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横竖向荷载共同作用下的基桩模型试验研究论文横竖向荷载共同作用下的基桩模型试验研究论文摘要：桥台桩是在竖向和横向荷载共同作用下工作的。实践表明，桩基的极限承载力受横向荷载的影响很大。本文利用模型桩进行实验，讨论基桩在竖向和横向荷载共同作用下的受力特性和变形性能，来研究基桩的极限承载力。实验表明，竖向荷载的增大对桩身弯矩和桩顶位移的影响不大，而横向荷载的增大对桩身弯矩和桩顶位移的影响很大，直接导致基桩承载力的降低。因此在实际设计中，基桩的自由长度和横向荷载对其承载力的影响不容忽视。关键词：模型桩；横竖向荷载；桩身弯矩；基桩承载力；桩顶位移1前言桥台桩是在竖向和横向荷载共同作用下工作的，一般桩基的竖向承载力比较大，横向承载力比较小。当无伸缩缝的无缝桥梁，由于混凝土的热胀冷缩、徐变等因素产生很大的横向力，横向荷载对桩基的承载能力影响很大。目前国内外对基桩的研究，大多局限于竖向或横向荷载单独作用的情况，我国规范也仅对竖直桩在竖向或横向荷载单独作用下的静载试验给出了规定，而对横竖向荷载共同作用下基桩的静载试验尚未制定相应的试验规程。本文主要讨论，在桩基所受的竖向荷载不变时，施加不同的横向荷载，根据量测的桩身弯矩、荷载大小、竖向及水平位移等分析桩在横竖向荷载共同作用下的受力和变形特性。2试验装置与方法本试验采用的模型桩为合金铝管，外径为16mm，壁厚2mm，长度为1000mm，其长径比为68.75，为长桩。模型桩的抗弯刚度日值根据测定简支梁在集中荷载下四分点的挠度反算求得，为0.187(kN·m2)，其中弹性模量为8.29×107(k/m2)。模型桩的无量刚度dh大于2.5，为柔性桩。地基介质土为单层均匀砂土。颗粒级配为：d60=O.46mm，d10=0.22mm，为均匀中砂。型砂密度p=1.70g/cm2，内摩擦角φ=36度。模型砂箱构造尺寸为1200×600×100mm，箱周壁及底板均采用木板。试验采用砝码加载，加载采用慢速维持荷载法，操作步骤严格按文献的有关规定进行。每级加载后，间隔5、10、15min各测读一次百分表读数，以后每隔15min测读一次，累计1小时后每隔30min测读一次。试验的关键是量测桩身截面的应变、桩地面处的水平位移及桩的承载力。如果每小时的沉降量不超过0.1mm，并连续出现两次，即认为桩已趋于稳定，记录此时的位移和应变，然后加下一级荷载。在竖向和横向荷载作用下，当桩的地面处水平位移达到30mm时，即认为基桩已破坏，终止试验。3试验结果分析基桩在垂直或水平荷载下的极限承载力可根据桩的荷载一位移曲线确定。对于轴、横向荷载下基桩的'极限承载力，Meyerhof等人认为应考虑两个方面的因素：一是桩在轴、横向荷载作用下满足竖向地基土体的承载能力和位移控制；二是满足桩侧土体弹性抗力和桩身材料强度要求。本文主要以荷载一水平位移曲线来研究基桩的极限承载力。本文的模型桩试验，首先模拟桥梁恒载给定一个竖向荷载，然后模拟混凝土热胀冷缩、汽车制动力等施加横向荷载，直至达到极限荷载。模型桩在不同荷载下的实测弯矩列。模型桩的横向荷载下砂面水平位移曲线。4轴横向荷载共同作用下基桩的受力特性分析轴、横向荷载下基桩的荷载传递及变形机理十分复杂，涉及桩与土间的相互作用。而桩的承载能力取决于地基土的支承能力和桩身的材料强度，一般取两者中的小值为控制指标，而前者往往起决定作用。通过基桩模型的试验，测得了桩在轴、横向荷载共同作用下地面处的位移、桩身各点的弯矩。根据桩顶荷载一位移曲线可以确定出桩的极限承载力。根据桩身截面应变、桩的抗弯刚度可计算出桩身各截面的弯矩值。现以基桩模型的试验数据，分析桩在轴横向荷载共同作用下(水平力不变而轴向力变化和轴向力不变而水平力变化时)，对桩身弯矩和地面位移的影响。5结论5．1当桩身自由长度、横向荷载及抗弯刚度等条件不变时，随着轴向荷载地增加，桩身弯矩和位移都增加，但增加的幅度不大，即轴向荷载变化对桩的极限承载能力影响不大。5．2当桩的自由长度、轴向荷载及抗弯刚度等条件不变时，随着横向荷载的增加，桩身弯矩和位移都将大幅度的增加，桩的极限承载能力也将迅速地减少，对于无缝桥梁的桥台桩，由于取消了伸缩缝，混凝土热胀冷缩等引起的横向力将大大增加，这在设计中必须充分的加以考虑。5．3当基桩的轴、横向荷载及抗弯刚度等条件不变时，随着基桩自由长度地增加，桩身弯矩和位移增加很快。也就是说P－△效应和基桩自由长度密切相关，随着基桩自由长度地增加，P－△效应也将越明显，这在设计中不容忽视。在砂土中，当桩在地面处的位移较小时，轴向荷载对桩的竖向承载能力没有重大影响。5．4当基桩的自由长度、轴、横向荷载等条件不变时，随着基桩抗弯刚度地增加，桩身弯矩也将增加，特别是桩身中段部分的弯矩增加较大；而桩身位移却大幅度地减少。当上部结构对位移有特别要求时，可