单桩承载力计算方法简述

    栗维

    摘 要：按单桩受力状态的不同对桩基进行了分类，对不同受力状态下的单桩进行分析，总结了单桩在不同受力情况下的极限承载力计算方法，分析了各种计算方法的适用性，并指出了目前计算方法中存在的问题。

    关键词：桩基；荷载；承载力

    0 引言

    桩是深入土层的柱型构件，其作用是将上部结构的荷载通过桩身穿过较弱地层或水传递到深部较坚硬的、压缩性小的土层或岩层中，从而减少上部建筑物的沉降，确保建筑物的长久安全。

    1 单桩极限承载力计算方法

    单桩极限承载力是指单桩在荷载作用下，地基土和桩本身的强度和稳定性均能得到保证，变形也在容许范围内，以保证结构物的正常使用所能承受的最大荷载[1]。一般情况下，桩受到竖向荷载、水平荷载及弯矩的作用，因此需要分别研究和确定单桩的竖向承载力和水平向承载力。

    （一）承受竖向荷载的单桩竖向极限承载力的计算方法

    单桩竖向极限承载力为桩土体系在竖向荷载作用下所能长期稳定承受的最大荷载，即单桩静载试验时桩顶能承受的最大试验荷载。它反映了桩身材料、桩侧土与桩端土性状、施工方法等综合指标。目前计算单桩竖向极限承载力的方法主要有以下几种：

    （1）静载试验法：静载试验是传统的也是最可靠的确定承载力的方法。它不仅可以确定桩的极限承载力，而且可以通过埋设各类测试元件获得荷载传递、桩侧阻力、桩端阻力、荷载与沉降关系等诸多资料。静载试验法通过在桩顶逐级施加竖向荷载，直至桩达到破坏状态为止，并在试验过程中测量每级荷载下不同时间的桩顶沉降，根据沉降与荷载及时间的关系，分析确定单桩竖向极限承载力。但由于试验费用、工期、设备等原因，往往只能对部分工程的少量桩进行试验。

    （2）经验公式法：根据全国各地大量的静载试验资料，经过理论分析和统计整理，给出不同类型的桩，按土的类别、密实度、稠度、埋置深度等条件下有关桩侧摩阻力及桩底阻力的经验系数、数据及相应的公式。经验公式法是计算单桩竖向极限承载力的一种简化计算方法，计算方便，便于使用。

    （二）承受水平荷载的主动桩承载力计算方法：

    承受水平力的桩称为水平受荷桩。水平受荷桩在城市的高层建筑、桥梁工程、抗滑桩工程中有着广泛的应用。根据桩土之间的相互作用特点，水平受荷桩又分主动桩和被动桩。主动桩指桩顶受到横向荷载的作用，桩身轴线偏离初始位置，桩身所受土压力因桩主动变位而产生，如港口工程中承受船舶系缆力的桩基就为主动桩。目前承受水平荷载的主动桩承载力计算方法主要有以下三种[2]：

    （1）单桩水平静载试验法：静载试验是直接在现场进行，所确定的单桩水平承载力地基土的水平抗力系数最符合实际情况。它是确定桩的横向承载力较可靠的方法，也是常用的研究分析试验法。

    （2）极限地基反力法：它适合研究刚性短桩，假定桩为刚性，不考虑桩身变形，按照土的极限静力平衡来推求桩的水平承载力。作用于桩的外力同土的极限平衡可以有多种地基反力分布假定，如抛物线形、三角形等。

    （3）弹性地基反力法：假定土为弹性体，用梁的弯曲理论来求桩的水平抗力。根据求解方法的不同，通常有半解析法、有限差分法和有限元解等方法。根据选定的参数不同，弹性地基梁法又分为常数法、m法、c法、k法。

    （三）承受土体水平位的被动桩承载力计算方法：

    被动桩是指由于桩周土体在自重或外荷载作用下发生变形或运动而受到影响的桩，如边坡工程中的抗滑桩。在被动桩中，桩周土体的运动是引起桩身荷载的原因。由于桩周土体的运动形式是多种多样的，且不便于观测与计算，这就造成被动桩的承载性状较复杂，给定量计算造成很大的困难。因此，在被动桩的分析计算中，往往需要考虑桩土间的相互作用。迄今为止，国内外学者做了大量的研究，针对受土体水平位移的被动桩基承载力提出了以下几种计算方法：

    （1）压力法：它在现场观测资料的基础上，对于土体侧向运动下桩基所受挤压力提出的计算方法。由于这些方法是在现场观测资料的基础上提出的经验性方法，有些假设不太合理，有时会造成计算值与实测值有较大的偏差。根据假设的不同，压力法又分为Begemann和DeLeeuw法，DeBeer和Wallays法，Tschebotarff法，德国建议方法等。

    （2）位移法：它是在已知无桩时土体自由侧向位移分布的情况下，把土体位移叠加到桩上。桩土相互作用则用弹性理论或地基反力法计算。位移法能得出桩的弯矩和位移的分布情况，是分析被动桩承载力较为合理的一种方法。位移法计算时需要知道实测的土体位移值，才能得到较为满意的结果，不过这往往很难。

    （3）有限单元法：随着计算机技术的不断发展，用各种有限元软件对桩基与土体进行数值模拟分析，计算被动桩承载力变得可行。有限元计算中，需要特别注意对桩身材料、土体参数的设定，并选择一种恰当的桩土界面接触方式，才能较为准确地模拟出桩基的承载性状。

    2 结论

    （1）桩基根据所受荷载的不同可分为不同的类型，不同类型的桩计算理论与计算方法也各不相同。因此桩基计算首先要确定桩基的类型。

    （2）被动桩的计算问题比主动桩复杂，也是目前桩基研究中的热点与难点。

    （3）在桩基承载性状的分析中，桩与土的相互作用对桩基的承载性状有着重要的影响，分析时应特别注意。

    参考文献：

    [1]张忠苗. 桩基工程[M]. 北京： 中国建筑工业出版社，2007.

    [2]桩基工程手册[M].北京：中国建筑工业出版社，1995.