8.5 桩的水平承载力 与位移
8.5 桩的水平承载力 与位移
土木工程中的桩基大多以承受竖向荷载为主，但在风荷 载、地震荷载、机械振动荷载或土压力、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要求外，还必须对桩基的水平承载力 进行验算。 桩的水平承载力是指与桩轴方向垂直的承载力。作用在 桩基上的水平荷载有长期作用的水平荷载和反复作用的水平 荷载（如风荷载）。以承受水平荷载为主的桩基，可考虑采 用斜桩。即使采用斜桩更有利，但常受施工条件的限制而难 以实现，不得不采用竖直桩
土木工程中的桩基大多以承受竖向荷载为主，但在风荷 载、地震荷载、机械振动荷载或土压力、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要求外，还必须对桩基的水平承载力 进行验算。 桩的水平承载力是指与桩轴方向垂直的承载力。作用在 桩基上的水平荷载有长期作用的水平荷载和反复作用的水平 荷载（如风荷载）。以承受水平荷载为主的桩基，可考虑采 用斜桩。即使采用斜桩更有利，但常受施工条件的限制而难 以实现，不得不采用竖直桩
一 般工业与民用建筑中的基础，常以承受竖向荷载 为主，但在桩基上作用有较大水平荷载时还必须对桩的水 平承载力进行验算。 一般来说当水平荷载和竖向荷载合力与竖直线的夹角 不超过5度时，竖直桩的水平承载力不难满足设计要求， 更应采用竖直桩。因此下面的讨论仅限于竖直桩的水平承 载力。 实践表明：桩的水平承载力远比竖向承载力要低！
一般工业与民用建筑中的基础，常以承受竖向荷载 为主，但在桩基上作用有较大水平荷载时还必须对桩的水 平承载力进行验算。 一般来说当水平荷载和竖向荷载合力与竖直线的夹角 不超过5度时，竖直桩的水平承载力不难满足设计要求， 更应采用竖直桩。因此下面的讨论仅限于竖直桩的水平承 载力。 实践表明：桩的水平承载力远比竖向承载力要低！
1.单桩的水平承载力 >桩的水平荷载作用的特征 桩在水平荷载作用下，桩身产生挠曲变形，变 形的形式与桩和地基的刚度有关。桩身变形挤压侧 土体，而土体对桩侧产生水平抗力，其大小和分布 与桩的变形、地基条件和桩的入士深度有关。 桩在破坏之前，桩身与地基的变形是协调的，相 应地桩身产生了内力。随着桩身变形和内力的增大， 对于低配筋率的灌注桩来说常是桩身首先出现裂缝， 然后断裂破坏；
１.单桩的水平承载力 ➢桩的水平荷载作用的特征 桩在水平荷载作用下，桩身产生挠曲变形，变 形的形式与桩和地基的刚度有关。桩身变形挤压侧 土体，而土体对桩侧产生水平抗力，其大小和分布 与桩的变形、地基条件和桩的入土深度有关。 桩在破坏之前，桩身与地基的变形是协调的，相 应地桩身产生了内力。随着桩身变形和内力的增大， 对于低配筋率的灌注桩来说常是桩身首先出现裂缝， 然后断裂破坏；
对于抗弯性能好的钢筋混凝土预制桩，桩身虽然 未断裂，但桩侧土体已明显开裂和隆起，桩的水平位 移一般已超过建筑物的允许值，也应认为已破坏。 影响桩水平承载力的因素 影响桩水平承载力的因素较多，主要有以下几种： ①桩的截面尺寸和材料强度 桩的截面尺寸越大，材料强度越高，桩的抗弯刚 度越大；反之，桩的抗弯刚度就小。对于抗弯刚度较 大的桩，在水平位移较大时仍不折断，但已超过建筑 物的允许位移值。所以，桩的水平承载力常常不是由 桩的强度确定，而是由桩的允许水平位移值控制
对于抗弯性能好的钢筋混凝土预制桩，桩身虽然 未断裂，但桩侧土体已明显开裂和隆起，桩的水平位 移一般已超过建筑物的允许值，也应认为已破坏。 影响桩水平承载力的因素 影响桩水平承载力的因素较多，主要有以下几种： ①桩的截面尺寸和材料强度 桩的截面尺寸越大，材料强度越高，桩的抗弯刚 度越大；反之，桩的抗弯刚度就小。对于抗弯刚度较 大的桩，在水平位移较大时仍不折断，但已超过建筑 物的允许位移值。所以，桩的水平承载力常常不是由 桩的强度确定，而是由桩的允许水平位移值控制
②地基土的强度 地基土的强度越高，抵抗水平位移的能力就越大，桩的 水平承载力也就越大。所以，地基强度高的比地基强度低的 桩的水平承载力大。 ③桩头嵌固条件 桩头嵌固于承台中的桩，其抗弯刚度大于桩头自由的桩。 所以，桩头嵌固提高了桩抵抗横向弯曲的能力，使桩的水平 承载力增大。 ④桩的入土深度 桩随着入土浓度增加，水平承载力就逐渐提高，当达到 某一深度后，继续增加入土深度，承载力将不起变化，桩抵 抗水平荷载作用所需的入土深度，称为有效长度
②地基土的强度 地基土的强度越高，抵抗水平位移的能力就越大，桩的 水平承载力也就越大。所以，地基强度高的比地基强度低的 桩的水平承载力大。 ③桩头嵌固条件 桩头嵌固于承台中的桩，其抗弯刚度大于桩头自由的桩。 所以，桩头嵌固提高了桩抵抗横向弯曲的能力，使桩的水平 承载力增大。 ④桩的入土深度 桩随着入土浓度增加，水平承载力就逐渐提高，当达到 某一深度后，继续增加入土深度，承载力将不起变化，桩抵 抗水平荷载作用所需的入土深度，称为有效长度
