豎向荷載作用下連梁樁結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)梁承載力試驗(yàn)分析

梁 宸 （安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，安徽 合肥 230031）

1 引言

連梁結(jié)構(gòu)在樁基中被廣泛使用。抗滑樁頂部的連梁可以將不同位置的樁連接成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，使樁受到均勻的力和變形，增強(qiáng)樁土的相互作用。樁頂與聯(lián)結(jié)梁相連的結(jié)構(gòu)在道路地基中也有發(fā)現(xiàn)，可以有效抑制路堤的側(cè)向變形，提高路堤的穩(wěn)定性[1]。在此基礎(chǔ)上，本文將連梁結(jié)構(gòu)引入到高層建筑的地基中，提出一種改進(jìn)的樁群地基，稱為連梁樁結(jié)構(gòu)地基。通過(guò)將梁與樁群基礎(chǔ)的樁身頂部剛性連接，可以作為傳力結(jié)構(gòu)將荷載均勻地傳遞到各下層樁身，并自身承擔(dān)部分荷載。極大增加了樁群基礎(chǔ)的承載力，改善了差異沉降現(xiàn)象[2]。與異型截面樁相比，連梁結(jié)構(gòu)的下部仍然是普通的圓樁，而梁結(jié)構(gòu)的上部是地梁或地下連續(xù)墻，其施工方法已經(jīng)非常成熟，簡(jiǎn)單、造價(jià)低[3]。目前對(duì)連梁樁結(jié)構(gòu)的研究大多是對(duì)穩(wěn)定性和水平承載力的考慮，而對(duì)各種梁體參數(shù)和豎向承載力的優(yōu)化關(guān)注很少。在本研究中，采用3m×3m 的樁群構(gòu)建了一個(gè)連梁樁的設(shè)計(jì)，并利用有限元軟件對(duì)梁的寬度、長(zhǎng)度和剛度進(jìn)行了調(diào)整，得到了梁的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)，為地基處理提供新的建議。

2 實(shí)驗(yàn)方案

在巖土工程中，能否真實(shí)地反映樁土相互作用對(duì)數(shù)值模擬軟件提出了很高的要求，ABAQUS 基于Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則的理想彈塑性模型是模擬土的非線性特征最廣泛的應(yīng)用。因此本文建立了一個(gè)3m×3m 樁群連梁樁結(jié)構(gòu)的尺規(guī)模型進(jìn)行分析。樁體定義為彈性，樁體和連梁樁結(jié)構(gòu)高度共10m，樁徑取0．2m，樁間距為1．8m，連梁寬度為0．5m，樁體與高度為0．5m 的承臺(tái)相連，土體選擇Mohr-Coulomb 主模型，保證從樁體到邊界有足夠的空間來(lái)抵消邊界效應(yīng)。土體的長(zhǎng)度為24m，寬度為24m，高度為20m。樁與土壤的方向接觸采用“硬”接觸[4]，限制樁進(jìn)入土壤，切向接觸采用“罰”函數(shù)來(lái)定義摩擦，摩擦系數(shù)是土壤內(nèi)摩擦角的正切值。為了限制模型在計(jì)算過(guò)程中在剛體中移動(dòng)，土壤周圍和底部的位移在法線方向被設(shè)置為零。首先施加一個(gè)地應(yīng)力平衡，然后在承載平臺(tái)表面施加一個(gè)垂直載荷。網(wǎng)格單元由C3D8R 劃分，并對(duì)樁土接觸區(qū)的網(wǎng)格進(jìn)行了適當(dāng)?shù)募?xì)化。

為了計(jì)算連梁和樁之間的軸向力，將數(shù)值模型的測(cè)量點(diǎn)設(shè)置為每個(gè)樁有六個(gè)應(yīng)變片，頂部連梁有兩個(gè)應(yīng)變片。將自然密度為1．94g/cm3的黃土分層壓實(shí)，并在模型中進(jìn)行平整，以達(dá)到作為地基填料的一致性。裝載設(shè)備使用一個(gè)10t的液壓千斤頂，總共有八級(jí)裝載。每一級(jí)荷載轉(zhuǎn)換后為28．36kPa，當(dāng)每一級(jí)荷載穩(wěn)定后再進(jìn)行下一級(jí)荷載，如圖1所示。

