桩的水平承载力作用机理分析

①桩的水平承载力作用机理分析<1>水平荷载作用下的单桩工作机理：桩所受的水平荷载部分由桩本身承担，大部分是通过桩传给桩侧土体，其工作性能 主要体现在桩与土的相互作用上，即当桩产生水平变位时，促使桩周土也产生相应的变形，产生的土抗力会阻止桩变 形的进一步发展。

在桩受荷初期，由靠近地面的土提供土抗力，土的变形处在弹性阶段；随着荷载增大，桩变形量增 加，表层土出现塑性屈服，土抗力逐渐由深部土层提供；随着变形量的进一步加大，土体塑性区自上而下逐渐开展扩 大，最大弯矩断面下移，当桩本身的截面抗拒无法承担外部荷载产生的弯矩或桩侧土强度遭到破坏，使土失去稳定时， 桩土体系便处于破坏状态。

<2>按桩土相对刚度(桩的刚性特征与土的刚性特性之间的相对关系)的不同，桩土体系的破坏机理及工作状态分为二类:1)刚性短桩，此类桩的桩径大，桩入土深度小，桩的抗弯刚度比地基土刚度大得多，在水平力作用下，桩身像刚体一 样绕桩上某点转动或平移而破坏；此类桩的水平承载力由桩周土的强度控制；2)弹性长桩，此类桩的桩径小，桩入土深度大，桩的抗弯刚度与土刚度相比较具柔性，在水平力作用下，桩身发生挠 曲变形，桩下段嵌固于土中不能转动；此类桩的水平承载力由桩身材料的抗弯强度和桩周土的抗力控制。

3)对于钢筋混凝土弹性长桩，因其抗拉强度低于轴心抗压强度，在水平荷载作用下，桩身的挠曲变形将导致桩身截面 受拉侧面开裂，然后渐趋破坏；当设计采用这种桩作为水平承载桩时，除考虑上部结构对位移限值的要求外，还应 根据结构构件的裂缝控制等级，考虑桩身截面开裂的问题；但对抗弯性能好的钢筋混凝土预制桩和钢桩，因其可忍 受较大的挠曲变形而不至于截面受拉开裂，设计时主要考虑上部结构水平位移允许值的问题。

<1>桩的水平承载力大小取决于桩与土的相互作用，其力学模型可以认为是一端固接的悬臂梁，在自由端增加了反力，(此 处的近似模型包含：固接是针对桩在土体中受水平力时，位移很小可以近似认为固接，土体的反力不是集中力，而是 一个散布荷载，可以认为是一个似三角形荷载)。

故而桩的水平承载力的影响因素有两个方面：桩和桩有关的因素、土 和土有关的方面；<2>桩的水平承载力是指桩体达到容许变形时所能承受的水平荷载。

桩的质量受混凝土和钢筋强度的影响，两者对桩的质 量好坏所起的作用以混凝土强度影响最大，主要承受抗压、抗剪的作用(其抗拉作用力很小，一般忽略不计)；钢筋强 度的影响其次，主要承担抗剪、抗拉的作用力(其截面面积很小，强度很大，抗压一般不考虑)。

<3>对于刚度，抗弯刚度EI 是至关重要的，是弹性模量和惯性矩的共同作用，材料强度越高，截面积越大，其刚度也越 大，但由试验结果知刚度随着弹性模量增加时在某一值时不再变化(趋于平缓)，其随着截面积(直径)的变化无限增大， 因而，对混凝土强度的增大，对于提高桩的刚度并不是最好的办法，可见增增大大截截面面积积是是提提高高桩桩体体刚刚度度的的最最有有效效的的办办法法。

<4>稳定性，是指构件受力后随时间变化保持原有平衡的能力，变形越小，稳定性越好，其主要的表征量是挠曲变形量。

对于桩，当水平承载力作用于桩顶时，在桩顶产生弯矩和剪力，使桩体产生变形(挠曲变形、压缩变形、剪切变形)， 这也就要求桩的稳定性满足要求，同时桩体材料强度也要满足变形。

