水平桩的设计

3 m
d
图P-1 多层地基示意图
§ 原规范对单层地基的横向受荷桩位移和内力建立计 算表格供设计人员使用，对于多层地基横向受荷桩 的计算，通过将多层地基换算成单层地基而求得多 层地基横向受荷桩位移和内力。由于单层地基的横 向受荷桩位移和内力表格是精确的，因此，将此表 格应用于多层地基，其准确性取决于多层地基m值 的取值方法。
§ § § §
原因有三： 1.灌注桩的低配筋率0.3％－06％，桩身抗弯强度较低； 2.土体的体积压缩，桩侧土很难形成连续的滑动面； 3.随着桩恻上部土层的屈服，其土反力沿深度的发生重 分布，即上部荷载维持常量，下部荷载逐渐增大，桩身 内力分配也随之向下转移。 § 所以灌注桩的横向承载力不是由桩侧土的强度和稳定性 控制，而多数由桩身强度控制。
群桩效应
§ 1、桩的相互影响：通过土介质传递的桩与 桩的相互影响主要表现为桩侧土水平反力系 数的较低。桩距越小，桩数越多，相互影响 越显著。 § 沿荷载方向大于8d，垂直荷载方向大于2.5d 情况下，不予折减。 § 规范规定：
Hale Waihona Puke 1 − b2 L1 k = b2 + ⋅ 0.6 h1
§ 2、嵌固影响：基本上，群桩的嵌固效应导致 群桩承载力提高。 § 3、水平力在桩群中分配的不均匀性，逐排迭 减。 § 4、承台底部摩阻影响。
(P-16) (P-17)
h ' = 0.2hm
§ 故双层地基当量m值为：
m = γ m1 + (1 − γ )m2
(P-19)
h1 / hm ≤ 0.2 h1 / hm >0.2
其中：
5(h1 / hm ) 2 γ = 2 1 − 1.25(1 − h / h ) 1 m
由式(P-19)得到的当量m值只能保证桩顶位移的计 算精度，而桩身最大弯矩尚存在较大偏差，有必要 进一步对桩身最大弯矩进行修正。修正公式为：
1）5m根式基础压入根键前水平载荷试验
5m根式基础H-m 曲线
5m根式基础Y-m曲线
5m根式基础H-α曲线
5m根式基础Y-α曲线
8m根式基础H-m 曲线
8m根式基础Y-m曲线
1）5m根式基础压入根键前水平载荷试验
水平位移Y(mm) 0 -1 1 离 作用 点 距 离 L (m 3 5 7 9 2000kN 3000kN 4000kN 5000kN 6000kN 20 40 60 80 100 120
M 0=0 H 0=150
h1=2
m1=3000
h2=13
m2=20000
z
图P-3 计算实例示意图
§ 根据现规范方法计算，可得：hm=4m， h1/hm=0.5，δ=0.824，由式(P-19)得 γ=0.6875，m=8312.5 kN/m4。将此m值按单 层地基计算可得桩顶位移x0=4.44mm，桩身 最大弯矩M’max=270.21kN⋅m；由式(P-21)得： ξ=1.259，再由式(P-20)得： Mmax=ξMzmax=340.31 kN⋅m。以幂级数法， 原规范法，现规范法计算桩身挠曲曲线和桩 身弯矩如表P-3和图P-4、图P-5所示。可见， 现规范法较原规范有较大的改进。
§ 原规范换算方法实际上是按深度进行加权换算当量 地基系数m，即埋深越大的土体，其m值在桩的内 力及位移计算中所起的作用越大。 § 事实上，桩周土对抵抗水平力所起的作用与其本身 的变形有关：土体压缩得越厉害，其抗力发挥的程 度越大，而自桩顶向下，桩的水平方向变形是越来 越小的，土体埋深越大，土体对抵抗水平荷载的贡 献应该是越低，其m值的大小也越不重要。在换算 中，埋深越大的土体在换算中所应分配的权重应越 低，因此本规范予以修订。
按m法计算弹性桩水平位移及作用效应
§ 除两层土m值换算计算方法及其桩身最大 弯矩修正进行了改进外，其他内容不变 。
§ 原规范的多层地基横向受荷桩位移和内力 简化计算方法。
M0 H0 h1
地面或局部冲刷线
mh mh
1 2 1
1
hm
h2
h
h3
m 2( h 1+ h 2 ) m 3( h 1+ h 2 ) mh
2）电脑及数据自动采集仪一套
弯矩量测装置
钢筋应变计 与竖向试验相同
根式基础变形量测装置
测斜管 基础井壁内布设4 根测斜管
根式基础受力面与周围土的裂缝
水平承载力
1）5m 根式基础压入根键前水平载荷试验
5m 根式基础极限承载力为Qu =6000kN 荷载-位移曲线
5m根式基础荷载-位移曲线
地基土水平抗力系数的比例系数m和水平变形系数α
桩土特征系数
§ 桩土特征系数，其量纲为长度。
α=
5
Kbp EI
T =5
EI Kb p
桩的换算长度：
§
L h = L ⋅α = T
桩分类 计算方法 刚性桩 半刚性桩 柔性桩
