竖向荷载作用下连梁桩结构基础梁承载力试验分析

梁 宸 （安徽省建筑科学研究设计院，安徽 合肥 230031）

1 引言

连梁结构在桩基中被广泛使用。抗滑桩顶部的连梁可以将不同位置的桩连接成一个整体结构，使桩受到均匀的力和变形，增强桩土的相互作用。桩顶与联结梁相连的结构在道路地基中也有发现，可以有效抑制路堤的侧向变形，提高路堤的稳定性[1]。在此基础上，本文将连梁结构引入到高层建筑的地基中，提出一种改进的桩群地基，称为连梁桩结构地基。通过将梁与桩群基础的桩身顶部刚性连接，可以作为传力结构将荷载均匀地传递到各下层桩身，并自身承担部分荷载。极大增加了桩群基础的承载力，改善了差异沉降现象[2]。与异型截面桩相比，连梁结构的下部仍然是普通的圆桩，而梁结构的上部是地梁或地下连续墙，其施工方法已经非常成熟，简单、造价低[3]。目前对连梁桩结构的研究大多是对稳定性和水平承载力的考虑，而对各种梁体参数和竖向承载力的优化关注很少。在本研究中，采用3m×3m 的桩群构建了一个连梁桩的设计，并利用有限元软件对梁的宽度、长度和刚度进行了调整，得到了梁的最佳结构参数，为地基处理提供新的建议。

2 实验方案

在岩土工程中，能否真实地反映桩土相互作用对数值模拟软件提出了很高的要求，ABAQUS 基于Mohr-Coulomb屈服准则的理想弹塑性模型是模拟土的非线性特征最广泛的应用。因此本文建立了一个3m×3m 桩群连梁桩结构的尺规模型进行分析。桩体定义为弹性，桩体和连梁桩结构高度共10m，桩径取0．2m，桩间距为1．8m，连梁宽度为0．5m，桩体与高度为0．5m 的承台相连，土体选择Mohr-Coulomb 主模型，保证从桩体到边界有足够的空间来抵消边界效应。土体的长度为24m，宽度为24m，高度为20m。桩与土壤的方向接触采用“硬”接触[4]，限制桩进入土壤，切向接触采用“罚”函数来定义摩擦，摩擦系数是土壤内摩擦角的正切值。为了限制模型在计算过程中在刚体中移动，土壤周围和底部的位移在法线方向被设置为零。首先施加一个地应力平衡，然后在承载平台表面施加一个垂直载荷。网格单元由C3D8R 划分，并对桩土接触区的网格进行了适当的细化。

为了计算连梁和桩之间的轴向力，将数值模型的测量点设置为每个桩有六个应变片，顶部连梁有两个应变片。将自然密度为1．94g/cm3的黄土分层压实，并在模型中进行平整，以达到作为地基填料的一致性。装载设备使用一个10t的液压千斤顶，总共有八级装载。每一级荷载转换后为28．36kPa，当每一级荷载稳定后再进行下一级荷载，如图1所示。

图1 网格划分

3 连梁的优化分析

连梁桩结构的桩距、桩长和长径比都会对桩的承载能力和受力方式产生显著影响。而在连梁桩结构中，连梁的宽度、长度和刚度起着重要作用。在前述模型的基础上，连梁的宽度（D）、长度（S）和刚度是变化的。然后对其施加9000kN的竖向荷载，分析各种因素对连梁桩结构的承载特性和荷载传递状况的影响，并作为连梁桩结构最佳设计的指导。

