弹性基桩在水平荷载作用下的工作性状研究

刘永棵，张茂慧

（重庆市渝北区建设工程质量监督站，重庆401120）

当桩伸入到土中的深度较小时，由于桩的长径较小或周围土体松软，在横向荷载作用下，由于桩身挠曲变形不明显，会围绕桩身某一点发生转动。当荷载逐步增大时，桩侧土体会因强度不够而失稳，这种桩为刚性桩，承受水平荷载的能力较差，较少使用。当桩入土深度较大时，桩的长径比较大或周围土体厚实，由于桩侧土有足够的抗力，在桩顶水平荷载作用下发生挠曲变形，侧向位移会随着入土深度的增大而减小，达到一定深度后几乎不受荷载影响，这种桩为弹性桩，能较好地承受水平荷载，应用广泛。江学良、龚健、杨建平等采用现场试验和微型桩试验研究了单桩在水平荷载作用下的变形规律，周洪波采用解析法研究了应力及位移的分布。马志涛分析了各种理论方法的特点并提出了有待研究的问题。

本文以某基桩为例，采用有限元法分析弹性桩在水平荷载作用下位移、弯矩和桩身应力随桩深的分布情况，并研究其工作性状。

1 弹性基桩的有限元模型

钢筋混凝土圆形截面桩，桩长20m，直径为1.0m，桩顶承受水平荷载为200KN，通过有限元求解水平位移和桩身弯矩的分布规律。采用三维有限元模型，土层厚度及径向范围均为40m。钢筋和桩体混凝土采用线弹性材料，土体采用 Mohr－Coulomb模型，桩与土之间的摩擦系数为0.2。材料参数如表1所示，有限元模型如图1所示。

表1 材料参数物理力学参数

图1 桩—土有限元模型（1／2）

2 结果分析

2.1 桩身工作性状分析

桩身位移随桩埋深的分布曲线如图2所示，可以看出桩表现为明显的弹性长桩，在桩顶位移最大，约为14mm。在桩身13m位置出现转折点，13m以下位移很小，几乎为0。桩身弯矩随桩埋深变化，如图3所示，可以看出桩身弯矩先增大再减小，最大弯矩发生位置在距离桩顶6m左右处，最大弯矩在整根桩长度的1／4处。桩身应力随桩的埋深变化如图4所示，应力分布与弯矩分布基本一致，最大应力发生在桩长的1／4处。

图2 水平位移随桩深分布

图3 弯矩随桩深分布

图4 应力随桩深分布

2.2 桩周土体变形分析

桩周土体沿着水平荷载方向的应力和变形分布如图5、图6所示。土体主要在较浅处产生变形，随着深度的增加变形逐渐减小，在桩身中部变形较小，桩身下部的周围土体产生与水平荷载反方向的变形。可见，当土体承受弹性桩水平荷载作用时，具有明显的嵌固作用。在工程应用设计中，需要根据土体物理力学特性和桩截面形状，优化选择合理桩长。

图5 桩周土体水平向应力（1／4）

图6 桩周土体水平变形（1／4）

3 结 论

弹性桩由于桩侧土有足够的抗力，能较好地承受水平荷载，应用广泛。以某基桩为例，采用有限元法，研究其工作性状。

1）在桩顶水平荷载作用下发生挠曲变形，侧向位移随着入土深度的增大而减小，达到一定深度后几乎不受荷载影响；

2）弹性基桩的水平位移在桩顶处最大，随着深度增加逐渐减小，至桩身一半以下，发生挠曲变形，位移较小，土体对桩有明显的嵌固作用；

3）弯矩先增大后减小，最大弯矩会发生在桩长的1／4处，应力分布与弯矩基本一致。

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