在水平荷载作用下，有效长度以下部分，桩没有显著的水 平变位。桩的入土深度小于有效长度时，则不能充分发挥地 基的水平抗力，荷载达到一定值后，桩就会倾倒而被拔出； 而当桩的入土深度大于有效长度时，桩嵌固在土中某一深度 处，地基的水平抗力得不到充分发挥，桩不致倾倒或被拔出， 而是产生弯曲变形。 ⑤桩的间距 当桩距较小（小于3d)时，桩前区土中应力将发生重迭， 地基变形大，桩的水平承载力下降；当桩距较大时，应力重 迭的影响小。但桩距大，承台尺寸也随之增大，因此，设计 必须进行经济比较，全面加以考虑
在水平荷载作用下，有效长度以下部分，桩没有显著的水 平变位。桩的入土深度小于有效长度时，则不能充分发挥地 基的水平抗力，荷载达到一定值后，桩就会倾倒而被拔出； 而当桩的入土深度大于有效长度时，桩嵌固在土中某一深度 处，地基的水平抗力得不到充分发挥，桩不致倾倒或被拔出， 而是产生弯曲变形。 ⑤桩的间距 当桩距较小（小于3d）时，桩前区土中应力将发生重迭, 地基变形大，桩的水平承载力下降；当桩距较大时，应力重 迭的影响小。但桩距大，承台尺寸也随之增大，因此，设计 必须进行经济比较，全面加以考虑
>确定水平承载力的方法 单桩的水平承载力与竖向承载力一样，不仅取决于地基土 的阻力而且也决定于桩身材料强度。设计时，仍然是先根据地 基土的阻力确定单桩的水平承载力，再据此承载力考虑一定的 安全度，按桩身材料验算并选定其材料强度。 根据地基土对桩的侧向阻力确定单桩水平承载力的方法， 通常有以下几种： ①水平静载荷试验法：桩的水平静载荷试验是在现场条件下 进行的，影响桩的水平承载力的各种因素都得到比较真实的反 映，因此试验测得的承载力和地基水平抗力系数最符合实际情 况。 如果预先在桩身埋设测试原件，则试验资料还能反映出加 载过程中桩身截面的内力和位移
➢ 确定水平承载力的方法 单桩的水平承载力与竖向承载力一样，不仅取决于地基土 的阻力而且也决定于桩身材料强度。设计时，仍然是先根据地 基土的阻力确定单桩的水平承载力，再据此承载力考虑一定的 安全度，按桩身材料验算并选定其材料强度。 根据地基土对桩的侧向阻力确定单桩水平承载力的方法， 通常有以下几种： ①水平静载荷试验法：桩的水平静载荷试验是在现场条件下 进行的，影响桩的水平承载力的各种因素都得到比较真实的反 映，因此试验测得的承载力和地基水平抗力系数最符合实际情 况。 如果预先在桩身埋设测试原件，则试验资料还能反映出加 载过程中桩身截面的内力和位移
按加荷方式的不同，试验方法有多循环加御载法和分 级连续加载法两种，前者用于承受反复作用水平荷载的桩 基，后者用于承受长期水平荷载的桩基。详见《建筑桩基 技术规范》（JGJ94-94)。 ②理论计算取值法：根据桩顶的水平位移容许值，用 理论公式进行计算，从而确定单桩的水平承载力。 ③经验取值法：根据当地桩基的使用经验取值，确定 单桩的水平承载力设计值，如北京地区400mm直径灌 注桩，水平承载力取40kPa~60kPa。 >根据桩身材料确定单桩水平承载力，是从桩身材料 的强度、抗裂度验算出发加以确定的
②理论计算取值法：根据桩顶的水平位移容许值，用 理论公式进行计算，从而确定单桩的水平承载力。 ③经验取值法：根据当地桩基的使用经验取值，确定 单桩的水平承载力设计值，如北京地区400mm直径灌 注桩，水平承载力取40 kPa ～60kPa。 ➢根据桩身材料确定单桩水平承载力，是从桩身材料 的强度、抗裂度验算出发加以确定的。 按加荷方式的不同，试验方法有多循环加卸载法和分 级连续加载法两种，前者用于承受反复作用水平荷载的桩 基，后者用于承受长期水平荷载的桩基。详见《建筑桩基 技术规范》（JGJ94-94）
2.单桩在水平荷载作用下的计算方法 单桩在水平荷载作用下的变形和内力计算，通常采用按 文克勒假定的弹性地基上梁的计算方法，即把承受水平荷载的 单桩视为文克尔地基上的竖直梁，通过梁的挠曲微分方程解答， 计算桩身的弯矩和剪力，并考虑由桩顶竖向荷载产生的轴力， 进行桩的强度计算。 >基本假定 单桩受水平荷载时，可把土体视为直线变形体，假定深 度z处的水平抗力ō，等于该点的水平抗力系数k,与该点的水平 位移的乘积。即此时忽略桩土之间的摩阻力对水平抗力的影响 以及邻桩的影响
２.单桩在水平荷载作用下的计算方法 单桩在水平荷载作用下的变形和内力计算，通常采用按 文克勒假定的弹性地基上梁的计算方法，即把承受水平荷载的 单桩视为文克尔地基上的竖直梁，通过梁的挠曲微分方程解答， 计算桩身的弯矩和剪力，并考虑由桩顶竖向荷载产生的轴力， 进行桩的强度计算。 ➢ 基本假定 单桩受水平荷载时，可把土体视为直线变形体，假定深 度z处的水平抗力σx等于该点的水平抗力系数kh与该点的水平 位移的乘积。即此时忽略桩土之间的摩阻力对水平抗力的影响 以及邻桩的影响。 k x x = h