3.1 连梁宽度

较大的荷载可以通过连梁与垂直荷载下的桩体连接处的可变截面来承载并传递到土壤中。不同的连梁宽度会改变横截面积，对连梁桩结构的承载能力有很大影响。连梁宽度（D）分别为0．4m、0．5m、0．6m、0．7m 和0．8m，其余参数保持不变，建立模型并提取沉降量，如图1所示。连梁宽度和结构的沉降存在负相关；沉降随着连梁宽度的减少而增加。两者之间有明显的差异，在9000kN 荷载下的最大沉降为233．59mm，最小沉降为162．86mm，相差30．28%。当连梁宽度为0．4 和0．5m 时，沉降量比较接近，对承载力的提高不明显，在9000kN仅相差3．11%，而D 在0．5m 至0．8m 时可减少沉降8．25%、11．17%和11．65%，连梁宽度对结构的沉降影响比较明显。

选取中桩的轴向力进而来分析结构的受力情况，如图2 所示。在不同的载荷下，轴向力的分布基本相同，随着连梁宽度的减小而增加。连梁桩越宽，连接处的接触面积就越大，转移到土壤中的荷载就越多，连梁桩和下层桩所承受的荷载就越少。且本文中的桩顶连梁桩的结构与普通桩体结构相似，因此越宽的梁不一定更好。连梁越宽，连梁与支座形成的封闭隔间越小，隔间内被墙体侧壁和上部支座包裹的土心的压缩作用越明显，其所能提供的摩擦阻力越小。同时，墙角越近，应力集中的效果越明显，从而使内部土芯受到“墙群效应”的干扰越大。土的承载力被削弱，需要地基承受更多的负荷[5]，导致连梁处的轴向力增加。除了对连梁有影响外，这种影响还将提高桩的负荷。在9000kN 下，连梁宽度为0．8m 的下层桩存在最大的轴向力，因此连梁桩将承受更大的载荷。

图2 荷载沉降曲线

3.2 连梁长度

连梁长度的变化会影响梁与土的接触面积，并改变桩距，这对地基的承载力有较大影响。连梁长度（S）设定为1．4m、1．6m、1．8m、2．0m、2．2m，其余参数与初始模型保持一致。对不同梁长的荷载-沉降曲线的分析显示表明（图3），沉降的幅度随着梁长的增加而减少。从1．4m 到1．6m，沉降减少了22．65%；从1．6m 到1．8m，沉降减少21．15%；从1．8m 到2．0m，减少16．74%，从2．0m 到2．2m，减少15．13%，沉降均有较大的变化。且连梁长度的增加可以增加桩距，从而减少“桩群效应”，进而增加地基的承载力。连梁的能力随着长度的增加而增加，与桩的接触面积和可以转移到土壤中，载荷也会增加。

图3 不同连梁宽条件下的中间桩轴向力

选择中间的桩绘制轴向力分布曲线，如图4 所示。连梁的长度越大，相应的连梁轴向力就越大。“桩群效应”使连梁长度为1．4m 时的桩身受到的干扰较大，轴向力较小，当连梁长度为1．4m 和1．6m 的连梁轴向力差异较大。在连梁长度为4m 的较低荷载下，下层桩身的轴向力最小，在较高荷载下，桩身周围的土体受到破坏，更多地依靠下层桩身来承受荷载，轴向力最大。当连梁长度为2．2m 时，在较低的荷载下轴力最大，但在较高的荷载下，桩身的轴力最小，连梁的轴力也比连梁长度为2．0m 时小，与1．8m 时的轴力比较接近，这与前面的分析相反。当连梁长度为2．2m 时，“桩群效应”降低，极限承载力明显大于其余的桩群。由于在2．2m 处的效果还没有达到，当该组的其余结构部分接近损坏时，其中心桩的轴向力较小。

