桩横向荷载试验

《公路交通科技名词》。 2100433B

1996年，经全国科学技术名词审定委员会审定发布。

计算公式

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/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。

桩的横向受力计算柔性桩（/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、弹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，还仅限于在弹性阶段作研究尝试，在工程中尚未应用。

基床系数法　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弹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仅和桩在该点的挠度有关：

р=khy　(1)

式中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)

式中为桩的计算宽度；为桩截面的抗弯刚度;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弹簧，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、分别为作用在桩顶处的横向力及弯矩；和为有关的计算系数。

基床系数法的特点之一是可将土视为不同刚度的弹簧，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

=(8)系数、、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=1，=0.5。

桩的横向受力计算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与位移的经验关系，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-曲线法。存在的问题是难以从实际中确定具体工程条件下的-曲线。

弹性半空间法　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), 各单元中点的位移及土抗力p(对土体而言,则为引起土体该点处变形的外荷载)均为待定未知值。计算须用弹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，且可考虑各单元上土抗力间的相互影响。按式 (3)用有限差分法列式。根据各点桩土位移及协调以及利用力与力矩平衡的条件即可解出各未知项。

桩的横向受力计算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。弹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。2100433B

单桩横向载荷试验简介

进行单桩的横向静载试验的目的是通过试验确定试桩的横向承载能力、推求桩周土的横向地基系数，以确定实际工程桩在水平荷载作用下的受力特性。因为试验桩一般设置为竖直方向，施加的荷载便成为水平，故也称为水平荷载试验或水平推力试验。

单桩横向载荷试验试验的目的

通过试验一般可以获得下列成果：

（1）确定试桩的承载能力。检验和确定试桩的承载能力是试验的主要目的之一。试桩的承载力可直接由试验施加的荷载和其作用点的位移的关系曲线来判断，也可根据实测的桩身应变来判定。

（2）确定试桩在各级荷载作用下的弯矩分布规律。桩身弯矩是判断和检验桩身强度的依据，同时也是推求地基不同深度处地基系数的依据。因此要求通过试验能尽量精确求得试桩在各级荷载作用下的弯矩分布图。一般来讲试桩的条件（如桩顶约束、自由长度、抗弯刚度等）很难和工程桩的情况完全保持一致，所以要确定工程桩在水平荷载作用下的受力特性，必须把试桩成果进行转化，而利用试桩求得的地基反力系数是实现这种转化的关键。

（3）弹性地基系数的确定。目前国内常用弹性地基系数法来近似确定水平荷载作用下桩的受力特性，最常用的方法有张法、C法、m法、K法等。它们各自假定了地基反力系数沿深度的不同分布图式，因此都有一定的适用范围。通过试验能选择一种比较符合实际的计算图式及相应的地基系数，以供设计使用。

（4）推求实际地基反力系数。实际地基反力系数沿深度的分布图式是比较复杂的，且随侧向位移的变化是非线性的。弹性地基系数法虽然使用比较方便，但误差较大，其值往往受到不同试验条件的影响，取值困难。因此，最好的方法是通过试验直接获得地基不同深度处的土抗力和侧向位移之间的关系，并用它来分析工程桩在水平荷载作用下的受力特性。

总之，进行桩的横向静载试验的目的之一是确定试验区域的地基，特别是浅层地基的力学性能，因此试验场地必须具有代表性，尤其是试桩区的浅层地基必须能代表实际工程的情况。

单桩横向极限承载力单桩横向承载力简介

桩的横向承载力是指桩在与桩轴线垂直方向受力时的承载力。桩在横向力作用下的工作情况较轴向受力时要复杂些，但仍然是从保证桩身材料和地基强度与稳定性以及桩顶水平位移满足使用要求来分析和确定桩的横轴向承载力。

单桩横向极限承载力单桩水平承载力的影响因素

在水平荷载作用下，桩身产生挠曲变形，并挤压桩侧上体产生对桩侧的抗力。当水平荷载较小时，这一抗力主要由靠近地面部分的土体提供的，土体的变形也主要是弹性变形。随着荷载加大，桩身的变形也加大，表层土将由上至下逐渐发生屈服，水平荷载向更深层上体传递。当变形达到桩所不能允许的程度，或者桩周土丧失稳定性时，就达到了桩的水平极限承载力。

桩的水平承载力也应该满足桩周土稳定性、桩身强度和允许位移这三个方面的要求。因此，地基土质条件、桩的人土深度、桩身截面刚度、桩身材料强度、桩间距、桩顶嵌固程度以及上部结构的性质，都是影响桩的水平承载力的因素。地基土的抗力就越大，桩的水平承载力也就越高。抗弯性能差的桩，比如低配筋率的灌注桩，常因桩身断裂而破坏；抗弯性能好的钢筋混凝土桩或钢桩，承载力主要受周围土体的性质所控制。桩顶在承台中受到的嵌固作用越强，桩可能产生的水平位移越小，但桩身弯矩会土质越好，桩人土越深，越大。刚度大的桩的桩身变形小。

单桩横向极限承载力单桩横向承载力的破坏机理及计算

桩在横向荷载作用下，桩身产生横向位移或挠曲，并与桩侧土协调变形。桩身对土产生侧向压应力，同时桩侧土反作用于桩，产生侧向土抗力。桩土共同作用，互相影响。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，可分别按刚性桩和柔性桩计算。

刚性桩：当桩径较大，入土深度较小或周围土层较松软，即桩的刚度远大于土层刚度。桩的相对刚度较大时，受横向力作用时桩身挠曲变形不明显，如同刚体一样围绕桩轴某一点转动。如果不断增大横向荷载，则可能由于桩侧土强度不够而失稳，使桩丧失承载的能力或破坏。因此，基桩的横向承载力可能由桩侧土的强度及稳定性决定，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：当桩径较小，入土深度较大或周围土层较坚实，即桩的相对刚度较小。此时桩侧土有足够大的抗力，桩身发生挠曲变形，其侧向位移随着入土深度增大而逐渐减小，以至达到一定深度后，几乎不受荷载影响。形成一端嵌固的地基梁，桩的变形呈所示的波状曲线。如果不断增大横向荷载，可使桩身在较大弯矩处发生断裂或使桩发生过大的侧向位移超过了桩或结构物的容许变形值。因此，基桩的横向承载力将由桩身材料的抗弯强度或侧向变形条件决定。柔性桩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、弹性半空间法以及有限元法等。