矩形桩水平承载性能的模型试验研究与优化设计

针对矩形桩(Lr )在砂土中水平承载力(W)的设计难题，研究人员通过11组模型试验系统探究了桩宽、长宽比和土体密实度(Dr )的影响机制。发现WLr 与承载力呈强线性相关(r=0.966)，提出优先优化Lr 的设计策略，为海上风电等工程提供理论支撑。

　　

在高层建筑和跨海大桥建设中，桩基础如同"定海神针"般承担着传递荷载的重任。传统圆形截面桩虽广泛应用，但在抵抗台风、海浪等水平荷载时往往力不从心。工程师们发现，同样混凝土用量下，矩形截面桩（barrette pile）的抗弯截面模量(W)比圆形桩高出15.4%，这使其在水平荷载下展现出独特优势。然而，关于矩形桩水平承载机制的系统研究却长期空白——究竟桩体几何参数如何影响承载力？土体密实度会产生多大效应？这些关键问题直接关系到港珠澳大桥等超级工程的安全设计。

广东省科学院的研究团队在《Ocean Engineering》发表的研究填补了这一空白。他们采用光纤传感技术和土压力盒，对11组不同尺寸的矩形桩模型进行精细测试。通过控制桩宽(20-60mm)、长宽比L_r
(2-5)和砂土相对密实度D_r
(30%-70%)，揭示了"几何-土体-承载力"的定量关系。

关键技术包括：1）基于相似比设计的缩尺模型试验体系；2）分布式光纤监测桩体应变场；3）高精度土压力传感器捕捉p-y曲线；4）采用河砂确保试验可重复性。

【Sandy soils】选用级配良好的河砂，通过振动法控制D_r
在30%-70%区间，消除黏土蠕变干扰。

【Variations of soil pressure】光纤测得桩前ε_front
和桩后ε_rear
应变，发现零土压力点将桩周分为主动/被动区，变形主要发生在2倍桩宽范围内。

【Effects of pile cross-section】固定L_r
=3时，桩宽从20mm增至60mm使承载力提升3.2倍，因更大截面能调动更深层土体抗力。

【Lateral bearing capacity】按ASTM标准取10mm位移对应荷载，发现L_r
=5的桩比L_r
=2时承载力提高82%，但增幅随L_r
增大而减缓。

研究最终建立WL_r
与承载力的线性模型(r=0.966)，提出"优先优化长宽比，其次调整桩宽和土体密实度"的设计范式。该成果为海上风电单桩、跨海大桥墩台等抗侧移设计提供量化依据——例如将L_r
从2提升至4可节省15%混凝土用量，这在千米级大桥建设中意味着万吨级材料节约。团队特别指出，在台风频发区域应结合D_r

70%的密实砂土，可使矩形桩的水平承载力再提升40%。这项源自中国的创新研究，正在重新定义国际桩基设计规范。