關(guān)于水平受荷樁計(jì)算方法的研究方向

陳文杰　蔣建平

摘 要：本文基于已有文獻(xiàn)，對(duì)水平受荷樁現(xiàn)有的計(jì)算方法進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)各方法進(jìn)行評(píng)價(jià)。進(jìn)而對(duì)現(xiàn)有水平受荷樁存在的問(wèn)題進(jìn)行探討，并探討今后關(guān)于水平受荷樁的研究方向。

關(guān)鍵詞：水平荷載；樁；現(xiàn)有理論；總結(jié)

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

0 前言

樁按受力特點(diǎn)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(guó)現(xiàn)有各類(lèi)現(xiàn)代化橋梁將近50萬(wàn)座，自上世紀(jì)90年代以來(lái)，我國(guó)每年開(kāi)工建設(shè)橋梁1萬(wàn)多座。橋梁建造水平不斷提高，各種大跨度大規(guī)模的世界級(jí)橋梁相繼進(jìn)入運(yùn)營(yíng)，亦有一系列的跨海大橋正在建設(shè)或籌建之中，其中以主跨1088m的蘇通大橋?yàn)榇恚c此同時(shí)，城市立交橋的建設(shè)也越來(lái)越多。這些橋梁在給陸地交通帶來(lái)極大便利并促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，亦有安全事故隱患。由于船舶行駛速度越來(lái)越快，通航頻率越來(lái)越高，越來(lái)越多的發(fā)生了船舶撞橋事件。即使不發(fā)生此類(lèi)事件，橋梁樁基亦要承受河流水壓力，裸露樁段部分承受風(fēng)壓力，車(chē)輛制動(dòng)亦使樁基遭受水平荷載。對(duì)于大型船舶，其靠泊碼頭時(shí)往往會(huì)對(duì)碼頭產(chǎn)生巨大的樁基力，此時(shí)樁基為橫向受力，是碼頭撞擊設(shè)計(jì)中不可忽略的荷載。同時(shí)，高樁碼頭不可避免的承受波浪力、潮流力以及風(fēng)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(tái)等工程設(shè)計(jì)中，水平荷載是必須考慮因素。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于水平受荷樁的受力變形分析，主要有整體數(shù)值法、彈性理論法和彈性地基梁法[1]。

1 整體數(shù)值法

整體數(shù)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(shù)值方法。整體數(shù)值法把樁和土體都離散為單元，基于數(shù)學(xué)手段進(jìn)行求解。這類(lèi)方法能較好的模擬樁土相互作用，隨著計(jì)算機(jī)的不斷發(fā)展以及大型商業(yè)有限元軟件的發(fā)展成熟，此類(lèi)方法應(yīng)用越來(lái)越普遍。Brown和Shie（1990年）[2]采用大型商業(yè)軟件ABAQUS對(duì)水平受荷樁進(jìn)行三維分析，采用完全彈塑性模型模擬土體，對(duì)樁后樁土分離現(xiàn)象以及樁周土體的塑性應(yīng)變進(jìn)行分析。但是有限元分析結(jié)果的精度取決與土體參數(shù)和選取土的本構(gòu)模型，其中土體的參數(shù)往往需要室內(nèi)土工試驗(yàn)得出，這是限制整體有限元分析法發(fā)展的重要因素。

2 彈性理論法

彈性理論法在國(guó)外提出并投入應(yīng)有，典型的代表人物為Poulos和Davis，而在國(guó)內(nèi)的報(bào)道應(yīng)用較少。彈性理論法考慮土的連續(xù)性，但沒(méi)有考慮土的非線(xiàn)性，求解過(guò)程對(duì)土體的彈性模量的選取較為敏感，而且在工程應(yīng)用不方便，在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用較少。

3 彈性地基梁法

水平受荷樁計(jì)算方法中，應(yīng)用最為廣泛的是Winkler彈性地基梁法。該將樁周土體的作用簡(jiǎn)化為一系列相互獨(dú)立的彈簧，彈簧剛度若是樁身變形的函數(shù)，則為p-y曲線(xiàn)法；彈簧剛度若是與樁身變形無(wú)關(guān)的常數(shù)，則為彈性地基反力法。Winkler彈性地基梁理論因其簡(jiǎn)單易用，在工程中得到廣泛應(yīng)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(jié)合p-y曲線(xiàn)法和Poulos彈性理論法各自的優(yōu)點(diǎn)，提出耦合算法。

5 關(guān)于軸力的考慮

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

6 現(xiàn)有方法具有的問(wèn)題

現(xiàn)有的水平受荷樁的計(jì)算方法，大多具有復(fù)雜的理論推導(dǎo)，對(duì)數(shù)理能力要求較高，不利于工程中的應(yīng)用。今后在發(fā)展水平受荷樁理論研究時(shí)，應(yīng)考慮實(shí)際的應(yīng)用情況，應(yīng)當(dāng)簡(jiǎn)化。另外，大多數(shù)文獻(xiàn)的推導(dǎo)過(guò)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(dǎo)是否使用于海岸工程中仍待驗(yàn)證。其實(shí)，單純的水平向受荷樁在實(shí)際工程中很少存在，但是計(jì)入軸力會(huì)使計(jì)算復(fù)雜，因而對(duì)于軸力引起的二階效應(yīng)是否計(jì)入，要根據(jù)實(shí)際工程作出論斷，而相關(guān)的理論計(jì)算亦應(yīng)發(fā)展。

樁體在海洋工程、陡峭山坡等的應(yīng)用，常常面臨有復(fù)雜的荷載環(huán)境，對(duì)于復(fù)雜荷載作用下樁體的受力性狀，國(guó)內(nèi)外研究仍屬較少。此外，在海洋平臺(tái)、風(fēng)電工程的樁基等，常常承受著復(fù)雜荷載，且常為循環(huán)作用，對(duì)于循環(huán)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(jié)論

本文基于已有文獻(xiàn)，對(duì)水平受荷樁現(xiàn)有的計(jì)算方法進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)各方法進(jìn)行評(píng)價(jià)。進(jìn)而對(duì)現(xiàn)有水平受荷樁存在的問(wèn)題進(jìn)行探討，并探討今后關(guān)于水平受荷樁的研究方向。

參考文獻(xiàn)：

[1]張陳蓉.非均質(zhì)地基中被動(dòng)群樁分析及樁基水平循環(huán)加載特性[D].同濟(jì)大學(xué)博士學(xué)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(xué)報(bào)，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(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，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(yàn)研究[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2002，15（01）：50-54.

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