第十八章：单桩水平承载力分析
本章的主要内容为介绍如何使用GEO5“单桩设计模块”对单桩的水平承载力进行设计分析。
例题源文件： http://pan.baidu.com/s/1slM7rzR
18.1 案例说明
本案例基本说明已在第14 章“桩基础介绍”中详细介绍，本章在第15 章 “单桩竖向承载力分析”的基础上，继续对单桩的水平承载力进行计算分析。荷载合力 N1, My,1, Hx,1 作用在桩顶，并依照《混凝土结构设计规范 GB50010- 2010》进行配筋验算。
图18.1 单桩示意图
18.2 分析方法
采用GEO5“单桩设计模块”对本章内容进行计算分析，下面将一步一步介绍本案例的分析过程。
计算水平承载力时，将水平受荷单桩视为作用在Winkler 弹性地基上的梁（弹性地基 – p-y 曲线法），并采用有限元方法进行计算分析。桩长方向的土体变形参数通过土的水平反力系数来反映。
GEO5提供了多种水平反力系数计算方法，其中线性法（线性分布、Matlock/Reese 法）适用于无黏性土；常量法（均匀分布、Vesic 法）适用于黏性土；而捷克规范 CSN 73 1004 则包括了上述两种计算方法。《建筑桩基技术规范 JGJ 94-2008》建议采用“m法”来计算水平反力系数。后面会对不同水平反力系数计算方法之间的分析结果进行对比。
18.3 分析流程
分析设置、荷载大小、剖面土层和土体的相关力学参数和第15章保持一致。在「水平反力系数Kh」界面中将水平反力系数的计算方法选择为“输入沿桩轴向分布值”。取m=3MN/m4，12m 深处的水平反力系数值便为36MN/m3。
图18.2 水平反力系数计算方法设置
在「材料」界面中设置桩身材料的参数。这里将结构重度设置为23.0kN/m3， 结构材料设置为 “混凝土”强度等级为C30，纵筋与剪力筋选择HRB400。
图18.3 桩身材料设置
下一步，进入「水平承载力】界面并查看分析结果：桩身位移、剪力、弯矩等计算结果，并对单桩配筋进行验算。
图18.4 桩身位移、剪力、弯矩曲线图
现在对最大荷载作用方向的配筋进行验算。设计配筋为20Ф18mm，对应环境作用等级的最小混凝土保护层厚度为60.0mm。本案例采用《混凝土结构设计规范 GB50010-2010》对水平荷载作用的单桩配筋率进行验算。表 18.1 为《混凝 土结构设计规范 GB50010-2010》规定的纵向受力筋最小配筋率。
图18.5 桩身配筋验算
注：
1.“桩底固定”边界条件适用于桩端位于坚硬岩石或半岩地基中的情况。本案例并不适用于这种情况，因此，不勾选“桩底固定”。同时，还可以通过设置 “位移”和“转角”来指定桩顶边界条件，即位移荷载（选择荷载工况为“位移 荷载”），此时软件不再考虑桩顶荷载作用。
2. 软件提供了三种配筋率计算方法，分别是“按柱计算”、“按梁计算”和 “按桩计算”。对于受压构件，最好采用“按柱计算”；而对于受弯构件，最好 采用“按梁计算”。
图18.6 位移荷载设置
表18.1 纵向受力钢筋的最小配筋百分率ρmin(%)
| 受力类型 | 最小配筋百分率 | ||
| 受压构件 | 全部纵 向钢筋 | 强度等级 500MPa | 0.50 |
| 强度等级 400MPa | 0.55 | ||
强度等级 300MPa、 335MPa | 0.60 | ||
| 一侧纵向钢筋 | 0.20 | ||
| 受弯构件、偏心受拉、轴心受拉构件一侧受拉钢筋 | 0.20 和 45ft/fy 中较大值 | ||
在结果面板中可以查看桩截面利用率和配筋率等分析结果。点击“详细结果” 按钮，可以查看详细的结果。
图18.7 详细结果
在水平受荷单桩的分析结果中，通常主要关注沿桩长方向的桩身内力分布、 最大变形和桩截面强度的利用率。
最后，采用“m法”作为水平反力系数计算方法的验算结果如下：
— 桩身水平位移最大值：umax = 4.3mm；
— 最大剪力：Qmax = 85.0kN；
— 最大弯矩：Qmax =136.21 kNm；
— 钢筋混凝土桩受弯+受压承载力：12.4%，满足要求，
— 钢筋混凝土桩受剪载力：12.0%，满足要求，
— 配筋率 ρ：0.648 % >0.550%，满足要求。
18.4 不同水平反力系数计算方法的结果对比
水平反力系数的大小和分布随采用的水平反力系数计算法和输入的相关土 体参数的不同而不同。
— 均匀分布：扩散角 β [-」，
— 线性分布（Bowles）：扩散角 β [-」，基于土体类型的 Bowles 系数 k [MN/m3」,
— 依据捷克规范 CSN 73 1004：黏性土或无黏性土，水平压缩模量 nh[MN/m3」。
— 依据 Vesic 法：弹性模量 E [MPa」。在本案例中，采用软件帮助文档（F1）中建议的参数值进行计算。
表18.2 单桩水平承载力土体计算参数
分别采用以下水平反力系数计算方法，对单桩水平承载力进行分析计算。
— 均匀分布
— 线性分布法，
— 依据捷克规范 CSN 73 1004，
— 依据 Vesic 法。
现在根据所选择的计算方法进行相应的参数设置，首先在「水平反力系数kh」界面中选择所需要的“土的水平反力系数”计算方法，接着在「岩土材料」界面中输入所选水平反力系数计算方法需要的土体参数。
图18.8 均匀分布计算结果
图18.9 线性分布计算结果
图18.10 捷克规范 CSN 73 1004 计算结果
图18.11 Vesic 法计算结果
18.5 单桩水平承载力计算结果
表18.3为采用不同水平反力系数计算方法得到的单桩水平承载力计算结果。
表18.3 单桩水平承载力计算结果
水平反力系数 kh[MN/m3」 | 桩身水平位移最大值 umax[mm」 | 最大弯矩 Mmax[kNm」 |
| m 法 | 4.3 | 136.21 |
| 均匀分布 | 4.2 | 120.00 |
| 线性分布 | 6.4 | 173.53 |
| CSN 73 1004 | 5.6 | 149.91 |
| Vesic 法 | 9.3 | 120.0 |
从计算结果中可以发现，沿桩长的内力分布和桩身最大位移的计算结果随采 用的水平反力系数计算方法的不同会略有不同，但水平反力系数计算方法的影响 并不如想象中那么明显。
