单桩水平承载特性研究综述

刘超，梁海安，程新俊，张龙鹏，孔天明，胡光阳，张志强

（东华理工大学，江西南昌 330013）

0 引言

在港口、桥梁、海洋等工程领域，桩基础承受到土体侧向压力、海浪、地震等因素产生的水平荷载，此时桩体水平受力性状是影响基础稳定的重要因素，因此基础水平承受荷载已经成为桩基设计时要考虑的主要因素。由于桩-土关系复杂，合理选取方法及参数对桩基的水平承载力进行分析计算，能够有效保障桩基工程水平承载安全性的基础上，降低工程成本，这是桩基设计及工程应用中长期探索的课题。

自上世纪30年代起，人们开始对水平受荷桩的工作性能进行探讨，如我国的张有龄先生，苏联的安盖尔斯基等。60年代后，积累了大量的水平静载试验数据，促进了水平受荷桩的作用机理和计算方法的深入研究。目前，水平荷载作用下桩基的性状主要通过理论方法、数值模拟和试验进行研究。

1 理论方法

自1936年开始，就有Rase、Matlock、Reese-Cox等投入理论方面的研究，其中将水平承载性能的理论研究方法分为地基反力法、弹性理论法、复合地基反力法（p-y曲线）等[1-2]。

1.1 地基反力法

1.1.1 极限地基反力法（极限平衡法）

首先假定桩侧土体处于极限平衡状态，地基反力p仅为深度z有关的函数p=p(z)，根据作用在桩上的外力以及桩的力平衡条件来求桩的水平抗力[3]。该法1936年由Rase[4]提出，Broms，冈部[5-7]等人进行发展，其中以 Broms法应用较广泛。

1.1.2 弹性地基反力法（m法）

该法是计算弹性长桩的方法之一，单位面积上的桩侧土抗力及挠曲微分方程表示为：

式中：k为地基梁系数 ，y为挠度，n为水平位移指数，b0为桩径。

1.2 弹性理论法

计算时将桩径为d、入土深度为h的桩分成若干微段，根据明德林解估算的桩周土位移及桩的挠度连列求解。

1.3 p-y曲线法

又称为复合地基反力法，桩的破坏形态由桩周土泥面开始屈服，在弹性区及塑性区采用不同计算方法，其关键在于确定土的应力应变关系[8]。

常用的复合地基反力法包括长尚法、竹下法、布罗姆斯法、斯奈克特、马特洛克法（API规范法）等[9]，能较为真实地反映地基的非弹性性质，我国的港口桩基规范建议采用该种方法。我国学者也基于p-y曲线进行了一些研究，金伟良、邹新军[10-12]采用p-y曲线法，同时给出任意深度桩土之间的作用力计算模式，同时建立基于桩侧土体应力状态的单桩p-y曲线模型。张小玲[13]通过饱和砂土的循环扭剪动强度试验，构造了不同弱化状态下饱和砂土地基中桩土相互作用的p-y曲线。

2 试验研究

2.1 单桩水平推覆试验研究

试验研究是桩基研究过程中较为常见且可靠的方法，国内外早期大多进行工况相对简单的水平推覆试验。在国外，Broms[14-15]于1964年就进行了单桩的水平推覆室内试验，Reese[16]基于现场水平推覆试验结果提出了桩在砂土中受荷所呈现的p-y曲线形式。Poulos、Dawson等[17-19]就系统研究了水平荷载单桩的受力性状，提出了一种较为简单的软土或砂土深层桩的循环侧向荷载响应预测理论，并提出了桩周挠度和桩内弯矩的计算公式。Gadre[20]在密实的干砂中进行了一系列离心试验，将桩基试验结果与解析模型和非线性有限元分析结果进行了比较，两者吻合较好。Lin[21]的研究应用应变叠加概念，对砂土中横向受荷桩的应变累积进行了评价，认为土体性质、桩的埋置方式、循环加载方式等因素能明显影响水平受荷桩的性能。Mayne[22]通过横向荷载和弯矩荷载试验结果表明，单调静载-位移响应具有很强的非线性，但可以用双曲线充分表示。该曲线也为循环加载行为提供了一个参考骨架曲线。为了更好地模拟实际工作条件，Dyson等[23]于2001年利用离心机模型研究单桩在水平荷载作用下的响应，进行了受力分析，将水平承载力与锥尖阻力（静载试验）联系起来，得到了很好的结果。在国内，吴春林[24]通过室内试验，研究水平受荷桩受到垂直荷载作用时对桩顶水平位移的影响，杨克己[25]通过研究发现对于微型桩水平承载力可能存在最优桩长。李兵[26]对不同加载方式的水平受荷桩进行对比分析，确定不同加载方式对垂直以及水平极限承载力的影响，认为在单桩水平荷载时不宜采用单向多循环加载方式。徐和、宋功河[27-28]等对灌注桩、CFG桩等进行了横向荷载承载力试验分析，研究了在水平逐级循环加载条件下桩基的工作性能，发现灌注桩单桩水平承载力与桩的刚度、有效截面面积、混凝土强度、入土深度和桩周土性质有关。王梅、周健[29-30]研究了水平受荷桩桩周土在加荷过程中位移和应力的变化规律及桩土相互作用。此基础上，荣冰和王富强[31-32]通过离心模型试验，重点分析了桩身的响应及桩周围土体的变形特点，认为应根据桩与周围土体的相对变形情况，把地基划分为主动区和被动区进行研究。王凯[33]将沿桩身测试、理论计算与桩顶位移判断水平承载力的结果进行对比，综合研究单桩水平承载力。竺明星[34]研究大直径基桩水平承载力，并认为桩侧竖向摩阻力是水平承载力显著影响因素。

