关于水平受荷桩计算方法的研究方向

陈文杰　蒋建平

摘 要：本文基于已有文献，对水平受荷桩现有的计算方法进行总结，并对各方法进行评价。进而对现有水平受荷桩存在的问题进行探讨，并探讨今后关于水平受荷桩的研究方向。

关键词：水平荷载；桩；现有理论；总结

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.06.189

0 前言

桩按受力特点可分为受轴向压力的桩、受上托力或轴向拉力的桩以及受横向荷载作用的桩（水平受荷桩）。我国现有各类现代化桥梁将近50万座，自上世纪90年代以来，我国每年开工建设桥梁1万多座。桥梁建造水平不断提高，各种大跨度大规模的世界级桥梁相继进入运营，亦有一系列的跨海大桥正在建设或筹建之中，其中以主跨1088m的苏通大桥为代表，与此同时，城市立交桥的建设也越来越多。这些桥梁在给陆地交通带来极大便利并促进经济发展的同时，亦有安全事故隐患。由于船舶行驶速度越来越快，通航频率越来越高，越来越多的发生了船舶撞桥事件。即使不发生此类事件，桥梁桩基亦要承受河流水压力，裸露桩段部分承受风压力，车辆制动亦使桩基遭受水平荷载。对于大型船舶，其靠泊码头时往往会对码头产生巨大的桩基力，此时桩基为横向受力，是码头撞击设计中不可忽略的荷载。同时，高桩码头不可避免的承受波浪力、潮流力以及风压力等水平荷载。因此，在公路铁路、桥梁、近海工程、海上石油平台等工程设计中，水平荷载是必须考虑因素。

国内外关于水平受荷桩的受力变形分析，主要有整体数值法、弹性理论法和弹性地基梁法[1]。

1 整体数值法

整体数值法包括有整体有限元法、整体有限差分法和边界元法等各种整体数值方法。整体数值法把桩和土体都离散为单元，基于数学手段进行求解。这类方法能较好的模拟桩土相互作用，随着计算机的不断发展以及大型商业有限元软件的发展成熟，此类方法应用越来越普遍。Brown和Shie（1990年）[2]采用大型商业软件ABAQUS对水平受荷桩进行三维分析，采用完全弹塑性模型模拟土体，对桩后桩土分离现象以及桩周土体的塑性应变进行分析。但是有限元分析结果的精度取决与土体参数和选取土的本构模型，其中土体的参数往往需要室内土工试验得出，这是限制整体有限元分析法发展的重要因素。

2 弹性理论法

弹性理论法在国外提出并投入应有，典型的代表人物为Poulos和Davis，而在国内的报道应用较少。弹性理论法考虑土的连续性，但没有考虑土的非线性，求解过程对土体的弹性模量的选取较为敏感，而且在工程应用不方便，在国内的应用较少。

3 弹性地基梁法

水平受荷桩计算方法中，应用最为广泛的是Winkler弹性地基梁法。该将桩周土体的作用简化为一系列相互独立的弹簧，弹簧刚度若是桩身变形的函数，则为p-y曲线法；弹簧刚度若是与桩身变形无关的常数，则为弹性地基反力法。Winkler弹性地基梁理论因其简单易用，在工程中得到广泛应用。

4 近年兴起的特别方法

除上述方法外，也有一些比较特别的方法，例如GUO和LEE等[3]提出考虑弹簧间剪切耦合的地基反力法；周洪波等[4]结合p-y曲线法和Poulos弹性理论法各自的优点，提出耦合算法。

5 关于轴力的考虑

一大批学者[5-6]在其研究的成果中，得出的分析结论大多包含：试验荷载范围内，竖向荷载的存在对水平受荷桩的影响小于10%，故当纵向荷载不是特别大，可以忽略不计。

6 现有方法具有的问题

现有的水平受荷桩的计算方法，大多具有复杂的理论推导，对数理能力要求较高，不利于工程中的应用。今后在发展水平受荷桩理论研究时，应考虑实际的应用情况，应当简化。另外，大多数文献的推导过程，是基于桩顶完全埋置在土体中，而在港口海岸及近海工程中，桩头是裸露土体的，已有推导是否使用于海岸工程中仍待验证。其实，单纯的水平向受荷桩在实际工程中很少存在，但是计入轴力会使计算复杂，因而对于轴力引起的二阶效应是否计入，要根据实际工程作出论断，而相关的理论计算亦应发展。

桩体在海洋工程、陡峭山坡等的应用，常常面临有复杂的荷载环境，对于复杂荷载作用下桩体的受力性状，国内外研究仍属较少。此外，在海洋平台、风电工程的桩基等，常常承受着复杂荷载，且常为循环作用，对于循环力作用的水平受荷桩基的桩土相互作用的研究，亦为水平受荷桩今后的研究方向。

7 结论

本文基于已有文献，对水平受荷桩现有的计算方法进行总结，并对各方法进行评价。进而对现有水平受荷桩存在的问题进行探讨，并探讨今后关于水平受荷桩的研究方向。

参考文献：

[1]张陈蓉.非均质地基中被动群桩分析及桩基水平循环加载特性[D].同济大学博士学位论文，2009.

[2]Dan A Brown， Chine-Feng Shie. Three dimensional finite element model of laterally loaded piles[J]. Computers and Geotechincs，1990，10（01）：59-79.

[3]GUO W D， LEE F H. Load transfer approach for laterally loaded piles[J].International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics，2001，25（11）：1101-1129.

[4] 周洪波，杨敏等.水平受荷桩的耦合算法[J].岩土工程学报，2005，27（04）：432-436.

[5]皇甫明，王幼青等.纵横向荷载作用下桩的工作性状研究[J].哈尔滨工业大学学报，2003，35（06）：743-746.

[6]赵明华，吴鸣等.轴、横向荷载下桥梁基桩的受力分析及试验研究[J].中国公路学报，2002，15（01）：50-54.

作者简介：陈文杰（1991-），男，广东四会人，硕士研究生，研究方向：岩土工程、桩基工程。