换算长度2.5区分为两类。
桩顶自由 Broms法 “m”法 美国规范法
§ 分类：
h ≤ 1 .5
1.5 < h < 2.5
h ≤ 2 .5
§ 对弹性长桩而言，桩头自由和桩头嵌固均 发生挠曲破坏。因为长桩超过一定长度后， 可以认为桩是无限长的，故桩下段的土抗 力可视为无限的，亦即桩下段可视为嵌固 于土中而不能转动。
§ 按照桩土相对刚度的不同，水平荷载下桩土体系可有两类工作状态和破坏机理。 § 一类是刚性短桩，因转动或平移破坏； § 一类是弹性长桩，因挠曲而破坏。
h h
0.5
= cz 0.5
z>
4 , kh ( z ) = kh z 0.5 = c( )0.5 λ λ
灌注桩在横向荷载下的承载力特性和 群桩效应
§ 破坏特征 § 对不同土质中的不同桩径的灌注桩，桩长 在弹性范围内的大量横向荷载试验结果表 明，桩的破坏都表现为桩身受弯破坏而丧 失承载能力，桩侧土不显示明显的塑性挤 出和失稳现象。
M
max
= ξ M z max
(P-20)
其中Mzmax为计算的桩身最大弯矩值，ξ为最大弯 矩修正系数，可按下式计算：
2δ h1 ξ = δ + 2 h + 1 m ξ = 2δ h1 + 4 + δ δ − 4 hm 4 − δ h1 1 ≤ (δ + 2) hm 6 h1 1 > (δ + 2) hm 6
5 米沉井1# 侧斜管
11
井侧土抗力图
q-y曲线
换算埋深αh
5m根式基础换算埋深αh（5m根式基础压入根键前水平试验）
5m根式基础换算埋深αh（5m根式基础压入根键后第一次水平试验）
§ 试验仪器设备
加载设备 1）卧式千斤顶 2）高压油泵 3）传力杆、滚轴、球形铰座等 加载辅助工具
位移量测装置
1）电子位移传感器
2 只下表用于量测墙体作用力水平面水平位移； 2 只上表用于量测墙体作用力水平面以上50cm 处水平位移； 2 只下表用于量测作用力水平面背面水平位移； 2 只上表用于量测作用力水平面背面以上50cm 处水平位移； 2 只测提供反力的方形墙体作用力水平面水平位移。
地基水平反力系数分布图式
P( z, y ) = kh ( z ) ⋅ y ⋅ d = kh ⋅ z n ⋅ y ⋅ d
0 n = 0, k ( z ) = k z = const = k § 1、张有龄法： 矩形 h h
n = 1, kh ( z ) = kh z = mz § 2、m法：三角形： § 3、C法：凸形抛物线＋常数 n = 0.5, 4 z ≤ , k ( z) = k z λ § 4、K法：凹形抛物线＋常数 4
§ 在水平荷载下，按照桩土相对刚度的不同而分 为刚性短桩（图1）和弹性长桩（图2）。
图1刚性短桩（a）桩头自由(b)桩头嵌固
图2弹性长桩（a）桩头自由 (b)桩头嵌固
§ 对刚性短桩，当桩头自由时，由于下部土体不 能提供足够的嵌固，所以产生转动；当桩头嵌 固于承台时，则因不能产生转动而发生平移， 由平移获得抗力 .
2 .5 < h < 4
h ≤ 2 .0
2.0 < h < 4
h ≥ 2 .5
h ≥ 2 .5
h≥4
桩分类 计算方法 刚性桩 半刚性桩 柔性桩 Broms法
h ≤ 0.5
桩顶嵌固 “m”法
h ≤ 2 .5
美国规范法
h ≤ 2 .0
0.5 < h < 2.25
2 .5 < h < 4
2 .0 < h < 4
本规范的m值换算方法和桩身最大弯 矩计算方法
§ 考虑桩身位移的影响对m值进行换算是更 科学的方法，因此采用根据桩身位移挠曲 线确定上下两层土的加权权值，计算得到 的当量m值，采用按桩身挠曲曲线的形状 [如图P-2(b)所示]与深度建立综合权函数计 算当量m值，其权函数为：
z n z xz = (1 − ) hm hm
(P-21)
其中：
H0 m2 δ= lg H 0 + 0.1M 0 m1
(P-22)
§ 算例：原规范方法和现规范对比
某圆截面桩桩径d=1m，地面处水平荷载150kN， 弯矩M0=0，桩身混泥土弹性模量 Ec=3.237×107kN/m2。地基土表层为流塑状回填土 厚2米，m1=3000kN/m4，其下为硬塑状黏性土， m2=20000kN/m4，如图P-3所示：
h ≥ 2.25
h≥4
h≥4
§ 对于刚性短桩，有两种计算方法： § 极限平衡法，又称极限地基反力法； § 地基反力系数法。
极限平衡法
§ 该方法认为刚性短桩的承载力完全由桩侧土 的屈服所致，桩的横向极限承载力由极限平 衡状态下的静力平衡求得。 § 极限平衡法按桩侧地基土极限反力分布图式 假定的不同又分为：反力呈二次抛物线分布， 反力呈直线分布。 § 其中Broms法就是按照反力呈现线性分布的。