關于水平受荷樁計算方法的研究方向

陳文杰　蔣建平

摘 要：本文基于已有文獻，對水平受荷樁現有的計算方法進行總結，并對各方法進行評價。進而對現有水平受荷樁存在的問題進行探討，并探討今后關于水平受荷樁的研究方向。

關鍵詞：水平荷載；樁；現有理論；總結

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

0 前言

樁按受力特點可分為受軸向壓力的樁、受上托力或軸向拉力的樁以及受橫向荷載作用的樁（水平受荷樁）。我國現有各類現代化橋梁將近50萬座，自上世紀90年代以來，我國每年開工建設橋梁1萬多座。橋梁建造水平不斷提高，各種大跨度大規模的世界級橋梁相繼進入運營，亦有一系列的跨海大橋正在建設或籌建之中，其中以主跨1088m的蘇通大橋為代表，與此同時，城市立交橋的建設也越來越多。這些橋梁在給陸地交通帶來極大便利并促進經濟發展的同時，亦有安全事故隱患。由于船舶行駛速度越來越快，通航頻率越來越高，越來越多的發生了船舶撞橋事件。即使不發生此類事件，橋梁樁基亦要承受河流水壓力，裸露樁段部分承受風壓力，車輛制動亦使樁基遭受水平荷載。對于大型船舶，其靠泊碼頭時往往會對碼頭產生巨大的樁基力，此時樁基為橫向受力，是碼頭撞擊設計中不可忽略的荷載。同時，高樁碼頭不可避免的承受波浪力、潮流力以及風壓力等水平荷載。因此，在公路鐵路、橋梁、近海工程、海上石油平臺等工程設計中，水平荷載是必須考慮因素。

國內外關于水平受荷樁的受力變形分析，主要有整體數值法、彈性理論法和彈性地基梁法[1]。

1 整體數值法

整體數值法包括有整體有限元法、整體有限差分法和邊界元法等各種整體數值方法。整體數值法把樁和土體都離散為單元，基于數學手段進行求解。這類方法能較好的模擬樁土相互作用，隨著計算機的不斷發展以及大型商業有限元軟件的發展成熟，此類方法應用越來越普遍。Brown和Shie（1990年）[2]采用大型商業軟件ABAQUS對水平受荷樁進行三維分析，采用完全彈塑性模型模擬土體，對樁后樁土分離現象以及樁周土體的塑性應變進行分析。但是有限元分析結果的精度取決與土體參數和選取土的本構模型，其中土體的參數往往需要室內土工試驗得出，這是限制整體有限元分析法發展的重要因素。

2 彈性理論法

彈性理論法在國外提出并投入應有，典型的代表人物為Poulos和Davis，而在國內的報道應用較少。彈性理論法考慮土的連續性，但沒有考慮土的非線性，求解過程對土體的彈性模量的選取較為敏感，而且在工程應用不方便，在國內的應用較少。

3 彈性地基梁法

水平受荷樁計算方法中，應用最為廣泛的是Winkler彈性地基梁法。該將樁周土體的作用簡化為一系列相互獨立的彈簧，彈簧剛度若是樁身變形的函數，則為p-y曲線法；彈簧剛度若是與樁身變形無關的常數，則為彈性地基反力法。Winkler彈性地基梁理論因其簡單易用，在工程中得到廣泛應用。

4 近年興起的特別方法

除上述方法外，也有一些比較特別的方法，例如GUO和LEE等[3]提出考慮彈簧間剪切耦合的地基反力法；周洪波等[4]結合p-y曲線法和Poulos彈性理論法各自的優點，提出耦合算法。

5 關于軸力的考慮

一大批學者[5-6]在其研究的成果中，得出的分析結論大多包含：試驗荷載范圍內，豎向荷載的存在對水平受荷樁的影響小于10%，故當縱向荷載不是特別大，可以忽略不計。

6 現有方法具有的問題

現有的水平受荷樁的計算方法，大多具有復雜的理論推導，對數理能力要求較高，不利于工程中的應用。今后在發展水平受荷樁理論研究時，應考慮實際的應用情況，應當簡化。另外，大多數文獻的推導過程，是基于樁頂完全埋置在土體中，而在港口海岸及近海工程中，樁頭是裸露土體的，已有推導是否使用于海岸工程中仍待驗證。其實，單純的水平向受荷樁在實際工程中很少存在，但是計入軸力會使計算復雜，因而對于軸力引起的二階效應是否計入，要根據實際工程作出論斷，而相關的理論計算亦應發展。

樁體在海洋工程、陡峭山坡等的應用，常常面臨有復雜的荷載環境，對于復雜荷載作用下樁體的受力性狀，國內外研究仍屬較少。此外，在海洋平臺、風電工程的樁基等，常常承受著復雜荷載，且常為循環作用，對于循環力作用的水平受荷樁基的樁土相互作用的研究，亦為水平受荷樁今后的研究方向。

7 結論

本文基于已有文獻，對水平受荷樁現有的計算方法進行總結，并對各方法進行評價。進而對現有水平受荷樁存在的問題進行探討，并探討今后關于水平受荷樁的研究方向。

參考文獻：

[1]張陳蓉.非均質地基中被動群樁分析及樁基水平循環加載特性[D].同濟大學博士學位論文，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，楊敏等.水平受荷樁的耦合算法[J].巖土工程學報，2005，27（04）：432-436.

[5]皇甫明，王幼青等.縱橫向荷載作用下樁的工作性狀研究[J].哈爾濱工業大學學報，2003，35（06）：743-746.

[6]趙明華，吳鳴等.軸、橫向荷載下橋梁基樁的受力分析及試驗研究[J].中國公路學報，2002，15（01）：50-54.

作者簡介：陳文杰（1991-），男，廣東四會人，碩士研究生，研究方向：巖土工程、樁基工程。