<5>对于单桩，如何能使其承受更高的承载力呢？方法一，就是增大截面积，减小其长细比，因为当长细比在不同阶段时， 其产生的挠曲变形不同。

为了方便理解可以简化为不同的模型，如长细比很小的时候，如试块，构件的变形以压、剪 为主，挠曲变形忽略不计；长细比很大的时候，如压杆，以挠曲变形为主，压、剪忽略不计，这也就是说，增大强度 和刚度，可以有效的减小桩体的变形(对于块体材料是压、剪产生的压缩和剪切变形，对于杆体是弯矩产生的挠曲变形)。

因此，桩体是一个中间类构件，其受水平力后的变形特征以挠曲变形为主，压、剪变形为辅(可以说变形很小忽略)。

<6>在不考虑土时，研究提高桩体本身的抗变形能力，我们可以朝着试块方向看，也就是说，对于桩体的挠曲变形，可以 通过减小长细比，增大刚度，提高配筋率，以便减小桩体的挠曲变形，即刚度越大，达到容许的挠曲变形则需要更大 的水平荷载。

桩的挠曲变形状态是(在不受桩侧土体时的作用时)是过固定端和自由端的一个连续曲线，以桩体为坐 标轴，其表现在位移上是，在自由端最大，固定端为零。

<7>考虑桩侧土体时，桩的挠曲变相受到土体的抵抗，挠曲变形减小，但其挠曲变形的曲线形态仍然不变。

不同的是在受 土体的影响下，在一定深度下，桩体变形不足以挤压土体发生较大的反力，或者说与桩体承受的水平力可以忽略不计， 因此，在这个深度以下桩侧土体提供的反力对桩能否承担更大的荷载不起作用，而这个位置大概是位于桩顶以下10d 以内，并且在这桩顶下10d 的范围内的桩侧土中，限制桩体挠曲变形，提供桩体的水平反力的关键土体厚度约为 2(d+1)范围(桩基条文说明5.7.5)，而由于桩体的变形压缩侧面土体，使其受力侧约6d 范围内的土体产生变形(随 土体的不同而不同)，该范围内的土阻碍了桩体的挠曲变形，使其达到相同的容许挠曲变形时需要更大的水平荷载， 也就是说，越密实，变形越小的桩间土体，可以促使桩承受更大水平作用力。

对于群桩基础，当桩间距在影响的范围 之内(约6d 范围)时，减小桩距，桩与桩的相互影响增大，土体扰动，导致土体抵抗作用发挥不足，对桩的抗力减 小，桩的水平承载力减小，基桩的承载力下降。

若桩间距大于其主要的影响范围，增大桩距和减小桩距对桩的水平承 载力影响可以忽略，不能有效提高水平承载力。

故而对于群桩来说，桩距为6d 时是水平承载力最大的位置。

<8>桩与承台的连接方式有固接和铰接，其分类有高承台桩和低承台桩。

高承台桩的承台对桩的水平承载力没有影响，完 全取决于桩本身。

建筑物的桩基大多属于低承台桩，需要考虑承台对桩的作用影响，包括承台连接的约束效应、承台 侧的侧阻效应、承台底的摩阻效应。

1)承台的约束效应：可以分为位移和弯矩。

由材料力学和结构力学的结论，固接的时候位移为零，弯矩最大，自由端 的时候位移最大，弯矩为零，铰接的时候，没有弯矩，没有位移。

但是，在桩与承台的连接中是介于固接和铰接之 间的一种有限连接方式，既存在弯矩也存在位移。

因此，将连接方式由铰接变为固接，减小了位移，增大了弯矩； 固接变为铰接，增大了位移，减小了弯矩，对于极限承载力的状态的安全使用有影响。

如果以变形作为衡量桩水平 承载力，将承台看做是桩端嵌入部分的侧阻体，减小位移都是提高在提高桩能承受的水平荷载。

如果以强度作为控 制，那么就应该减小弯矩。

但是，值得注意的是，对于提高桩承受水平荷载的能力，不管是强度控制还是位移控制， 前提都是在容许的变形范围之内，因此，其与桩使用安全极限的控制方式没有关系，只是和桩的侧阻体有关，当桩 形成的位移越小时，那就是桩的侧阻体越抗压，桩可以承担更大的水平荷载。

