均质粘性土中的钢管桩的P―Y曲线计算

摘 要：海洋工程中的桩基，除了作用传统的竖向力外，由于受波浪力、水流力、船舶靠泊力等作用，桩基承受的水平力不可忽略，有时甚至成为桩基设计的决定性因素。本文以均质粘性土中的钢管桩为研究对象，对不同土质、不同桩长、不同嵌固条件的桩分别进行数值模拟，探索桩在不同土质、不同桩长、不同嵌固条件下的p-y曲线的规律。

关键词：p-y曲线 桩基水平变形

Abstract： Pile foundation in ocean engineering， in addition to the traditional role of the vertical force， due to the action of wave force， current force， the ship berthing force， pile foundation under horizontal force can not be ignored， and sometimes even become the decisive factor of pile foundation design. In this article， a numerical simulation is carried out for the steel pipe piles in homogeneous soil， and the p-y curves of different soil and different length and different embedded conditions are explored.

Abstract： p-y curves， Horizontal deformation of pile foundation.

海洋工程中的桩基，除了作用传统的竖向力外，由于受波浪力、水流力、船舶靠泊力等作用，桩基承受的水平力不可忽略，有时甚至成为桩基设计的决定性因素。桩基水平承载力的计算方法，一般有p-y曲线法、m法以及嵌固点法等[1]，因为p-y曲线法的计算理论较贴近实际桩土作用模型，因此海洋工程中桩基水平承载力计算一般采用p-y曲线法。

本文以均质粘性土中的钢管桩为研究对象，对不同土质、不同桩长、不同嵌固条件的桩分别进行数值模拟，探索桩在不同土质、不同桩长、不同嵌固条件下的p-y曲线的规律。

1 P-Y计算理论

桩在水平力作用下，将沿桩身产生不同的水平变形，此水平变形作用在桩周土，桩周土产生一反力作用在桩上。对地面下任意深度处的一小段桩，对应一个薄层的土层，当桩顶施加水平力后，设x深度处桩水平变形y，则土压力分布呈椭圆形，如沿桩周将土压力积分，得合力p。p-y的曲线就是在水平力作用下，地面深度x处的土反力p与该点桩水平变形y之间的关系[2]。

McCellland和Locht，Matlock及Reese等基于水平载荷试验建立了软粘土、砂土中求解桩非线性横向阻力的p-y曲线法，后经改进后被美国石油协会（API）及挪威船级社（DNV）所采用，我国现行的《海上固定平台入级与建造规范》及《港口工程桩基规范》也沿用了p-y曲线法计算桩的水平力与水平变形的关系[3]。

2 不同土质条件下的P-Y曲线

为考虑桩在不同土质条件下的p-y曲线，本文模拟了一个我国东部沿海项目的桩基，桩径1.0m，桩长40m，桩端自由。桩打入均质粘性土中，桩顶作用100t的水平力。对于不同的土质条件，主要反映在不排水抗剪强力c值上，本文对从淤泥土～硬塑粘土的p-y曲线分别进行计算，详见表1。不同土质条件下的位移曲线见图1，桩身弯矩曲线见图2。

通过对不同土质条件的p-y曲线计算可以看出，土质条件对p-y曲线影响很大，桩的水平位移随土的不排水抗剪强度c值的增大迅速减小，对于淤泥土与硬粘土，期间桩身水平位移可以相差约10倍。桩身弯矩也随着c值的增大而减小，但仅相差约2倍多。

3 不同桩长下的P-Y曲线

仍以我国东部沿海项目的桩基为例，桩径1.0m，桩端自由，桩打入均质粘性土中。本例土层为常见的软塑粉质粘土，c=25kPa，桩顶作用100t的水平力。对于不同的桩长的p-y曲线分别进行计算，详见表2。

通过对不同桩长条件的p-y曲线计算可以看出，桩较短时对桩身水平位移影响较大，但桩较长时，对桩身水平位移影响不明显。对于本例中的软塑粉质粘土类地质条件，桩长15～20d时没有出现反弯点，桩长30～45d时出现在一个反弯点，桩长60d时出现在二个反弯点，而桩长80d时出现了三个反弯点。对于未出现反弯点的情况，桩长过短（如本例中的15d桩），桩几乎呈刚性变形，其水平位移数值非常大；当出现一个反弯点后，桩身水平位移迅速减小；当出现多个反弯点时，桩长过长，此时随着桩长的增加，水平位移几乎不再变化。

4 不同嵌固条件下的P-Y曲线

仍以我国东部沿海的项目的桩基为例，桩径1.0m，桩打入均质粘性土中，土层为软塑粉质粘土，c=25kPa，桩顶作用100t的水平力。对于桩顶自由和桩顶嵌固两种条件的p-y曲线分别进行计算，详见表3。

通过对长桩和短桩在桩顶自由/嵌固两种不同嵌固条件的p-y曲线计算可以看出，嵌固条件对桩身水平位移影响较大。当桩长较长时（出现反弯点），桩顶自由时的水平位移较嵌固时大3倍左右；当桩长较短时（未出现反弯点），嵌固条件对水位位移影响更大，本例桩长15d时，桩顶自由时的水平位移较嵌固时大近10倍。

5 结论

由上述计算可以看出，在不同情况下，土质条件、桩长、嵌固条件对p-y曲线的影响不同，桩基水平承载力和变形设计时，应针对不同的土质条件、不同桩长、嵌固条件，选择合适的桩基参数。

参考文献

[1] 郭大维、路卫卫等 中交第四航务工程勘察设计院有限公司 P-Y曲线法模拟桩土相互作用 中国水运 2014年5月

[2] 周礼军、鲁子爱 江苏科技大学、河海大学 水平荷载作用下刚性短桩的计算方法研究 中国水运 2008年9月

[3] 狄圣杰、龚晓南等 中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司、浙江大学 软粘土地基桩土相互作用p-y曲线法参数敏感性分析 水力发电 2014年12月

[4] Designing and constructing fixed offshore platform ― Load and resistance factor design API RP 2A-LRFD 1997年2月

作者简介：戴中飞，女，工程师，从事水利水电工程设计工作。