樁基水平承載力計算方法

張瑞玉+鐘業鋒

摘 要：利用綜合剛度下的雙參數法對碼頭工程中的樁基水平承載力進行計算分析，碼頭樁基不僅受靜力荷載影響，還受到波浪、潮汐等水文動力因素影響，計算方法相對復雜。本文通過對中細砂地質條件中的水平承載模型樁的試驗研究，計算得到該條件下改進的雙參數法的指數n的值介于0.5到0.9之間。本次研究的結果能夠為后續中細砂地質條件下高樁碼頭中的樁基計算和設計提供參考，從而達到簡化試樁要求的目的，而不用通過實測得到樁的最大彎矩及其位置，節約工程成本。

關鍵詞：高樁碼頭 樁基 水平承載力 雙參數法

碼頭有重力式、板樁和高樁三種常用的結構形式，其中高樁碼頭地基適應能力強，不僅可以用于堅硬的巖基，而且同樣適用于軟土地基，因而適用范圍廣泛。高樁碼頭的樁基通常不僅需要承受自重、貨物堆載等垂直荷載，還需要承受波浪、潮汐等海岸水文動力因素的荷載影響，從而受到水平方向的荷載影響。甚至在水平荷載較大的條件下，如波浪力、潮汐力或者船舶撞擊力等荷載比較突出的情況下，水平荷載可能成為樁基結構設計中的主要考慮因素。

一般而言，對于高樁碼頭中樁基與土體的相互作用及荷載計算問題，常用于計算樁基荷載的方法有M法、C法、K法和張有齡法等，但是這些方法都是利用某一個參數來反應樁基與土體二者之間的作用機理。這些方法能夠在一定程度上解決一些工程實際問題，但是由于考慮的因素比較單一，可能存在參數選擇不恰當等問題，因此利用上述幾種單一參數方法計算得到的撓度、轉角以及最大彎矩及其位置與實測結果不吻合的問題時有發生，這也是單一參數法本身的局限性。

本文中利用一種雙參數法對高樁碼頭中的樁基承載力進行計算，考慮樁基收到重復荷載或者循環荷載的作用，對樁基的水平承載力進行分析，討論雙參數法應用于高樁碼頭樁基水平承載力計算分析中的可能性和計算效果。

1.方法簡介

雙參數法是一種利用兩個待定參數計算樁基荷載的方法，它能夠相對單參數法更為全面地考慮樁基與土體的相互作用機理，具有土體反力模量中的兩個待定參數，即k和1/n，并用于計算樁基荷載的分析方法。

根據樁土相互作用中的撓曲微分方程式（1）：

式中，土反力模量利用下式（2）進行計算：

于是有式（3）：

式中EI為考慮樁基與土體相互作用情況下，針對某一特定作用的影響的綜合剛度；b1為設計樁的計算寬度。

式（3）中的參數k和1/n即為本方法種的兩個待定參數，參數k和1/n這兩個參數的取值由樁基自身的材質、所受荷載的類型及大小、樁身的形狀及大小、土體的物理力學性能、樁基的施工方法以及海岸水文動力因素等共同決定。通過選取合理的參數，可以確定在復雜荷載作用下樁基的位移和最大彎矩及其位置，通過參數比選，可以確定合理值，從而使得上述計算結果與實測值較好吻合。

假設樁土相對柔度系數根據下式（4）進行確定：

樁-土作用的邊界條件如下：樁-土交界處的位移為式（5）：

樁-土交界處的轉角為式（6）：

樁-土交界處的彎矩為式（7）：

樁-土交界處的剪力為式（8）：

因此，方程的解為式（9）、式（10）、式（11）、式（12）：

在上式（14）中，Cl、C2、C3是已知參數，具體參數取值如表l所示，在確定參數1/n的情況下，根據表1可以確定Cl、C2、C3三個參數的取值，另有EI為雙參數法中的綜合計算剛度。

3.應用及存在問題

由于雙參數法要求有不同荷載條件下的各個參數取值，因此必須進行試樁，且對試樁資料的精度要求和全面性要求都比較高，所以雙參數法主要應用于現場有條件開展試樁試驗的工程中，但是存在試樁導致成本提供的問題。

本文中通過對中細砂地質工況中的樁基進行了試樁和計算，從結果中可以看出，在該地質條件下，樁的土抗力指數n的取值介于0.5到0.9之間，這一結果能夠為后續類似工程中的樁身設計和計算提供一定的參考依據。

參考文獻：

[1]劉茲勝，卓楊，時蓓玲，等.高樁碼頭樁基在傾斜泥面中的水平承載性能研究[J].巖土工程學報，2010，12：1861-1867.

[2]趙安平，李昊潔，俞紅升，等.某高樁碼頭樁基受力有限元分析及結構損傷研究[J].長江科學院院報，2016，09：128-132+137.

[3]謝耀峰.港口工程樁基水平承載力和負摩擦力的研究[D].河海大學，2003.

[4]楊有軍.高樁碼頭柔性高樁承臺和樁基在水平力作用下的計算研究[D].河海大學，2005.

[5]陳明關.高樁碼頭樁基穩定研究與確定樁計算長度及附加彎矩的探討[J].水運工程，2008，03：47-53.

[6]王官勝，董業宗，趙傳耀，等.高樁碼頭基樁承載力的計算與分析[J].水運工程，2007，02：53-57.

[7]陶桂蘭，王定.水平地震作用下高樁碼頭結構響應譜分析[J].中國港灣建設，2012，01：9-11+47.

[8]夏天生，陶桂蘭，王定.水平荷載作用下高樁碼頭叉樁扭角布置研究[J].水運工程，2013，05：79-83.

[9]武明，王俐，向曉輝.軟土地區高樁碼頭設計與研究[J].土工基礎，2009，04：26-29.