風(fēng)機(jī)梁板式樁筏基礎(chǔ)承載特性大型模型試驗研究

木林隆 ，連柯楠 ，黃茂松 ，李大鈞

（1.同濟(jì)大學(xué) 巖土與地下工程教育部重點實驗室，上海 200092；2.同濟(jì)大學(xué) 地下建筑與工程系，上海 200092；3.國華能源投資有限公司，北京 100007）

1 引 言

梁板式樁筏基礎(chǔ)是樁筏基礎(chǔ)的一種，可以有效地增加基礎(chǔ)的整體性、減少地基附加壓力、減少沉降。傳統(tǒng)梁板式樁筏基礎(chǔ)往往應(yīng)用于房屋建筑中，近年來，因梁板式樁筏基礎(chǔ)較重力式基礎(chǔ)而言具有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，因而被應(yīng)用于風(fēng)電基礎(chǔ)建設(shè)中[1]，形成了新型的風(fēng)機(jī)梁板式樁筏基礎(chǔ)。但該梁板式基礎(chǔ)由于結(jié)構(gòu)和力學(xué)機(jī)制復(fù)雜，理論研究嚴(yán)重滯后于生產(chǎn)實踐，對該梁板式基礎(chǔ)受力變形特性認(rèn)識并不充分，其設(shè)計往往依賴于工程類比和工程經(jīng)驗，從而限制了它的大面積推廣使用。因此，對梁板式樁筏基礎(chǔ)的受力變形特性展開研究，對其在實踐中的廣泛應(yīng)用創(chuàng)造巨大經(jīng)濟(jì)價值具有重要的意義。

傳統(tǒng)梁板式基礎(chǔ)的研究往往局限于高層建筑下倒梁式的梁板式淺基礎(chǔ)，且傳統(tǒng)設(shè)計方法往往不考慮柱、樁對梁板式基礎(chǔ)剛度的影響[2]。目前對傳統(tǒng)樁筏基礎(chǔ)的研究較為成熟，方法也較多，包括邊界元法[3-4]、變分法[5-6]、剪切位移法[7]、彈性理論法[8-9]等理論方法、有限元方法[10]以及現(xiàn)場試驗[11]和模型試驗[12]等試驗方法。但目前針對樁筏基礎(chǔ)的研究較少直接考慮梁板式基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)共同作用，尚沒有直接針對梁板式樁筏基礎(chǔ)的計算理論，只能采用梁板式基礎(chǔ)與樁基礎(chǔ)分開設(shè)計，從而不能避免地?zé)o法考慮梁板式基礎(chǔ)及樁基礎(chǔ)剛度相互影響的缺點。因此，要形成成熟的梁板式樁筏基礎(chǔ)設(shè)計方法有必要先對風(fēng)機(jī)梁板式樁筏基礎(chǔ)的受力變形特性展開試驗研究，了解其受力變形機(jī)制與特點。

本文通過室內(nèi)大尺寸模型試驗，分析了梁板式樁筏基礎(chǔ)在豎向荷載作用下基礎(chǔ)內(nèi)環(huán)梁、肋梁、樁、樁底土等各元件的受力變形特性以及各元件受力變形特性隨荷載變化的規(guī)律，為梁板式樁筏基礎(chǔ)的計算設(shè)計提供了參考。

2 試驗準(zhǔn)備

2.1 試驗設(shè)備

本次模型試驗采用同濟(jì)大學(xué)軟土物理模型試驗系統(tǒng)（見圖1）。模型槽（凈）幾何尺寸為長×寬×高=3.0 m×2.1 m×3.0 m，槽底及槽壁均采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，壁厚為0.3 m，模型槽地下1.8 m，地上1.2 m。物理模型試驗加載系統(tǒng)采用鑄鐵框架結(jié)構(gòu)，液壓加載作動器安裝在可以水平X 方向和Y 方向移動的平臺上，具有良好的保載性能，可進(jìn)行恒試驗力、恒變形試驗，可實現(xiàn)力、位移兩種控制方式，設(shè)備有效量力范圍為2～100 kN。