圖1 網(wǎng)格劃分

3 連梁的優(yōu)化分析

連梁樁結(jié)構(gòu)的樁距、樁長(zhǎng)和長(zhǎng)徑比都會(huì)對(duì)樁的承載能力和受力方式產(chǎn)生顯著影響。而在連梁樁結(jié)構(gòu)中，連梁的寬度、長(zhǎng)度和剛度起著重要作用。在前述模型的基礎(chǔ)上，連梁的寬度（D）、長(zhǎng)度（S）和剛度是變化的。然后對(duì)其施加9000kN的豎向荷載，分析各種因素對(duì)連梁樁結(jié)構(gòu)的承載特性和荷載傳遞狀況的影響，并作為連梁樁結(jié)構(gòu)最佳設(shè)計(jì)的指導(dǎo)。

3.1 連梁寬度

較大的荷載可以通過(guò)連梁與垂直荷載下的樁體連接處的可變截面來(lái)承載并傳遞到土壤中。不同的連梁寬度會(huì)改變橫截面積，對(duì)連梁樁結(jié)構(gòu)的承載能力有很大影響。連梁寬度（D）分別為0．4m、0．5m、0．6m、0．7m 和0．8m，其余參數(shù)保持不變，建立模型并提取沉降量，如圖1所示。連梁寬度和結(jié)構(gòu)的沉降存在負(fù)相關(guān)；沉降隨著連梁寬度的減少而增加。兩者之間有明顯的差異，在9000kN 荷載下的最大沉降為233．59mm，最小沉降為162．86mm，相差30．28%。當(dāng)連梁寬度為0．4 和0．5m 時(shí)，沉降量比較接近，對(duì)承載力的提高不明顯，在9000kN僅相差3．11%，而D 在0．5m 至0．8m 時(shí)可減少沉降8．25%、11．17%和11．65%，連梁寬度對(duì)結(jié)構(gòu)的沉降影響比較明顯。

選取中樁的軸向力進(jìn)而來(lái)分析結(jié)構(gòu)的受力情況，如圖2 所示。在不同的載荷下，軸向力的分布基本相同，隨著連梁寬度的減小而增加。連梁樁越寬，連接處的接觸面積就越大，轉(zhuǎn)移到土壤中的荷載就越多，連梁樁和下層樁所承受的荷載就越少。且本文中的樁頂連梁樁的結(jié)構(gòu)與普通樁體結(jié)構(gòu)相似，因此越寬的梁不一定更好。連梁越寬，連梁與支座形成的封閉隔間越小，隔間內(nèi)被墻體側(cè)壁和上部支座包裹的土心的壓縮作用越明顯，其所能提供的摩擦阻力越小。同時(shí)，墻角越近，應(yīng)力集中的效果越明顯，從而使內(nèi)部土芯受到“墻群效應(yīng)”的干擾越大。土的承載力被削弱，需要地基承受更多的負(fù)荷[5]，導(dǎo)致連梁處的軸向力增加。除了對(duì)連梁有影響外，這種影響還將提高樁的負(fù)荷。在9000kN 下，連梁寬度為0．8m 的下層樁存在最大的軸向力，因此連梁樁將承受更大的載荷。

