软土地区phc桩单桩水平承载力的计算分析与试验

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 软土地区 PHC 桩单桩水平承载力的 计算分析与试验 摘要：本文分别采用 m 值法的幂 级数解（即规范公式和表格）和杆件有 限元方法对某工程项目的水平受荷 PHC 桩的内力和位移进行分析计算，并与试 桩成果进行了对比。文章对基于 SAP2000 通用有限元程序的 m 值法求 解水平受荷桩的内力和变形进行了验证， 并对该方法的扩展应用提出了展望。同 时，也指出在沿海软土地区 PHC 桩的 水平承载力相对于其竖向承载力比例很 低，在设计中应加以重视。 中国论文网 /2/view-12908786.htm 关键词： PHC 桩，软土，单桩 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 水平承载力，水平受荷桩，m 值法，土 弹簧，桩-土共同作用模型 Abstract: This article presents two methods of analyzing deformation and internal forces of laterally loaded single pile. These methods are based on m- method, the first one is analytic solution (equations and tables from design codes), and the other one is applying FEM program. Solutions are also compared with the on-site test results. The Pile-Soil FEM modeling using SAP2000 program based on the m-method is verified and further application is briefly described. The author points out that the capacity of laterally loaded pile is very load in the soft soil site and designer should pay attention to this fact. Key words: PHC Pile, soft soil, -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 lateral bearing capacity, laterally loaded single pile， m-method, soil spring, pile- soil interaction modeling 中图分类号：U656.1+14 文献标 识码： A 文章编号： 2095- 2104（2012） 前言 桩水平承载力和位移的影响因素 包括桩身截面抗弯刚度、材料强度、桩 侧土质条件、桩的入土深度、桩顶约束 条件等等。在珠江三角洲地区普遍存在 着含水量大、压缩性高、承载力低的深 厚淤泥或淤泥质土，同时也广泛分布有 松散砂土等工程性状差的软弱土层。而 该地区广泛采用的高强预应力混凝土管 桩（PHC）桩直径多在 400mm600mm 之间，桩身的抗弯刚度和抗弯承载力相 对较低。相对其竖向承载力来说，PHC 桩的单桩水平承载力低，在某些情况下 桩基础的水平承载力会成为桩基设计的 决定性因素。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 工程概况 某工程位于珠海市海滨，场地原 为围海而成的鱼塘，场地地貌为滨海平 原，地下水位浅。场地在钻探前经填土 整平，并采用真空预压对场地进行地基 处理。经过固结排水后，原有淤泥/淤泥 质土层的工程性状得到一定的提高，但 仍属于高压缩性的软土。本场地土层的 主要物理力学性质指标如表 1。拟建建 筑物为总高 17 层的大型酒店项目，由 于建筑方案原因，主体塔楼下没有地下 室，且局部存在较高的单侧覆土，主体 结构及基础需承担较大的单侧土体压力。 为此作者在设计阶段对该场地的 PHC 桩单桩水平承载力进行了计算和试桩检 测。计算方法包括采用建筑桩基技术 规范 （JGJ 94-2008） （以下简称桩基 规范 ）中的公式和基于 SAP2000 的杆 件有限元方法。 