相比于单桩在水平地基中水平承载性状，斜坡地基及斜桩地基工况下桩土受力性状更为复杂，有学者对斜向基桩的水平承载特性做过针对性研究，Poulos[35]考虑了斜压桩的特性和桩对边坡稳定性的影响。赵明华等[36-37]以m法为基本原则，采用幂级数求解，研究推导出倾斜荷载受力桩（或轴、横向荷载同时作用）的设计理论和计算方法。 Meyerhof、Ranja、Sharma、曹卫平[38-41]通过模型试验，对比了不同斜桩与直桩的承载力关系。喻豪俊、朱刘山[42-43]研究认为桩基础的承载力随着地基坡度的增大而减小，下降幅度会随之增大。极限抗力因边坡存在而出现了折减，且坡角越大折减越严重;曲线的初始刚度在浅层区域内同样出现了折减现象，且随着深度的增加折减现象成线性消失（折减主要存在浅层区域内，即存在一个折减的临界深度。赵明华[44]等人探讨了边坡坡角、内摩擦角、黏聚力及荷载方向对极限承载力的影响。

2.2 单桩水平循环荷载试验研究

考虑到某些工况下，桩基础受到的荷载并不是单向稳定的水平推力，故有许多学者研究了循环效应对承载力的影响。张宏博[45]在循环加载下砂土三轴排水剪切试验也表明单桩水平循环累积变形短期效应大于长期效应。王勇智[46]探讨了加荷频率、循环次数和加荷方式对桩土相互作用的影响，发现增大加载频率有提高桩的承载力和刚度的趋势，而循环荷载的反复循环可减小桩的承载力和刚度。王富强、朱娜[47-48]通过试验研究发现循环荷载下单桩的累积位移存在短期效应，但长期循环下位移也会增大。唐永胜[49]通过研究饱和砂土中水平受荷桩的桩-土相互作用机理，认为加载频率对桩－土相互作用的影响较为明显。董爱民[50]通过对风电桩基础在长期循环和在下的变形研究，提出了大直径桩基循环累积变形预测模型。张勋[51-52]通过试验结论提出了单桩水平循环累积位移预测模型，但预测模型没有考虑砂土密度或是土质对循环次数对水平循环累积位移影响的参数的影响，且作者在试验过程中选取的两种砂土密度试验数据较少，忽略了土体密度对循环荷载下累计位移的影响，不能作为推广研究的依据，另外，考虑到多数学者开展的单桩水平循环加载试验次数较有限，张勋进行了砂土中循环次数为10000次的试验，发现桩顶累积位移主要发生在1000次循环加载内。通过对水平受荷桩循环效应的研究，推进了对水平受荷桩抗震性能的研究。

通过试验，学者还对低周往复荷载作用下，试验桩的滞回曲线、承载能力、骨架曲线和位移延性等进行了分析。王俊林[53]认为管桩填芯之后对管桩的抗弯承载力有所提高，但是延性改善并不明显，配置非预应力筋能极大提高管桩承载力和位移延性系数，承载力随着非预应力筋直径的增加而增加，而郑刚[54]认为存在一个最优配筋率。王铁成[55]对不同的管桩进行往复加载试验，从滞回耗能，延性和承载力等方面研究管桩的抗震性能，并引入位移延性系数用以衡量构件抗震性能好坏。发现在低周反复荷载作用下，随着加载的进行试件的刚度逐渐减小，出现刚度退化现象，这与张勋的研究结论相反。