图4 荷载沉降曲线

为进一步分析不同连梁长度的影响，考虑了9000kN 的载荷，研究连梁的轴向力和土压力，如图5和图6所示。连梁的轴向力随着桩距的增加而稳步增加。当荷载为9000kN 时，连梁长度值为1．8m、2．0m、2m 的连梁的轴向力没有明显差异，数值分布为2．0m＞1．8m＞2．2m。当荷载较低时，连梁长度值为2m 的连梁的拉力最大，随着荷载的增加，上升速度稳步下降。当载荷从7500kN 增加到9000kN 时，连梁长度值为1．4m 和1．6m 的连接梁的轴向力基本保持不变。此时，这两个长度的连梁基本上已经失去了承载能力。对于不同连梁长度值下的土压力，与前面的分析一致，1．4m 和1．6m 的土压力在6000kN后出现了明显的变化（图6），1．8m 在9000kN的荷载下表现出了下降的现象，这基本上是连梁长度为1．8m 时的极限承载力，而2．0m 和2．2m 的土压力则保持线性。基于以上分析，连梁桩结构的连梁长度不能选得太小，即连梁长度至少要在1．8m 以上或4．5 倍桩径，因为连梁长度太小会造成“桩群效应”，导致承载力降低。当连梁长度为2．2m 或5．5倍桩径时，受“桩群效应”影响较小。根据桩基的技术规范，当桩群的连梁长度超过桩径的6 倍时，可以不考虑“桩群效应”。上述研究表明，当连梁长度大于6倍桩径时，连梁桩结构基本上可以不考虑“桩群效应”，因为很难准确核算单桩承载力或计算出桩群效率系数。

图5 不同连梁长度下的中间桩轴向力

图6 连梁在不同连梁长度下的轴向力

3.3 连接梁与桩的刚度比

连梁桩结构中的连梁既能承受荷载又能传递荷载，连梁的刚度对结构的整体荷载再分配有重要影响。以桩的弹性模量20GPa 为基准，连梁的弹性模量分别为基准值的0．5、1、1．5、5、10 倍。其余的参数与初始模型相同，连梁沉降量如图7 所示。五种不同刚度下的荷载沉降曲线几乎相同，相差仅1～2mm，说明梁的刚度对垂直荷载下结构沉降的影响几乎为零。梁的刚度对连梁桩结构支撑垂直荷载的能力没有影响。

图7 不同连梁长度土压力

通过改变连梁的刚度来改变结构受力，提取不同刚度比的连梁桩的轴向力，如图8 所示。在较高和较低的载荷下，轴向力的大小和分布基本相同。连梁刚度的增加对桩的轴向力有一定影响，但影响不大，主要是影响连梁轴力。在参考值的1．5 倍时，梁的轴向力最大，5 倍时最小，但幅度相近，因此梁的刚度对结构的沉降影响较小。在桩和连梁的连接处，连梁的刚度越大，连接的曲线就越平滑，传递到下层桩的力就越大。连梁的刚度越大，并不意味着连梁将承担更多的载荷，而是意味着连梁刚度将减少。

图8 荷载沉降曲线

图9 不同连梁刚度下的轴向力

4 结语

本文通过有限元数值模拟，验证了连梁桩结构的承载特性和有限元结果的可靠性，改变了连梁的宽度、长度和刚度，分析了不同参数对结构承载力和受力形式的影响，并对结构进行了优化分析，主要结论如下。

连梁桩结构的荷载-沉降曲线略有变化。与桩群基础相比，其承载能力有很大提高，在198．52kPa 的荷载下，沉降量减少了45．10%。连梁桩基结构的轴向力有明显的骤减，连梁处的轴向力远大于桩基的轴向力，显示出良好的竖向承载能力。在竖向加载过程中，连梁产生了较大的拉力来传递和分配荷载。

连梁越宽，沉降越小，垂直轴向力越高，由于“墙群效应”，连梁的拉力越小。梁的宽度不宜过大，应控制在3．5 倍桩径以内。

连梁桩结构的长度越长，沉降量越小，承载力越大，梁的垂直轴力越大，水平轴力越小。梁长与桩距相同，梁桩结构过小时，受“桩群效应”的影响较大。连梁的长度应控制在不小于4．5 倍桩径，6 倍桩径以上时可以不考虑“桩群效应”。