基本介紹
- 中文名：橫向載荷樁
- 外文名：laterally loaded vertical piles
- 學科：基礎工程
- 定義：受橫向力和力矩作用的樁
- 套用：港口工程、 橋樑工程、 高層建築
- 有關術語：載荷
簡介,橫向荷載樁承載機理,載荷,管樁,
簡介
國內外對基樁的荷載傳遞機理 、破壞性狀、承載能力以及內力和位移的研究大都局限於豎向或橫向荷載單獨作用的情況。然而，在實際工程中基樁單純承受豎向或者橫向荷載作用的情況非常少，其在承受軸向荷載作用的同時往往還伴隨著水平荷載的作用。如除豎向荷載外，高層建築還要考慮風荷載和地震作用，橋樑則還要承受汽車制動力、船舶或漂流物對橋墩的撞擊作用。基樁在軸橫向荷載同時作用下，水平力將使樁身產生較大的彎矩和撓曲變形，豎向力又將因為樁身撓曲變形的出現產生附加彎矩。橫向載荷樁簡單來說樁主要受橫向力和力矩作用。研究橫向荷載樁的受力和變形機理，具有較強的工程套用背景，而且具有非常重要的理論與套用價值。水平荷載作用下樁基礎的分析方法主要有地基反力係數法與複合地基反力係數法、彈性理論法和有限元方法，利用有限元法可以分析各種條件下，如樁間距、樁長、樁徑、土質、荷載大小等對樁土效應的影響。但其主要缺點是計算量大，計算結果很大程度上依賴於土體本構模型和參數的選取，而且不易為一般的工程技術人員所掌握。
橫向荷載樁承載機理
如圖 1 所示，橫向荷載作用下，基樁克服本身的材料強度產生撓曲變形，樁前土體受到擠壓而產生抗力，這一抗力將阻止樁身撓曲變形的進一步發展，而豎向荷載的作用則使樁身的撓曲變形增加，隨著撓曲變形的發展，土體的擠壓變形越來越大，抗力也隨之增大，當撓曲變形引起的水平位移較大時，可能由於樁側土體對樁的水平抗力不足以抵抗水平荷載而導致土體屈服破壞；而樁后土體則與樁身之間有相互脫離的趨勢，隨著樁身撓曲變形的加大，這個趨勢越來越大，樁后土體對樁身的壓力越來越小。可見橫向荷載的作用會引起樁周土對樁身法向壓力的改變，從而使樁側極限摩阻力產生變化，隨著豎向荷載的增大，有可能由於樁側摩阻力和樁端阻力不夠而產生土體剪下破壞或由於樁失去穩定而破壞。在軸橫向荷載同時作用下，基樁的破壞模式囊括了軸向或橫向荷載單獨作用下各種可能出現的情況。當橫向荷載較小而豎向荷載很大時，軸橫向荷載基樁破壞模式表現為豎向荷載下基樁破壞模式，即屈曲破壞、樁端土體整體剪下破壞和刺入破壞。當豎向荷載較小水平荷載占主導地位時，其破壞模式則表現為橫向荷載下基樁破壞模式，即傾倒破壞和水平滑動破壞（剛性短樁）、撓曲破壞（中長樁）、 樁身撓曲破壞、樁頂撓曲破壞和樁身樁頂撓曲破壞（細長樁）。同時，軸橫向荷載的共同作用也使基樁的破壞機理與單一的軸向或橫軸向荷載分別作用情況不同，使上述破壞模式產生一些變化。此外，在軸橫向荷載作用下，樁身還將產生豎向和水平向位移，可能由於位移過大而不能滿足上部結構設計要求，此時，樁的承載能力將由樁頂豎向位移、 水平向位移兩者所控制。
圖1
載荷