圖2 荷載沉降曲線

3.2 連梁長(zhǎng)度

連梁長(zhǎng)度的變化會(huì)影響梁與土的接觸面積，并改變樁距，這對(duì)地基的承載力有較大影響。連梁長(zhǎng)度（S）設(shè)定為1．4m、1．6m、1．8m、2．0m、2．2m，其余參數(shù)與初始模型保持一致。對(duì)不同梁長(zhǎng)的荷載-沉降曲線的分析顯示表明（圖3），沉降的幅度隨著梁長(zhǎng)的增加而減少。從1．4m 到1．6m，沉降減少了22．65%；從1．6m 到1．8m，沉降減少21．15%；從1．8m 到2．0m，減少16．74%，從2．0m 到2．2m，減少15．13%，沉降均有較大的變化。且連梁長(zhǎng)度的增加可以增加樁距，從而減少“樁群效應(yīng)”，進(jìn)而增加地基的承載力。連梁的能力隨著長(zhǎng)度的增加而增加，與樁的接觸面積和可以轉(zhuǎn)移到土壤中，載荷也會(huì)增加。

圖3 不同連梁寬條件下的中間樁軸向力

選擇中間的樁繪制軸向力分布曲線，如圖4 所示。連梁的長(zhǎng)度越大，相應(yīng)的連梁軸向力就越大?！皹度盒?yīng)”使連梁長(zhǎng)度為1．4m 時(shí)的樁身受到的干擾較大，軸向力較小，當(dāng)連梁長(zhǎng)度為1．4m 和1．6m 的連梁軸向力差異較大。在連梁長(zhǎng)度為4m 的較低荷載下，下層樁身的軸向力最小，在較高荷載下，樁身周圍的土體受到破壞，更多地依靠下層樁身來(lái)承受荷載，軸向力最大。當(dāng)連梁長(zhǎng)度為2．2m 時(shí)，在較低的荷載下軸力最大，但在較高的荷載下，樁身的軸力最小，連梁的軸力也比連梁長(zhǎng)度為2．0m 時(shí)小，與1．8m 時(shí)的軸力比較接近，這與前面的分析相反。當(dāng)連梁長(zhǎng)度為2．2m 時(shí)，“樁群效應(yīng)”降低，極限承載力明顯大于其余的樁群。由于在2．2m 處的效果還沒(méi)有達(dá)到，當(dāng)該組的其余結(jié)構(gòu)部分接近損壞時(shí)，其中心樁的軸向力較小。

圖4 荷載沉降曲線

為進(jìn)一步分析不同連梁長(zhǎng)度的影響，考慮了9000kN 的載荷，研究連梁的軸向力和土壓力，如圖5和圖6所示。連梁的軸向力隨著樁距的增加而穩(wěn)步增加。當(dāng)荷載為9000kN 時(shí)，連梁長(zhǎng)度值為1．8m、2．0m、2m 的連梁的軸向力沒(méi)有明顯差異，數(shù)值分布為2．0m＞1．8m＞2．2m。當(dāng)荷載較低時(shí)，連梁長(zhǎng)度值為2m 的連梁的拉力最大，隨著荷載的增加，上升速度穩(wěn)步下降。當(dāng)載荷從7500kN 增加到9000kN 時(shí)，連梁長(zhǎng)度值為1．4m 和1．6m 的連接梁的軸向力基本保持不變。此時(shí)，這兩個(gè)長(zhǎng)度的連梁基本上已經(jīng)失去了承載能力。對(duì)于不同連梁長(zhǎng)度值下的土壓力，與前面的分析一致，1．4m 和1．6m 的土壓力在6000kN后出現(xiàn)了明顯的變化（圖6），1．8m 在9000kN的荷載下表現(xiàn)出了下降的現(xiàn)象，這基本上是連梁長(zhǎng)度為1．8m 時(shí)的極限承載力，而2．0m 和2．2m 的土壓力則保持線性。基于以上分析，連梁樁結(jié)構(gòu)的連梁長(zhǎng)度不能選得太小，即連梁長(zhǎng)度至少要在1．8m 以上或4．5 倍樁徑，因?yàn)檫B梁長(zhǎng)度太小會(huì)造成“樁群效應(yīng)”，導(dǎo)致承載力降低。當(dāng)連梁長(zhǎng)度為2．2m 或5．5倍樁徑時(shí)，受“樁群效應(yīng)”影響較小。根據(jù)樁基的技術(shù)規(guī)范，當(dāng)樁群的連梁長(zhǎng)度超過(guò)樁徑的6 倍時(shí)，可以不考慮“樁群效應(yīng)”。上述研究表明，當(dāng)連梁長(zhǎng)度大于6倍樁徑時(shí)，連梁樁結(jié)構(gòu)基本上可以不考慮“樁群效應(yīng)”，因?yàn)楹茈y準(zhǔn)確核算單樁承載力或計(jì)算出樁群效率系數(shù)。