邸昊[56]研究了PHC管桩在低周往复桩身横向荷载作用下的延性及耗能水平等抗震性能，认为预应力桩不能有效地发挥高强混凝土的高承压性能。

郑刚[57]在考虑桩-土相互作用条件下，探究不同桩型受到桩顶低周往复水平荷载作用时的承载性能及抗震性能，通过对预应力桩、增配不同数量非预应力筋形成的复合配筋桩及灌注桩的破坏形态、荷载-位移关系、位移延性的对比分析，认为随着非预应力钢筋直径的增加而提高，可以找出一个最优配筋率。

2.3 单桩水平组合荷载试验研究

Meyerhof[58-59]研究了倾斜荷载作用下柔性桩的极限承载力及其受力特性。桩身在受到组合荷载作用时，其受力特征应按桩土相对刚度系数的大小划分来进行计算。范文田[60]推导了按Winkler假设范围内轴向和横向力同时作用下等截面均质桩基挠曲的微分方程，给出了桩轴侧向位移、转角、弯矩及剪力的基本方程组的解。张晓强[61]进行了水平荷载和竖向荷载同时作用下单桩的工作机理。

3 数值分析研究

考虑到通过现场试验或者室内试验进行水平受荷桩进行研究，有时会存在成本较高，难度较大，受力特征不明确等特点，故借助数值模拟进行进一步研究。数值方法具有计算能力强、适应复杂受力情况，应用数值分析软件进行单桩水平荷载试验模拟，分析水平荷载桩特性具有重要意义，常用于水平受荷桩研究的数值分析软件有限差分软件FLAC3D、有限元软件ANSYS、ABAQUS等，也有部分学者采用颗粒流软件对桩周土体进行数值分析，但研究重点在于土体，对桩基研究较少。

Brown等人[62-63]采用有限元方法对水平荷载单桩的特性进行了研究，并基于计算结果推得p-y曲线。王成、金伟良[64-65]结合前人的研究，通过数值模拟分析研究了水平循环荷载作用下对桩土动力相互作用问题，王成经编制的EPCALLP程序计算认为桩土脱开效应会直接导致滞回曲线发生严重变形，不利于能量的耗散。陈正[66]通过归一化研究微型桩不同桩体参数（以及归一化土体参数）对承载力和位移的影响，给出了桩身参数的合理取值。赵安平[67]通过有限元模型分析发现，在桩基础承受水平荷载时，桩顶为最易受损部位。邸昊[68]结合试验现象，通过有限元分析软件ANSYS模拟研究PHC管桩在低周往复桩身横向荷载作用下的抗震性能，得到 PHC管桩的延性及耗能能力水平，发现了 PHC管桩耗能能力存在不足，认为预应力钢棒的脆性破坏限制了高强混凝土的裂缝发展，建议增配钢筋提高耗能能力，郑刚通过研究也获得相似的结论。叶灏桁[69]通过有限元软件Mathematica对海相软土桩基的计算模型进行研究，认为组合荷载下的水平受荷桩存在一个最优的竖向荷载。但Karthigeyan[70]利用GEOFEM3D认为竖向荷载作用下，砂土中桩的水平承载力得到提高，黏土中桩的水平承载力下降。与郑刚试验的结论不一致主要是因为由于桩的长细比不同导致桩、土体系之间的刚度比变化，因此在类似的加载情况下桩的变形特点不同。

4 水平荷载下单桩受力特性研究展望

近年来国内外学者基于不同的理论方法，通过试验研究并借助数值模拟，对水平受荷桩在不同工况下承载性能、受力性状、桩土相互作用机理方面进行了探索，但由于桩-土系统关系复杂，影响因素众多，在以后的研究中，仍需在以下方面分析单桩水平承载特性。

（1）工程实际中，桩基在地震动、风、波浪等组合荷载作用下受荷较为复杂。但目前研究大多为不同荷载的简单叠加，难以真实反映桩、土的材料动力非线性相互作用。在单桩水平荷载的桩-土反应理论方面，如何同时反映出水平荷载应力-桩体应变的本构关系，以及桩体在水平荷载下，桩土接触面作用，这是未来单桩水平荷载研究的关键问题之一。

（2）针对单桩水平荷载的实验研究，大型振动台费用较高，难以在工程实践设计中推广。如何在保证安全经济的条件下，利用简单的单桩推覆荷载组合实验方法反映桩的真实受力状况，与工程实际中桩基设计使用年限内所经历的真实荷载尽量贴近，构建能反映实际工况的水平受荷单桩实验模型是以后研究的方向。

（3）单桩水平承载力的数值研究成果，当前基本以有限元及有限差分软件为主。研究的精度受本构模型及其边界条件及桩-土参数影响。针对桩基水平推力的颗粒流、流行元、无节点元等数值分析研究正在起步，有待进一步开展工作。运用新的针对桩基横向荷载分析的高效、准确的数值分析方法是未来指导研究的重要手段。