桩的水平承载力计算

根据桩的入土深度、桩土相对软硬程度以及桩的受力分析方法,桩可分为长桩、中长桩与短桩三种类型.其中,短桩为刚性桩,长桩及中长桩属于弹性桩.

作用于桩基上的水平荷载有推力、厂房吊车制动力、风力及水平地震惯性力等.在水平荷载作用下,桩体的水平位移按刚性桩与弹性桩考虑有较大差别.当地基土比较松软而桩长较小时,桩的相对抗弯刚度大,故桩体会如刚性体一样绕桩体或土体某一点转动.当桩前方土体受到桩侧水平挤压应力作用而屈服破坏时,桩体的侧向变形会迅速增大甚至倾覆,失去承载作用.桩的入土深度较大而桩周土比较硬时,桩体会产生弹性挠曲变形.随着水平荷载的增加,桩侧土的屈服由上向下发展,但不会出现全范围内的屈服.当水平位移过大时,可因桩体开裂而造成破坏.

4．6．1 水平荷载作用下桩的工作性状

桩在水平荷载(垂直于桩轴线的横向力和弯矩)作用下,桩体会产生水平位移或挠曲,并与桩侧土协调变形.桩体对桩周土体会产生侧向压力,同时,桩侧土会反作用于桩,产生侧向土抗力,桩、土共同作用,相互影响.随着水平荷载的加大,桩的水平位移与土的变形增大,会发生土体明显开裂、隆起;当桩基水平位移超过容许值时,桩体产生裂缝以致断裂或拔出,桩基失效或破坏.实践证明,桩的水平承载力比竖向承载力低得多.影响桩侧水平承载力的因素主要有桩身截面刚度、入土深度、桩侧土质条件、桩顶位移允许值、桩顶嵌固情况等.

4．6．2 单桩水平静载试验

单桩水平静载试验是在现场条件下对桩施加水平荷载,然后量测桩的水平位移及钢筋应力等项目,以确定其水平承载力,如图4．18所示.

图4．18 单桩水平静载试验成果分析曲线

(1)试验装置.试验装置包括加载系统和位移观测系统,采用水平施加荷载的千斤顶同时对两根桩施加对顶荷载,力的作用线应通过工程桩基承台标高处.千斤顶与试桩接触处宜设置一球形铰座,以保证作用力能水平通过桩体轴线.桩的水平位移宜用大量程百分表量测,若需测定地面以上桩体转角,则在水平力作用线以上500mm左右处安装1~2只百分表.固定百分表的基准桩与试桩净距不应小于一倍试桩直径.

(2)试验方法.对于承受反复作用水平荷载(风力、波浪冲击力、汽车制动力、地震力等)的桩基,宜采用单项多循环加卸载法加荷;对于个别承受长期水平荷载的桩基(或测量桩体应力及应变的试桩),也可采用慢速维持加载法进行试验.

单项多循环加卸载法的操作要点如下:

①荷载分级.取预估水平极限承载力的1/15~1/10作为每级荷载的加荷增量;根据桩径大小并适当考虑土层软硬,对于直径为300~1000mm的桩,每级荷载增量可取为2．5~20k N.

②加载程序与位移观测.每级荷载施加后,恒载4min测读水平位移,然后卸载至0,停2min测读残余水平位移,至此完成一个加卸载循环.如此循环5次便完成一级荷载的试验观测,随后进行下一级的加荷试验与观测.每级加载时间应尽量缩短,测量位移的间隔时间应严格准确,试验不得中途停歇.

③终止试验的条件.当桩体出现折断,水平位移超过30~40mm(软土或大直径桩时取高值),或桩侧地表出现明显裂缝,或隆起时即可终止试验.

4．6．3 单桩水平荷载特征值确定

受水平荷载的一般建筑物和水平荷载较小的高大建筑物,单桩基础和群桩中基桩应满足下式要求:

Hik≤Rh 　(4-34)

式中 Hik——在荷载效应标准组合下,作用于基桩i桩顶处的水平力;

Rh——单桩基础或群桩中基桩的水平承载力特征值,对于单桩基础,可取单桩的水平承载力特征值Rha.