圖5 不同連梁長(zhǎng)度下的中間樁軸向力

圖6 連梁在不同連梁長(zhǎng)度下的軸向力

3.3 連接梁與樁的剛度比

連梁樁結(jié)構(gòu)中的連梁既能承受荷載又能傳遞荷載，連梁的剛度對(duì)結(jié)構(gòu)的整體荷載再分配有重要影響。以樁的彈性模量20GPa 為基準(zhǔn)，連梁的彈性模量分別為基準(zhǔn)值的0．5、1、1．5、5、10 倍。其余的參數(shù)與初始模型相同，連梁沉降量如圖7 所示。五種不同剛度下的荷載沉降曲線幾乎相同，相差僅1～2mm，說(shuō)明梁的剛度對(duì)垂直荷載下結(jié)構(gòu)沉降的影響幾乎為零。梁的剛度對(duì)連梁樁結(jié)構(gòu)支撐垂直荷載的能力沒(méi)有影響。

圖7 不同連梁長(zhǎng)度土壓力

通過(guò)改變連梁的剛度來(lái)改變結(jié)構(gòu)受力，提取不同剛度比的連梁樁的軸向力，如圖8 所示。在較高和較低的載荷下，軸向力的大小和分布基本相同。連梁剛度的增加對(duì)樁的軸向力有一定影響，但影響不大，主要是影響連梁軸力。在參考值的1．5 倍時(shí)，梁的軸向力最大，5 倍時(shí)最小，但幅度相近，因此梁的剛度對(duì)結(jié)構(gòu)的沉降影響較小。在樁和連梁的連接處，連梁的剛度越大，連接的曲線就越平滑，傳遞到下層樁的力就越大。連梁的剛度越大，并不意味著連梁將承擔(dān)更多的載荷，而是意味著連梁剛度將減少。

圖8 荷載沉降曲線

圖9 不同連梁剛度下的軸向力

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)有限元數(shù)值模擬，驗(yàn)證了連梁樁結(jié)構(gòu)的承載特性和有限元結(jié)果的可靠性，改變了連梁的寬度、長(zhǎng)度和剛度，分析了不同參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)承載力和受力形式的影響，并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化分析，主要結(jié)論如下。

連梁樁結(jié)構(gòu)的荷載-沉降曲線略有變化。與樁群基礎(chǔ)相比，其承載能力有很大提高，在198．52kPa 的荷載下，沉降量減少了45．10%。連梁樁基結(jié)構(gòu)的軸向力有明顯的驟減，連梁處的軸向力遠(yuǎn)大于樁基的軸向力，顯示出良好的豎向承載能力。在豎向加載過(guò)程中，連梁產(chǎn)生了較大的拉力來(lái)傳遞和分配荷載。

連梁越寬，沉降越小，垂直軸向力越高，由于“墻群效應(yīng)”，連梁的拉力越小。梁的寬度不宜過(guò)大，應(yīng)控制在3．5 倍樁徑以內(nèi)。

連梁樁結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，沉降量越小，承載力越大，梁的垂直軸力越大，水平軸力越小。梁長(zhǎng)與樁距相同，梁樁結(jié)構(gòu)過(guò)小時(shí)，受“樁群效應(yīng)”的影響較大。連梁的長(zhǎng)度應(yīng)控制在不小于4．5 倍樁徑，6 倍樁徑以上時(shí)可以不考慮“樁群效應(yīng)”。