表格 1 场地岩土层主要物理力学 指标 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 桩水平承载力的计算方法 m 值法简介 桩在水平荷载作用下的内力和位 移计算模式按照桩相对刚度的不同分为 刚性桩和弹性桩。PHC 桩的长径比较大， 相对刚度小，一般情况下属于弹性桩， 其受荷模式犹如竖放在土中的弹性地基 梁。在工程上通常采用弹性地基反力法， 即假定土为弹性体，用梁的弯曲理论来 求桩的位移和内力。一般建筑工程中桩 顶允许水平位移为 6mm10mm，此时， 桩身任一点的土抗力与桩身侧向位移之 间可近似视为线性关系，一般认为水平 地基系数则随深度而增加。入土深度- 地基系数之间的数量关系常简化为三种 情况，可分别采用 m 法、k 法和 C 值法 计算。其中 m 值法假定桩周土体的水平 抗力系数随深度按比例系数 m 线性增长， 该方法的图式比较简单，被多个设计规 范中采纳，且相关规范根据试验和工程 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 经验给出了各类土体的 m 值。应注意该 值仅对应单桩在地面处某一给定水平位 移量。对于受水平荷载的桩可建立弹性 桩受荷后的弹性挠曲微分方程，并采用 幂级数解法求解微分方程，规范则对根 据相应的边界条件编制计算公式和表格。 和普通的 Winkler 弹性地基梁求解类似， 水平受荷桩也可采用有限差分法或有限 元法等方法进行数学上或是物理上的近 似，从而获得内力和位移的数值解。 桩基规范规定的 m 值法计算 公式 对于计算水平受荷桩， 桩基规 范在 5.7 节和附录 C 给出了基于 m 值 法的桩身变形和内力计算方法，对于单 桩水平承载力， 桩基规范的 5.7 节中 规定可采用下式计算： （1） 其中为桩的水平变形系数，该值 与桩身抗弯刚度（公式中考虑了混凝土 弹性模量的折减） 、考虑桩周部分土体 受力的桩身计算宽度和桩侧土的 m 值有 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 关，而则与桩的约束程度有关，则是桩 顶的允许水平位移。其中 m 值取主要影 响深度米范围内土层的值，对于多层土 则按照换算前后地基系数图形面积在 hm 深度内相等的原则进行 m 值的换算， 一般建筑工程中取 610mm。公式 （1）中的 0.75 属于折减系数，而桩 基规范的附录 C 给出的求单桩受单位 水平力作用下的位移计算公式则没有考 虑该折减系数。同样，广东省标准建 筑地基基础设计规范 （DBJ15-31- 2003）给出的求单桩水平承载力特征值 公式（10.2.23）与本文所列的公式 （1）基本一致，只是没有乘上 0.75 的 系数。 m 值法的通用有限元程序实现 在采用 SAP2000 对水平受荷桩 建模时，桩身采用平面杆单元模拟，而 土体对桩的作用则采用沿杆长度分布的 线弹簧模拟。桩的建模及计算与一般的 Winkler 地基梁模型大致相同，两者最 大的区别在于水平受荷桩按 m 值法计算 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 时土弹簧的刚度 k 不为常量，而是随着 桩周土体的 m 值的不同和入土深度变化。 SAP2000 程序中的线弹簧刚度对于每根 杆仅能输入一个常量，因此需要在建模 时人工对桩身进行细分，并对每段细分 的杆指定相应的线弹簧刚度。假定细分 的杆长度为 di(m)，相应的 m 值为 mi(kN/m4)，由土面算起的第 n 段杆对 应的线弹簧刚度以杆中心的值代表，其 值按下式求解： （2） 至于分段输入线弹簧的细分长度， 经试算取为 0.5m 左右较合适，且可以 根据土层的分布情况进行调整，令单元 内的土体为单一的 m 值。同时要注意， 桩基规范对桩身刚度有折减要求， 在建模时也应该据此对杆的刚度乘上相 应的刚度系数，令程序最终求得的桩身 的 EI 值与 桩基规范计算一致。由 于 SAP2000 与 EXCEL 程序间可以很好 的进行数据交互，人工细分杆件后输入 各杆件对应的土体线弹簧刚度是相当方 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 便快捷的。 为了验证基于 SAP2000 有限 元程序水平受荷桩的分析计算方法，本 文作者采用实用桩基工程手册的算 例 8-1 进行了计算对比。该算例的钢管 桩外径 600mm，壁厚 12mm，入土 24m，砂质地基 m=2000kN/m4，桩顶受 水平力 H0=150kN，力矩 M0=450kNm。为了配合算例中输出位 移和内力的深度，在 SAP2000 建模时 桩身分成 0.48m 长的杆段输入线弹簧值。 