】中文【中图分类】TV139.2随着离岸深水码头以及海洋平台等工程的修建，土-结构动力相互作用的研究已日益受到关注。

在这些桩基设计中，土-桩-水流之间的相互作用是普遍性问题。

广大研究者和工程技术人员在实践中越来越注意到刚性基础假设下得出的结构静、动力特性和将桩-土作为一个相互作用系统计算出来的结果存在明显差别[1-6]。

本文考虑不同桩基础处理条件，对桩基-土-波浪体系的动力性能进行了对比分析研究。

海洋底部大部分为饱和沉积土层，而在实际研究过程中，通常做法是将土体简化为单相弹性或者单相黏弹性介质。

因此，在研究桩基-土-波浪体系动力相互作用时，考虑饱和土-结构的动力相互作用对结构进行动力分析研究具有重要的理论和实践意义。

本文就土-桩-波浪系统下结构反应的动力特性进行了研究分析。

KANGZHENYANJ IU９３４㊀«工程与建设»㊀２０２０年第３４卷第５期收稿日期:２０２０Ｇ０５Ｇ２２;修改日期:２０２０Ｇ０６Ｇ０３作者简介:马㊀乾(１９８８－),男,安徽太和人,硕士,工程师．单桩水平承载力确定方法及抗震计算调整分析马㊀乾(中冶华天南京工程技术有限公司,江苏南京㊀２１００１９)摘㊀要:单桩水平承载力的主要确定方法有静载荷试验和计算分析两大类.针对«建筑桩基技术规范»(J G J ９４－２００８)所采用的单桩水平承载力特征值的R h a 计算方法,本文重点分析了预制桩㊁钢桩㊁桩身配筋率不小于０．６５％的灌注桩,计算由水平位移控制并缺少水平静载试验资料情况下单桩水平承载力特征值,并提出地震作用下的单桩水平承载力特征值调整方法.关键词:单桩水平承载力;桩基水平抗震验算;抗震承载力调整系数中图分类号:T U ４７３．１＋１㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀文章编号:１６７３Ｇ５７８１(２０２０)０５Ｇ０９３４Ｇ０３０㊀引㊀㊀言随着社会发展越来越快,高铁站㊁体育场馆㊁会展中心等大型公共建筑工程越建越多,由于建筑空间和建筑外观造型的需要,这类建筑的部分基础结构经常会出现较大的水平推力.同时,在一些外部环境较为苛刻的地区建设多层㊁高层以及复杂体系的建筑,例如丘陵地区,有不少建筑建于高坡上,有的建筑物的桩基会穿越高差较大的挡土墙后背的填土,对这类桩基在进行边坡稳定性分析时,还需进行桩的水平抗力计算,甚至需要考虑边坡失稳后对基桩产生的水平力,在诸如地震㊁飓风㊁边坡土压力甚至水压力等外力作用下,许多建筑的基础会因此承受较大的水平荷载,这给设计带来不少困难.当前由于场地外部环境㊁施工条件及工期要求等因素的限制,各方优先推荐使用桩基础来解决水平荷载.影响单桩水平承载力及其位移的因素很多,包括桩身截面抗弯刚度㊁结构材料强度㊁桩侧土质性质㊁桩身的入土深度㊁桩顶约束条件等.对于低配筋率(指配筋率小于０．６５％)的灌注桩,通常是桩身先出现裂缝,而后断裂破坏;此时,单桩的水平承载力由桩身强度控制.对于抗弯性能较强的桩,如高配筋率(指配筋率不小于０．６５％)的混凝土预制桩㊁钢桩,桩身虽没有断裂,但由于桩侧土体出现塑性隆起,或桩顶水平位移较大超过使用允许值,此时也认为桩基水平承载力达到极限状态.常见单桩水平承载力的方法主要为水平静载荷试验和计算分析２大类,国家规范以及各地方规范都首先推荐静载荷试验,当试验条件不满足时,可以通过计算分析估算基桩水平承载力.本文重点阐述二者分析方法的优缺点,并针对预制桩㊁钢桩㊁桩身配筋率不小于０．６５％的灌注桩,结合２０１９年勘察类考试案例试题计算分析单桩水平承载力特征值,以及地震作用下的单桩水平承载力特征值调整方法.１㊀单桩水平承载力的主要确定方法优缺点分析１．