圖1 軟土物理模型試驗系統(tǒng)及模型槽Fig.1 Physical model test system and model tank for soft ground

應(yīng)變片共36 片，采用浙江黃巖傳感器廠生產(chǎn)的BHF-120-2AA 型應(yīng)變片，柵長×柵寬=2 mm×1 mm，電阻值為120±2 ?，靈敏系數(shù)為2.06±1%。振弦式土壓力盒共3 個，光電抽角編碼器2 個。

2.2 相似關(guān)系

該模型試驗?zāi)Ｐ透鶕?jù)國華東臺風(fēng)電場現(xiàn)場梁板式樁筏基礎(chǔ)進(jìn)行縮尺。由于在基礎(chǔ)模型進(jìn)行縮尺時土顆粒大小無法縮小，會給結(jié)構(gòu)-土之間的相互作用相似性帶來一定影響，因此，進(jìn)行大型的模型試驗可以較好地克服這一缺點。

本試驗采用1:20 的比尺進(jìn)行試驗。根據(jù)確定基于材料層面相似關(guān)系的具體步驟以及該試驗為靜力試驗，忽略加速度對試驗的影響?？梢缘玫礁魑锢砹恐g相似常數(shù)滿足的相似關(guān)系，見表1。

表1 模型相似關(guān)系Table 1 Model similar relationships

2.3 模型制作

根據(jù)相似關(guān)系確定的比尺，梁板式樁筏基礎(chǔ)的尺寸和形式如圖2 所示。整個模型使用鋁合金材料制作?；A(chǔ)的承臺和管樁分別制作，制作完成后將兩部分用螺栓連接。基礎(chǔ)承臺為六角形，包括6 根肋梁（見圖3），15 根基樁采用鋁合金材料，基樁的形式如圖4 所示。樁有兩種長度，12 根長為1.1 m和3 根長為1.2 m，管樁外徑為30 mm，內(nèi)徑17 mm（見圖4）。其中，承臺中部3 根管樁為1.2 m，承臺外圈管樁12 根樁為1.1 m。兩種樁型承臺底部至樁底的長度均為1 m。

3 試驗過程

試驗?zāi)Ｐ筒贾檬疽鈭D如圖5 所示。圖6、7 分別為布置好的樁基礎(chǔ)及梁板式樁筏基礎(chǔ)。布置過程中樁基礎(chǔ)需要嚴(yán)格定位以保證與梁板式承臺的連接。由于本文主要研究梁板式樁筏基礎(chǔ)的受力變形特性，且實踐證明梁板式樁筏基礎(chǔ)的承載力遠(yuǎn)高于設(shè)計要求，因此，本次試驗所施加的荷載為根據(jù)實際設(shè)計荷載兩倍相似比換算而來，取為30 kN，且荷載分10 級施加。

圖2 基礎(chǔ)模型（單位：mm）Fig.2 Foundation model(unit:mm)

圖3 基礎(chǔ)承臺Fig.3 Foundation platform

圖4 基礎(chǔ)管樁Fig.4 Pipe pile in foundation

圖5 模型槽布置（單位：mm）Fig.5 Layout of test tank(unit:mm)

圖6 模型樁基布置圖Fig.6 Layout of piles

圖7 梁板式樁筏基礎(chǔ)布置圖Fig.7 Layout of piled beam-slab foundation

4 試驗結(jié)果及分析

試驗對梁板式樁筏基礎(chǔ)進(jìn)行豎向加載分析，試驗中測定了加載過程中樁身軸力、梁身彎矩和筏板底部土壓力的變化，測試原件布置如圖2 所示。

圖8為基礎(chǔ)的荷載-沉降曲線，由圖可以看出，在荷載加至30 kN 時，地基土基本處于彈性階段，驗證了設(shè)計時采用彈性方法進(jìn)行設(shè)計是合理的。由于基礎(chǔ)剛度較小，承臺中央和角樁位置有比較明顯的差異沉降，但這在設(shè)計時并未考慮需，因此，要予以重視。