通常指施加於機械零件或構件上的外力。外力既有通過相鄰零件或構件傳遞來的力和力矩，也有來自於物體的自重和慣性力。流體的壓力也可以成為機械零件或構件的外力。載荷可以從不同的角度加以分類。按載荷的分布狀態，可分為分布載荷和集中載荷。分布載荷按均性又可分為均勻分布載荷與非均勻分布載荷; 按作用空間，又可分為體載荷、面載荷和線載荷。集中載荷可以看成是作用面趨近於零的小範圍的分布載荷。載荷按照作用方式，可分為軸向載荷 (拉伸或壓縮)、橫向載荷、彎曲載荷和扭轉載荷。軸向載荷指合力作用線沿機械零件和構件軸線方向作用，並且通過所有橫截面的形心。橫向載荷指垂直於零件或構件軸線或軸向平面作用、並在橫截面上產生剪力和彎矩的載荷。彎曲載荷和扭轉載荷指分別給機械零件和構件以彎曲或扭轉的載荷。兩種以上載荷聯合作用時，則稱為複合載荷。載荷按其大小、方向和作用點是否隨時間變化，可分為靜載荷和動載荷。載入速度緩慢，以至於可不計慣性力的準靜載荷及與時間參數無關的恆載 (如自重) 也可作為靜載荷。動載荷又可分為衝擊載荷、周期載荷和隨機載荷。衝擊載荷作用時間短而快速，例如用蒸汽錘鍛制零件毛坯。周期載荷的主要參數是振幅、頻率及相位角。例如內燃機的曲柄因氣缸內氣體壓力周期性變化而承受的載荷。隨機載荷的振幅、頻率變化都是無固定規律的，隨機載荷通常用數理統計的方法來描述，即可以在載荷的幅域、頻域或時域中計算其統計規律。例如汽車在道路上行駛、由於路面對汽車產生振動，而影響對汽車承載系及乘座的舒適性。這就需要測取大量的試驗數據，記錄載荷隨時間變化的規律，即載荷譜，並藉助於電子計算機，對汽車承載系進行設計計算。塑性材料的零件和構件若在一定的靜載荷下產生塑性變形，而喪失承載能力，這個載荷稱為零件或構件的極限載荷。細長壓桿、薄壁球或焊接薄壁箱體承受一定壓力時，均會產生彈性失穩，相應的載荷則稱為臨界載荷。機械零件和構件在不同的載荷狀態下工作，並且經常承受多種載荷。不同的載荷引起零件和構件不同的失效方式。在進行機械設計時應根據試驗或應力分析，找出零件或構件承受的主要載荷，並根據主要的載荷進行設計計算或校核。
管樁
管樁是指圓形薄壁空心的樁。有鋼筋混凝土管樁、預應力混凝土管樁和鋼管樁3種。用於高樁承台結構、樁基和系靠船結構 等。也有製成帶有鎖口的管樁，用於管樁板樁結構。①鋼管樁：是用3號鋼或16錳鋼鋼板卷焊或無縫鋼管制成。一般外徑為 50—1 200毫米，壁厚為10—18 毫米。樁尖有開口、全封閉和半封閉3種型式，根據地基土性質加以選用。常用半封閉樁尖以解決施打困難和提高樁的承載力。鋼管樁的水上部分塗以氯化橡膠為基料的優質防鏽漆，水下部分採用陰極防腐。鋼管樁強度高、彈性好、抗彎能力大、製造方便、施工速度快，所以在海洋工程中使用廣泛。②鋼筋混凝土和預應力混凝土管樁：通常在專門工廠中採用離心成型工藝製成。為提高其強度和抗裂性能，預應力混凝土管樁得到了發展。其外徑一般為30—80厘米，最大可達180厘米，壁厚一般為6—15厘米，分段預製長度一般為6—15米，並根據樁長以法蘭盤拼接。我國當前可生產的預應力混凝土管樁，其外徑為120厘米，壁厚為12厘米，管節長度為4米。這種樁耐久性好、使用壽命長、用鋼量省，並可工廠化生產，工效高，是可供推廣使用的一種技術。在風荷載、地震荷載、動力機器荷載、高速列車荷載等荷載的作用下，管樁將承受豎向、水平或扭轉等動態荷載的作用，因此，在管樁的設計和施工中需要考慮管樁的動態特性，需要了解相關參量對管樁振動特性的影響規律。其中大部分管樁埋置較淺，主要是用來承受各種形式的橫向荷載，如撞擊力、風載等，而且為了吸能，允許有較大位移可以更換。