１㊀水平静载荷试验法优点:静载荷试验能比较真实地反映出单桩水平承载力的各项影响因素,是确定单桩水平承载力比较可靠的手段,其试验结果可以直接作为设计依据.缺点:由于试验条件和技术水平有限等因素,当前大多的试桩情况是在桩顶自由状态下进行的,桩顶没有承台嵌固也缺少竖向荷载的作用,这与建筑基桩实际使用时的状态有较大差异;而且大多数情况下,单桩水平静载荷试验时标高位置与实际桩顶标高位置有一定差距,尤其当基桩埋置较深的情况.所以单桩水平承载力试验时的状态难以反映实际使用时的工程情况.同时该方法相对耗时久㊁成本高.１．２㊀水平承载力计算分析法对于桩基水平承载力计算和设计,«建筑桩基技术规范»[１](J G J ９４－２００８)(以下简称桩基规范)中有较详细的规定㊁说明和计算方法.优点:在勘察报告数据充分前提下,快速计算分析确定桩基水平承载力是一般建筑桩基工程的重要手段.现行桩基规范[１]中,计算分析方法有２种.一是单桩基础,这里又分为低配筋率基桩和高配筋率基桩;二是群桩基础,计算的公式中考虑了由承台㊁桩群㊁土相互作用产生的群桩效应.这比静载荷试验的应用场景更丰富.缺点:桩基水平受荷的复杂性,决定了其水平承载力的计算公式也比较复杂,计算公式选择和应用起来也有较多限制,同时公式中各个参数的取值对计算结果都有一定影响.因此面对不同的设计场景,各参数如何合理取值成为了主要难点.桩身强度控制和桩顶水平位移控制两种工况均会受桩周土水平抗力系数的比例系数m 的影响,但是,前者呈１/５m 倍的关系,受影响较小;后者呈３/５m 倍的关系,受影响较大.与此同４３９KANGZHENYANJ IU㊀«工程与建设»㊀２０２０年第３４卷第６期９３５㊀时,在单桩水平承载力的估算中,桩顶嵌固状态对计算结果影响很大,同１种桩型在相同的土层条件下,按规范法进行计算时,桩顶嵌固情况如由铰接改成固接,单桩水平承载力可以增加超过１倍甚至更多.实际上承台与桩顶的嵌固关系介于固接与铰接之间,使得m 值的计算范围较广,进而水平承载力计算结果不够精确,主观影响较大.１．３㊀小结按照规范要求,受水平荷载较大的设计等级为甲级㊁乙级的建筑桩基,应通过现场单桩水平承载力试验确定单桩水平承载力特征值.对于初设阶段和设计等级非甲级㊁乙级建筑桩基可通过规范所列的按桩身承载力强度控制的规范[１]式(５．７．２－１)和按桩顶水平位移控制的规范[１]式(５．７．２－２)进行计算.最后对工程桩进行静载荷试验检测.２㊀勘察类考试案例试题计算分析２．１㊀全国注册岩土案例试题一例ʌ２０１９年全国注册岩土工程师专业考试试题 专业案例(上午卷)ɔ２４题:某高层建筑采用钢筋混凝土桩基础,桩径０．４m ,桩长１２m ,桩身配筋率大于０．６５％,桩周土层为黏性土,桩端持力层为粗砂,水平抗力系数的比例系数为２５MN /m３,试估算单桩抗震水平承载力特征值最接近下列哪个选项?(假设桩顶自由,E I ＝３２MN m ２,桩顶允许水平位移取１０m m )A．８５k N㊀㊀㊀B ．１０５k NC ．１１０k N㊀㊀㊀D．１１７k Nʌ答案ɔAʌ解析及提示ɔ根据«建筑桩基技术规范»(J G J ９４－２００８),５．７．６节第６条,注意配筋大于０．６５％,按位移控制,公式计算是否调整１．２５倍?根据第７条 应将按上述２~５款方法确定的单桩水平承载力特征值乘以调整系数１．２５.计算公式是第６条,按照规范要求无需乘１．２５,但最终官方答案是按照乘１．２５来计算.解:d ＝０．４＜１m ,b ０＝０．９(１．５ˑd ＋０．５)＝０．９９m α＝５m b ０E I＝５２５ˑ１０３ˑ０．９９３２ˑ１０３＝０．９５m －１αh ＝０．９５ˑ１２＝１１．４＞４,表７．２．