[科普中国]-横向载荷桩

简介

国内外对基桩的荷载传递机理 、破坏性状、承载能力以及内力和位移的研究大都局限于竖向或横向荷载单独作用的情况。然而，在实际工程中基桩单纯承受竖向或者横向荷载作用的情况非常少，其在承受轴向荷载作用的同时往往还伴随着水平荷载的作用。如除竖向荷载外，高层建筑还要考虑风荷载和地震作用，桥梁则还要承受汽车制动力、船舶或漂流物对桥墩的撞击作用。基桩在轴横向荷载同时作用下，水平力将使桩身产生较大的弯矩和挠曲变形，竖向力又将因为桩身挠曲变形的出现产生附加弯矩。横向载荷桩简单来说桩主要受横向力和力矩作用。研究横向荷载桩的受力和变形机理，具有较强的工程应用背景，而且具有非常重要的理论与应用价值。水平荷载作用下桩基础的分析方法主要有地基反力系数法与复合地基反力系数法、弹性理论法和有限元方法，利用有限元法可以分析各种条件下，如桩间距、桩长、桩径、土质、荷载大小等对桩土效应的影响。但其主要缺点是计算量大，计算结果很大程度上依赖于土体本构模型和参数的选取，而且不易为一般的工程技术人员所掌握1。

横向荷载桩承载机理如图 1 所示，横向荷载作用下，基桩克服本身的材料强度产生挠曲变形，桩前土体受到挤压而产生抗力，这一抗力将阻止桩身挠曲变形的进一步发展，而竖向荷载的作用则使桩身的挠曲变形增加，随着挠曲变形的发展，土体的挤压变形越来越大，抗力也随之增大，当挠曲变形引起的水平位移较大时，可能由于桩侧土体对桩的水平抗力不足以抵抗水平荷载而导致土体屈服破坏；而桩后土体则与桩身之间有相互脱离的趋势，随着桩身挠曲变形的加大，这个趋势越来越大，桩后土体对桩身的压力越来越小。可见横向荷载的作用会引起桩周土对桩身法向压力的改变，从而使桩侧极限摩阻力产生变化，随着竖向荷载的增大，有可能由于桩侧摩阻力和桩端阻力不够而产生土体剪切破坏或由于桩失去稳定而破坏。在轴横向荷载同时作用下，基桩的破坏模式囊括了轴向或横向荷载单独作用下各种可能出现的情况。当横向荷载较小而竖向荷载很大时，轴横向荷载基桩破坏模式表现为竖向荷载下基桩破坏模式，即屈曲破坏、桩端土体整体剪切破坏和刺入破坏。当竖向荷载较小水平荷载占主导地位时，其破坏模式则表现为横向荷载下基桩破坏模式，即倾倒破坏和水平滑动破坏（刚性短桩）、挠曲破坏（中长桩）、 桩身挠曲破坏、桩顶挠曲破坏和桩身桩顶挠曲破坏（细长桩）。同时，轴横向荷载的共同作用也使基桩的破坏机理与单一的轴向或横轴向荷载分别作用情况不同，使上述破坏模式产生一些变化。此外，在轴横向荷载作用下，桩身还将产生竖向和水平向位移，可能由于位移过大而不能满足上部结构设计要求，此时，桩的承载能力将由桩顶竖向位移、 水平向位移两者所控制2。

载荷通常指施加于机械零件或构件上的外力。外力既有通过相邻零件或构件传递来的力和力矩，也有来自于物体的自重和惯性力。流体的压力也可以成为机械零件或构件的外力。载荷可以从不同的角度加以分类。按载荷的分布状态，可分为分布载荷和集中载荷。分布载荷按均性又可分为均匀分布载荷与非均匀分布载荷; 按作用空间，又可分为体载荷、面载荷和线载荷。集中载荷可以看成是作用面趋近于零的小范围的分布载荷。载荷按照作用方式，可分为轴向载荷 (拉伸或压缩)、横向载荷、弯曲载荷和扭转载荷。轴向载荷指合力作用线沿机械零件和构件轴线方向作用，并且通过所有横截面的形心。横向载荷指垂直于零件或构件轴线或轴向平面作用、并在横截面上产生剪力和弯矩的载荷。弯曲载荷和扭转载荷指分别给机械零件和构件以弯曲或扭转的载荷。两种以上载荷联合作用时，则称为复合载荷。载荷按其大小、方向和作用点是否随时间变化，可分为静载荷和动载荷。加载速度缓慢，以至于可不计惯性力的准静载荷及与时间参数无关的恒载 (如自重) 也可作为静载荷。动载荷又可分为冲击载荷、周期载荷和随机载荷。冲击载荷作用时间短而快速，例如用蒸汽锤锻制零件毛坯。周期载荷的主要参数是振幅、频率及相位角。例如内燃机的曲柄因气缸内气体压力周期性变化而承受的载荷。随机载荷的振幅、频率变化都是无固定规律的，随机载荷通常用数理统计的方法来描述，即可以在载荷的幅域、频域或时域中计算其统计规律。例如汽车在道路上行驶、由于路面对汽车产生振动，而影响对汽车承载系及乘座的舒适性。这就需要测取大量的试验数据，记录载荷随时间变化的规律，即载荷谱，并借助于电子计算机，对汽车承载系进行设计计算。塑性材料的零件和构件若在一定的静载荷下产生塑性变形，而丧失承载能力，这个载荷称为零件或构件的极限载荷。细长压杆、薄壁球或焊接薄壁箱体承受一定压力时，均会产生弹性失稳，相应的载荷则称为临界载荷。机械零件和构件在不同的载荷状态下工作，并且经常承受多种载荷。不同的载荷引起零件和构件不同的失效方式。在进行机械设计时应根据试验或应力分析，找出零件或构件承受的主要载荷，并根据主要的载荷进行设计计算或校核。

管桩管桩是指圆形薄壁空心的桩。有钢筋混凝土管桩、预应力混凝土管桩和钢管桩3种。用于高桩承台结构、桩基和系靠船结构 等。也有制成带有锁口的管桩，用于管桩板桩结构。①钢管桩：是用3号钢或16锰钢钢板卷焊或无缝钢管制成。一般外径为 50—1 200毫米，壁厚为10—18 毫米。桩尖有开口、全封闭和半封闭3种型式，根据地基土性质加以选用。常用半封闭桩尖以解决施打困难和提高桩的承载力。钢管桩的水上部分涂以氯化橡胶为基料的优质防锈漆，水下部分采用阴极防腐。钢管桩强度高、弹性好、抗弯能力大、制造方便、施工速度快，所以在海洋工程中使用广泛。②钢筋混凝土和预应力混凝土管桩：通常在专门工厂中采用离心成型工艺制成。为提高其强度和抗裂性能，预应力混凝土管桩得到了发展。其外径一般为30—80厘米，最大可达180厘米，壁厚一般为6—15厘米，分段预制长度一般为6—15米，并根据桩长以法兰盘拼接。我国当前可生产的预应力混凝土管桩，其外径为120厘米，壁厚为12厘米，管节长度为4米。这种桩耐久性好、使用寿命长、用钢量省，并可工厂化生产，工效高，是可供推广使用的一种技术。在风荷载、地震荷载、动力机器荷载、高速列车荷载等荷载的作用下，管桩将承受竖向、水平或扭转等动态荷载的作用，因此，在管桩的设计和施工中需要考虑管桩的动态特性，需要了解相关参量对管桩振动特性的影响规律。其中大部分管桩埋置较浅，主要是用来承受各种形式的横向荷载，如撞击力、风载等，而且为了吸能，允许有较大位移可以更换。