水平载荷作用下桩的受力和变形分析方法

1 引言

进入汛期以来南方各地洪水泛滥，许多中小型的桥梁被冲垮，有的是正在建造中的桥梁，有的则是上百年的桥梁。大型的跨海桥梁基本上不存在这个问题， 因为跨海桥梁都采用了悬索结构，水中的桥墩较少，而且设计时的安全系数较大。桥墩的破坏有两个可能的原因，一种可能是桥墩的地基在水作用下遭到了破坏，另一种可能是桥墩的抗剪强度不够，在强大的动水压力作用下桥墩发生大变形直至被截断。无论哪种破坏机理，都涉及到在水平载荷作用下桩的受力和变形问题。本文简要描述这种情形下桩的分析方法。

2020年7月17日，重庆市彭水县报家镇大河坝片区朱家嘴老桥被洪水冲垮

中小型桥梁容易损坏

大型跨海桥梁不易损坏

水平载荷下桩受力和变形的系统研究起源于海洋工程(Offshore Engineering), 主要是为石油钻井平台设计而进行的。陆地工程有时也需要进行水平载荷作用的专项设计，比如工业使用的塔的设计，天然气或石油管线支撑桩的设计, 输电线路塔站的设计等。

2 桩在水平载荷作用下的分析方法

桩在水平载荷作用下的分析，可以根据工程的复杂程度选择不同的方法。

2.1 专门软件(Special purpose)  

LPile是工业标准的p-y分析软件,在北美的岩土工程和结构工程界广为应用，它的前身是COM624，由第12届Terzaghi Lecturer, University of Texas的 Lymon C. Reese (1917-2009) 教授为FHWA开发，后来由他创立的Ensoft Inc. 市场化，形成目前的二维分析软件LPile。LPile V1.0 版本发行于1986年，LPILE扩展了Winkler模型土**移不连续的限制，使用p-y曲线模拟土体真实的应力和变形，采用有限差分法解决梁柱的微分方程。该程序能够计算桩的挠度、弯矩、剪力和土的响应。

2.2 通用软件(General purpose)  

许多通用的岩土工程数值模拟软件都可以模拟水平载荷作用下桩的受力和变形，如果是作学术研究，首推FLAC2D/FLAC3D, FLAC考虑的因素最全面，在某种程度上FLAC模拟的精确度超过LPile, 但由于FLAC需要输入的参数很多,在实践中限制了它的应用,目前仅在研究中使用它。其次推荐使用PLAXIS，PLAXIS在软土模型和界面元的处理上有非常强的优势 。

2.3 经验公式 (Empirical formula)

使用Broms提出的经验公式法, 这种方法是基于Broms在1960年代写的三篇论文，这种方法不象FLAC那么复杂，但经过实践检验证明是非常有效的设计方法。作为初步设计或者地层不太复杂的情况下，这种方法能够给出可靠的解答。

3 Broms经验算法

几年前, 我在为石油和天然气管道支撑作钢管桩的设计，为了自己计算方便，用EXCEL写了一个基于Broms算法的小程序，如下图所示。算法参考: Broms, B(1961). The lateral resistance of piles in cohesive soils. Journal of Soil Mechanics Division., ASCE, Vol. 90, SM2, March, pp.27-63.

这个小程序可以快速计算出桩的水平变形，转动点的深度，最大惯量以及桩的破坏深度。此外，我也基于NAVFAC-DM7的推荐算法写了一个计算水平偏移量的小程序，这种方法类似于Broms的算法，如下图所示。

这些算法在粘土地层中桩长10m以内的钢管桩设计中经过了大量工程证实， 证明可以用于工程设计。

4 结束语

水平载荷作用下桩的受力和变形分析相对来说比较麻烦。对于复杂地层和复杂载荷的设计，应该联合使用不同的计算方法互相证实，使用LPile FLAC PLAXIS Broms NAVFAC-DM7发展一个集成的计算模板, 以便发现破坏机理和设计参数优化。