４v x ＝２．４４１式采用独立R h a ＝０．７５α３E I v xχo a ＝０．７５ˑ０．９５３ˑ３２ˑ１０３２．４４１ˑ０．０１＝８４．３k N ,１．２５R h a ＝１０５．４k N ,故选B .２．２㊀全国一级注册结构案例试题二例ʌ２０１９全国一级注册结构工程师专业考试试题 (下午卷)ɔ１０~１１题:某８度设防地震建筑,未设地下水,采用水下成孔混凝土灌注桩,如图１所示,桩径８００m m ,混凝土强度等级C ４０,桩长３０m ,桩底端进入强风化片麻岩,桩基按位于腐蚀环境设计.基础形式采用独立桩承台,承台间设连系梁.图１㊀１０．假定桩顶固结,桩身配筋率ρ＝０．７％,桩身抗弯刚度４．３３ˑ１０５k N m２,桩侧土水平抗力系数的比例系数m ＝４MN /m ４桩水平承载力由水平位移控制,允许位移为１０m m ,试问初步设计时,按«建筑桩基技术规范»(J G J ９４－２００８)考虑地震作用组合的桩基单桩水平承载力特征值(k N )与下列何项数值最为接近A．１６１k N㊀㊀㊀B ．２０１k NC ．２７０k N㊀㊀㊀D．３３０k Nʌ答案ɔDʌ解析及提示ɔ本题重点考察规范[１]中,５．７．２第７条验算永久荷载控制的桩基的水平承载力时,应将上述２~５款方法确定的单桩水平承载力特征值乘以调整系数０．８０;验算地震作用桩基的水平承载力时,宜将按上述２~５款方法确定的单桩水平承载力特征值乘以调整系数１．２５. 桩规５．７．５:d ＝０．８＜１m ,b ＝０．９(１．５ˑd ＋０．５)＝１．５３mαh ＝０．４２６６ˑ３０＝１２．８＞４,α＝５m b ０E I＝５４ˑ１０３ˑ１．５３４．３３ˑ１０５＝０．４２６６m －１表７．２．４㊀v x ＝０．９４R h a ＝０．７５α３E I v xχo a ＝０．７５ˑ０．４２６６３ˑ４．３３ˑ１０５０．９４ˑ０．０１＝２６８．２１k N ,R h a E ＝２６８．２１ˑ１．２５＝３３５．２６k N ,故选D .２．３㊀小结以上两题中均属于配筋率不小于０．６５％的灌注桩情况,故采用５．７．２第６条计算公式:R h a ＝０．７５α３E I v xχo a ,其地震作用桩基的水平承载力原本按照规范第７条无须乘以调整系数１．２５,但是查阅上版«建筑桩基技术规范»(J G J ９４－９４)并对比现行规范[１]得知,新版规范中５．７．２第５条为新增,导致第６条为原规范第５条的递延,规范中 应将上述２~５款方法 内容５３９KANGZHENYANJ IU９３６㊀«工程与建设»㊀２０２０年第３４卷第５期未更新,故采用第６条计算地震作用的桩基水平承载力后仍需乘以１．２５.同时,这样的调整做法与«建筑抗震设计规范»[２](G B５００１１－２０１０)处理结果也是吻合的.延伸分析,如果题目中条件 允许水平位移为１０m m 改为 地震作用下允许水平位移为１０m m,此时按照现行规范[１]中５．７．２第６条计算得出的结果不需要乘１．２５.考虑地震作用下的结果放大,我们不光可以认为是承载力的放大,是否可以认为是因为位移的放大进而使得计算结果的放大,３㊀总㊀㊀结(１)实际工程中在桩顶嵌固状态不明前提下,从可靠度㊁安全性的角度考虑,单桩水平承载力特征值计算建议按铰接考虑,但仍需进一步积累工程经验后明确.(２)结合规范[１]和规范[２]中有关规定,单桩水平向抗震承载力特征值,无论是低配筋率基桩还是高配筋率㊁钢制等基桩,均比非抗震设计时提高２５％.(３)当依据竖向载荷完成布桩,水平承载力不满足要求时,可以采用增加基础埋深㊁增大桩径或增加桩数等措施来满足桩基水平承载要求.