圖8 荷載-沉降曲線Fig.8 Q-S curves

圖9為距樁頂50、350、950 mm 3 個位置的樁1、樁2和樁3的軸力隨著上部荷載增大的變化曲線。由圖可知，隨著荷載變化樁身各點的軸力呈線性變化，說明在整個加載過程中樁土體系均處于彈性狀態(tài)。且由于受到側(cè)摩阻力的影響，樁頂軸力的變化速度較樁底軸力快。

圖10為樁基軸力分擔(dān)荷載百分比。由圖可知，隨著變形的增長，樁底土的承載作用得到發(fā)揮，樁基承擔(dān)的荷載減小，且土體壓密后基礎(chǔ)底部樁基承擔(dān)的荷載比例趨于一個穩(wěn)定的值，說明基礎(chǔ)底部樁土荷載分擔(dān)比主要取決于上部基礎(chǔ)的形式。對于該試驗，角樁與邊樁承擔(dān)的荷載較為接近，均為22%左右，而中心樁承擔(dān)的荷載較小為10%，剩余45%左右的荷載均由土體承載。因此，在設(shè)計過程中，對于具有一定柔性的梁板式基礎(chǔ)土體的承載作用不可忽略。而中心樁由于受樁-樁相互作用影響最大，發(fā)揮的承載作用最小，與黃茂松等[13]理論分析得出的結(jié)論一致。

圖9 樁身軸力隨荷載的變化Fig.9 Variation of axial force of pile with load

圖10 樁基荷載百分比Fig.10 Load percentage of pile foundation

圖11、12為環(huán)梁和肋梁彎矩沿梁身變化曲線。由圖11 可以看出，環(huán)梁中間上部受拉，而兩端下部受拉。這是由于在荷載傳遞過程中荷載通過肋梁傳遞給環(huán)梁和角樁，再由環(huán)梁傳遞給環(huán)梁中樁。環(huán)梁的最大彎矩值出現(xiàn)在角樁附近。隨著荷載的增大，環(huán)梁和肋梁的彎矩都呈線性的增大。肋梁的彎矩最大值出現(xiàn)在肋梁靠近承臺中央的位置。

圖13為基礎(chǔ)下部土壓力的測試結(jié)果。由圖可知，加載初期，承臺中央土體與肋梁間的邊緣土體承擔(dān)荷載基本一致，而隨著荷載的增加，在基礎(chǔ)中心土壓力增長較肋梁間土體的土壓力增長小。而按照圖8 所示，承臺中央變形較大，土體沉降較多，應(yīng)發(fā)揮更多承載力。黃茂松等[13]的理論分析很好地解釋了這一現(xiàn)象，在該基礎(chǔ)中央由于樁基比較密集，樁-土相互作用明顯，因而影響了土體承載力的發(fā)揮，因此，在設(shè)計計算中有必要考慮樁-土相互作用的影響。

圖11 環(huán)梁彎矩圖Fig.11 Bending moment diagram for ring beam

圖12 肋梁彎矩圖Fig.12 Bending moment diagram for ribbed beam

圖13 土壓力變化Fig.13 Variation of soil pressure

5 結(jié) 論

（1）梁板式樁筏基礎(chǔ)具有較高的承載能力，在工作荷載作用下梁板式樁筏基礎(chǔ)基本處于彈性狀態(tài)，可以采用彈性的方法進(jìn)行設(shè)計計算。

（2）由于梁板式樁筏基礎(chǔ)具有較大的柔性，在豎向荷載作用下承臺中央與邊緣具有較大的沉降差，特別是對于風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)這種對變形要求極為嚴(yán)格的基礎(chǔ)，目前設(shè)計均按照剛性承臺設(shè)計，在設(shè)計的時應(yīng)予以重視。

（3）在梁板式樁筏基礎(chǔ)設(shè)計時應(yīng)考慮樁-樁、樁-土相互作用，其對承臺底部樁土荷載分擔(dān)比及底部土壓力分布具有明顯的影響。

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