2)在承台下增加桩数，减小承台的位移变形，同时也降低了承台的侧阻和摩阻效应减小，降低土对承台承担的水平抗 力荷载，但增加桩数后是否会增加土体的强度和改善土体的抗力，需要综合考虑。

对群桩中的单桩基础和其相应的 承台进行分析。

桩的相互影响效应，随桩距减小、桩数增加而增大，沿荷载方向的影响远大于垂直于荷载作用方向。

桩顶约束的影响，桩顶增加约束可以减小桩顶水平位移，降低桩顶约束弯矩，重新分配弯矩。

桩顶的非完全嵌固比 完全嵌固水平位移提高25%，弯矩降低约理论值的40%。

2)承台侧土的抗力，因为桩的水平位移很小，被认为是发生的线弹性变形，服从线弹性地基梁模型，不考虑桩受的被动土压力(不考虑被动土压力是因为要达到被动土压力状态时所需的位移量太大，不符合工程实践)，在计算过程中统一采用土的水平抗力系数的比例系数m(规范5.7.3 条文说明)。

不管是强度控制还是变形控制，桩和土共同承担了水平荷载，这个共同承担是由桩的位移产生的。

桩的位移是指桩本身的挠曲变形，同时由桩的压力产生的桩侧阻体的压缩变形量，这两者是相等的。

如果桩体刚度很大，桩体在受力时的变形很小，那么桩水平承载力很高；如果侧阻体很硬，那么桩的水平承载力也很高。

因此，只要桩在容许的变形程度内，只需要考虑位移大小，而与控制方式无关。

控制方式是研究其承载能力极限状态和安全使用极限状态的，对提高水平承载力的方法没有影响。

3)小于0.065是按照强度理论推出来的，是针对桩的最大弯矩乘以的比例系数，对于固接和铰接其最大弯矩系数是不同的部位，在根本上存在一定差别，而桩的水平承载力是由桩产生位移和压缩土体形成的抵抗合力，在没有达到强度要求前都应采用位移控制。

规范中的公式只是针对设计采用的安全极限的控制计算而已。

因此，从这几方面考虑，强度控制不能用于判定桩与承台的连接方式的影响。

②有效提高水平承载力的措施<1>关于桩体刚度：1)桩的直径或截面面积(√)；正相关。

在其他条件相同情况下，刚度随着桩径的增大而显著增大，这是提高桩体刚度最有效的方法，也是提高水平承载力最有效的措施；2)桩长或有效深度桩长(×)；影响深度内正相关(作用有限)，深度外不相关。

在其他条件相同情况下，在有效深度桩长范围内，刚度先随着桩长快增加，到了某一深度后，增加速度变缓，接近于不变化。

3)桩身配筋长度(×)；影响深度内正相关(作用有限)，深度外不相关4)桩身配筋率(√)；正相关(局部配筋需另外考虑)5)桩的混凝土强度(×)；正相关(作用非常有限)，限值外不相关；桩体刚度在开始段随着混凝土强度的增大快速增加，而后增加速度越来越慢，亦即通过提高混凝土等级对提高桩体刚度作用非常有限；<2>关于桩侧土体和桩的布置：1)桩距变化(×)；群桩影响范围内正相关(作用有限)，范围外不相关2)在允许范围内适当的变化桩距(×)；影响范围内正相关(作用有限)3)桩顶以下2~3 倍桩径范围内的土体(√)；正相关；4)桩端以下适当深度范围内的土体(×)；不相关<3>关于桩与承台连接：1)桩与承台固接(√)；正相关；2)桩与承台铰接(×)；负相关；3)承台的混凝土强度(×)；正相关(嵌入约5~10cm，作用非常有限)，限值外不相关；<4>经估算，对于增大有效深度内的桩长、提高桩混凝土强度、增大桩距使桩的水平承载力等方法，其增大有效深度内的桩长、混凝土强度，最多可以提高1.5倍；增大桩距可以提高的最大极限为2.58倍，但是限于承台面积，和单桩竖向承载力的要求，一般较小桩距的可变范围很小，而且这些方法在超过一定限值时，将不再提高，成本高，效果差。