(４)桩基水平承载力的确定是一个非常复杂的问题,将实际工程计算分析与水平静载荷试验结合起来研究可以对规范[１]公式中各参数的取值进行修正调整,进而较准确验算出其他位置桩基水平力承载力.(５)不少国家规范标准㊁地方规范条例对桩基的水平抗震验算均有涉及,但计算方法和使用范围缺少统一明确的规定,设计时建议结合设计主体的类别选择相应的国家规范及地方规范.参考文献[１]㊀中华人民共和国建设部．建筑桩基技术规范:J G J ９４－２００８[S ]．北京:中国建筑工业出版社,２００８．[２]㊀中华人民共和国住房和城乡建设部,中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局．建筑抗震设计规范:G B５００１１－２０１０[S ]．北京:中国建筑工业出版社,２０１０．[３]㊀中华人民共和国住房和城乡建设部．建筑基桩检测技术规范:J G J １０６－２０１４[S ]．北京:中国建筑工业出版社,２０１４．[４]㊀中华人民共和国住房和城乡建设部．建筑地基基础设计规范:G B５０００７－２０１１[S ]．北京:中国计划出版社,２０１２．[５]㊀方云飞,孙宏伟,闫莹．单桩水平承载力计算方法研究与工程实例分析[J ]．建筑结构,２０１３,４３(１):９５－９９．[６]㊀徐枫．基于原型试验的单桩水平承载力分析[J ]．岩土工程学报,２０１１,３３(S ２):２９１－２９４．(上接第９３１页)㊀㊀通过以上计算分析,滑坡整体现状条件下自重工况下K 值为１．１３８,处于基本稳定状态;自重＋暴雨工况下K 值为１．００７,处于欠稳定状态[４],滑坡在这２种工况下均可能发生轻微蠕动变形.取安全系数为１．２时[２],在暴雨工况下６号块剩余下滑力为２４５８k N /m ,滑坡深度约１１m ,设计以剩余下滑力２４５８k N /m 控制.建议在坡脚进行填土３~５m 反压,再设置抗滑桩,抗滑桩采用方形截面,截面尺寸３mˑ４m (沿滑坡推力方向长度为４m ),桩间距６m ,共设置２４根桩,最长桩长２６m ,最短桩长１８m .５㊀结㊀㊀论根据以上滑坡稳定性分析可以得出以下结论:(１)该滑坡为沉降Ｇ推移式滑坡,高填路堤位于滑坡后缘,会发生沉降变形,对滑坡后缘有加载作用,将进一步加大滑坡后缘的下滑推力,对滑坡稳定性不利.(２)通过计算分析,滑坡自重工况下K 值为１．１３８,处于基本稳定状态,自重＋暴雨工况下K 值为１．００７,处于欠稳定状态在,滑坡在这２种工况下均可能发生轻微蠕动变形.稳定性计算结果与现场调查的结论基本一致,说明参数取值是基本合理的.(３)原地基处理采用碎石冲击桩,可提高地基承载力不足,但对斜坡路段的路基稳定性提高有限.(４)在拟建公路左侧,滑坡中下部部采用填土反压＋抗滑桩进行支护,对滑坡起到良好的支护作用下,滑坡将逐渐稳定.参考文献[１]㊀«工程地质手册»编委会．工程地质手册[M ]．４版．北京:中国建筑工业出版社,２００７．[２]㊀中华人民共和国交通运输部．公路路基设计规范:J T G D ３０－２０１５[S ]．北京:人民交通出版社,２０１５．[３]㊀中华人民共和国国土资源部．滑坡防治工程设计与施工技术规范:D Z /T０２１９－２００６[S ]．北京:中国标准出版社,２００６．[４]㊀中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会．滑坡防治工程勘查规范:G B /T３２８６４－２０１６[S ]．北京:中国标准出版社,２０１７．[５]㊀尹刚．贵州省三凯高速公路南约沟滑坡处治设计[J ]．西部探矿工程,２００７,１９(１２):１８６－１８９．[６]㊀朱晓禹．贵州省都新公路改扩建工程某滑坡处治设计[J ]．交通科技,２０１０(５):４５－４７．６３９。