单桩的水平承载力特征值的确定应符合下列规定:

(1)对于受水平荷载较大的设计等级为甲级、乙级的建筑桩基,单桩水平承载力特征值应通过单桩水平静载试验确定,试验方法可按现行行业标准《建筑基桩检测技术规范》(JGJ 106—2014)执行.

(2)对于钢筋混凝土预制桩、钢桩、桩身正截面配筋率不小于0．65％的灌注桩,可根据静载试验结果取地面处水平位移为10mm(对于水平位移敏感的建筑物取水平位移6mm)所对应的荷载的75％为单桩水平承载力特征值.

(3)对于桩身配筋率小于0．65％的灌注桩,可取单桩水平静载试验的临界荷载的75％为单桩水平承载力特征值.

(4)当缺少单桩水平静载试验资料时,可按下列公式估算桩身配筋率小于0．65％的灌注桩的单桩水平承载力特征值.

式中 Rha——单桩水平承载力特征值,±号根据桩顶竖向力性质确定,压力取“＋”,拉力取“－”;

γm——桩截面模量塑性系数,圆形截面γm＝2,矩形截面γm＝1．75;

ft——桩身混凝土抗拉强度设计值;

W0——桩身换算截面受拉边缘的截面模量,圆形截面为:W0＝[d2＋2(αE－1) ρgd20];方形截面为:W0＝[b2＋2(αE－1)ρgb20],其中d为桩直径,d0为扣除保护层厚度的桩直径;b为方形截面边长,b0为扣除保护层厚度的桩截面宽度;αE为钢筋弹性模量与混凝土弹性模量的比值;

νM——桩身最大弯矩系数,按表4．16取值,当单桩基础和单排桩基纵向轴线与水平力方向相垂直时,按桩顶铰接考虑;

ρg——桩身配筋率;

An——桩身换算截面面积,圆形截面为:An＝[1＋(αE－1)ρg];方形截面为:An＝b2[1＋(αE－1)ρg];

ζN——桩顶竖向力影响系数,竖向压力取0．5,竖向拉力取1．0;

N——在荷载效应标准组合下桩顶的竖向力(k N);

α——桩的水平变形系数,,其中m为桩侧土水平抗力系数的比例系数;b0为桩身的计算宽度,对于圆形桩,当直径d≤1m时,b0＝0．9(1．5d＋0．5);当直径d＞1m时,b0＝0．9(1．5d＋0．5).对于方形桩,当边宽d≤1m时,b0＝0．9(d＋1);当边宽d＞1m时,d0＝b＋1;EI桩身抗弯刚度,对于钢筋混凝土桩,EI＝0．85EcI0,其中Ec为混凝土弹性模量,I0为桩身换算截面惯性矩;圆形截面为I0＝W0d0/2;矩形截面为I0＝W0b0/2.

表4．16 桩顶(身)最大弯矩系数νm和桩顶水平位移系数νx

⑤对于混凝土护壁的挖孔桩,计算单桩水平承载力时,其设计桩径取护壁内直径.

⑥当桩的水平承载力由水平位移控制,且缺少单桩水平静载试验资料时,可按下式估算预制桩、钢桩、桩身配筋率不小于0．65％的灌注桩单桩水平承载力特征值:

式中 x0a——桩顶允许水平位移;

νx——桩顶水平位移系数,按表4．16取值,取值方法同νM.

⑦验算永久荷载控制的桩基的水平承载力时,应将上述②~⑤方法确定的单桩水平承载力特征值乘以调整系数0．80;验算地震作用桩基的水平承载力时,宜将按上述②~⑤方法确定的单桩水平承载力特征值乘以调整系数1．25.

【例4-4】 某受压灌注桩桩径为1．2m,桩端入土深度为20m,桩体配筋率0．6％,桩顶铰接桩顶竖向压力标准值Nk＝5000k N,桩的水平变形系数α＝0．301m－1,桩体换算截面积An＝1．2m2,换算截面受拉边缘的截面模量W0＝0．2m3,桩体混凝土抗拉强度设计值ft＝1．5N/mm2,计算单桩水平承载力特征值.

【解】 对于圆形截面,取桩截面模量塑性系数γm＝2,桩的换算埋深αh＝0．301×20＝6．02＞4．0,查表4．16得桩体最大弯矩系数νM＝0．768,则