实用桩基工程手册和有限元模型得 到的桩身位移和弯矩值列表对比如下： 表格 2 实用桩基工程手册算 例 8-1 中桩的位移及内力对比 从上述对比结果可见，有限元方 法与采用幂级数解的算例 8-1 求得的位 移和内力吻合得较好，特别是内力偏差 很小，因此可以认为采用基于 SAP2000 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 的杆系有限元方法代替桩基规范的 查表法进行水平受荷桩的分析是可行的。 计算结果对比 图 1 为该项目场地的典型地质柱 状图，及拟采用的各土层的 m 值 (MN/m4)，项目采用的 PHC 桩桩径 500mm，AB 型桩，壁厚 125mm，保护 层厚度按 40mm 计算，柴油锤沉桩，桩 端持力层为强风化花岗岩层，估算桩长 约 43m。计算宽度， ，求的，相应的桩 换算埋深，查表求得，桩顶位移，则按 公式（1）求得的单桩水平承载力特征 值，弯矩最大值发生在埋深 2.39m 处， 最大弯矩值为。若不考虑公式（1）中 的折减系数，桩顶水平力应为 59.9kN 采用 SAP2000 进行该桩的水平 受荷分析得到，桩顶水平力为 44.9kN 时，桩顶位移 7.3mm，其最大弯矩距土 面 2.5m，对应的弯矩值为 61.25kNm。 有限元方法得到的内力计算值与用桩 基规范查表得到的值相差不大，但是 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 11 桩顶位移则仅为桩基规范计算值 （）的 73%，差距明显。但实际上运用 公式（1）求水平承载力特征值时乘上 了 0.75 的折减系数。由于计算中采用的 土弹簧刚度和桩身刚度均为线弹性，换 算得到的对应于桩顶位移的桩顶水平力 应为 61.5kN。可见在不考虑折减系数的 情况下，两种方法得到的桩顶位移结果 或是内力值的偏差均较小。 静载试验结果对比 在该项目的桩基设计正式开展前 对上述条件下的桩进行了单桩水平静载 实验，该桩在试验荷载加载至 60kN 时， 桩顶水平位移为 7.51mm，由于试验条 件的限制，并没有得到位移为 10mm 时 对于的检测结果。按照试桩结果，采用 广东省标准建筑地基基础检测规范 （DBJ 15-60-2008）的（ 15.4.1-1）式对 桩周土的 m 值进行了计算，其中由于桩 肯定属于，且桩顶自由的桩，水平位移 系数，因此求得。该值比理论计算所取 的 m 值要大。由于试验得到的位移明显 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 12 小于 10mm，该情况下 m 值必然比规范 推荐值大。由于岩土工程的复杂性，理 论计算和现场静载试验有较大的差距是 可以理解的，但是其数量级吻合，理论 计算仍具有相当的参考价值。 结论 相近条件下 PHC 桩的单桩抗压 静载极限值可超过 5600kN，相应的特 征值可取 2800kN，水平和竖直方向的 承载力存在着非常大的差异。在本项目 中如取 60kN 作为单桩水平承载力特征 值，而抗压承载力特征值取 2400kN 的 话，单桩的水平承载力仅为竖向承载力 的 2.5%，仅比通常情况下 7 度区建筑 物的底层剪重比稍大。可见在沿海软土 地区，特别是缺乏硬壳层的场地上有必 要对桩基础的水平承载力进行详细的分 析计算。 尽管随着计算方法的发展，众多 的研究者应用大型通用有限元程序，建 立三维桩-土模型对水平受荷的桩进行 分析，桩身和土体甚至可以采用考虑弹 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 13 塑性的单元进行模拟，可考虑桩-土接 触面的滑移和开裂等非线性影响。这些 有限元模型分析的有效性和准确性非常 依赖于符合实际的本构模型的确定，在 目前条件下工程实用性有限。对于通常 的工业民用建筑物来说， 桩基规范 推荐的 m 值法仍是主流的设计方法，除 了可以利用规范中的计算公式和表格进 行水平受荷桩的位移和内力分析计算外， 以 m 值法为基础的桩-土有限元分析也 是一个可行方式。作者采用基于 SAP2000 有限元程序的 m 值法杆件有 限元分析具有容易掌握，方便易行的特 点，对于分层土体的应用更是简便。而 SAP2000 作为一个通用有限元程序，广 泛应用于土木建筑结构的分析，并且该 程序具有开放的开发接口，因此除了本 文提到的简单桩-土分析实例外，通过 一定的扩展，可以采用该程序对复杂条 件下的桩-土模型进行分析，如考虑承 台、地下室墙体、桩基和土的协同工作 等。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 14