全框支剪力墻結(jié)構(gòu)地基土嵌固效應(yīng)分析及研究

唐覓知，余 瑜

（1、中譽(yù)設(shè)計(jì)有限公司 廣東 清遠(yuǎn) 511518；2、廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 廣州 510010）

1 概況

隨著軌道交通的日益發(fā)達(dá)，城市規(guī)劃中越來越多采用以公共交通為導(dǎo)向的開發(fā)模式［1］，下部樓層建筑功能及綜合用途往往需要大開間的樓層空間，對(duì)上部高層剪力墻結(jié)構(gòu)的要求越來越高，要求盡量減少豎向構(gòu)件的分布。全框支剪力墻結(jié)構(gòu)通常指轉(zhuǎn)換層以下為蓋下結(jié)構(gòu)，由框支框架及普通框架組成，雙向均無剪力墻落地（或存在單向少量墻體）；轉(zhuǎn)換層以上為蓋上結(jié)構(gòu)，由剪力墻結(jié)構(gòu)或框架結(jié)構(gòu)組成，通過設(shè)置轉(zhuǎn)換層，可很好地解決上下功能不一致而產(chǎn)生的豎向構(gòu)件不連續(xù)問題。在《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程：廣東省標(biāo)準(zhǔn)DBJ/T 15-92—2021》中，補(bǔ)充了全框支剪力墻結(jié)構(gòu)的相關(guān)設(shè)計(jì)要點(diǎn)［2-4］。

全框支結(jié)構(gòu)中，上蓋豎向結(jié)構(gòu)由下蓋巨型框架全部轉(zhuǎn)換［5-8］，下蓋結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)多為單柱單樁的基礎(chǔ)形式，受力特點(diǎn)較為復(fù)雜，而軟弱地基為建筑施工工程常見類型，軟弱土具有高壓縮性、低滲透性、抗剪強(qiáng)度較低、高流變性等特性，主要包括淤泥、淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土和雜填土等，不同類別地基土對(duì)于該結(jié)構(gòu)體系的嵌固效應(yīng)的研究還有未完善的區(qū)域［9］。故針對(duì)這種新型結(jié)構(gòu)，本研究擬通過建立地基土-樁-上部結(jié)構(gòu)模型，探索地基土對(duì)結(jié)構(gòu)的嵌固效應(yīng)，以及探究水平作用下，基礎(chǔ)樁在不同地基土約束下的靜力響應(yīng)情況。

選取一棟典型的地鐵車輛段上蓋，由巨柱框架轉(zhuǎn)換上蓋剪力墻的全框支剪力墻結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)布置及剖面示意如圖1所示，首層、2層（轉(zhuǎn)換層）、3層層高依次為12.0 m、6.8 m、6.2 m，4～36 層為標(biāo)準(zhǔn)層，層高2.9 m，總建筑結(jié)構(gòu)高度為120.7 m（B 級(jí)高度）。設(shè)計(jì)使用年限為50 年，耐久性設(shè)計(jì)年限為100 年，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)。本項(xiàng)目抗震設(shè)防烈度為7 度（0.10g），設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場(chǎng)地類別為Ⅱ類，本工程屬于丙類。

圖1 轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)平面布置及剖面示意圖Fig.1 The Plan View of the Transfer Floor Structure and the Generalized Section （mm）

2 模型情況

使用MIDAS GTS 軟件對(duì)8 種不同的地基土進(jìn)行模擬，探究水平作用下的樁頂位移情況，模型的基本情況如圖2 所示。整體模型由地上全框支結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)樁和地基土層3 部分組成，邊界條件為對(duì)土層的四周設(shè)置粘彈性阻尼邊界，底面位置設(shè)置彈簧單元約束，對(duì)樁所端設(shè)置6個(gè)自由度的約束。對(duì)模型進(jìn)行X向及Y向的規(guī)范反應(yīng)譜分析［3］及風(fēng)工況靜力分析。典型樁位置示意圖如圖3所示。

圖3 典型樁位置示意圖Fig.3 The Plan View of Typical Pile

采用桿單元模擬梁、柱、樁，殼單元模擬剪力墻、樓板及框支轉(zhuǎn)換梁，以及實(shí)體單元模擬地基土層。材料參數(shù)詳表1，混凝土和鋼筋采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（2015 年版）：GB 50010—2010》［9］附錄C 的本構(gòu)方程，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，鋼筋強(qiáng)度為HRB400，地基土層采用各向同性莫爾-庫(kù)倫模型［10］，根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50007-2011》及實(shí)際項(xiàng)目地勘資料取值。

表1 地基土參數(shù)Tab.1 Parameter Table of Foundation Soil

對(duì)8 種不同地基土的模型依次編號(hào)為T1～T8，對(duì)應(yīng)土質(zhì)分別為淤泥Ⅰ、淤泥Ⅱ、粉砂松散、粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化、密實(shí)砂土、強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化。

3 分析結(jié)果

對(duì)8個(gè)模型在水平作用下的樁的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行整理與分析，以EX+水平地震作用為例，T1、T3、T4、T8樁的整體位移表現(xiàn)詳圖4。可知，水平地震作用下，樁頂位移較大位置集中在蓋上結(jié)構(gòu)的投影范圍內(nèi)。隨著土層變形模量增加，土質(zhì)情況越好，樁頂側(cè)向位移減小，EX+反應(yīng)譜下，T1 淤泥Ⅰ模型中樁頂最大位移達(dá)133.0 mm；T3粉砂松散和T4粉質(zhì)黏土模型中依次為36.5 mm和25.3 mm，T8中風(fēng)化模型中為3.5 mm，EY+反應(yīng)譜下，4個(gè)模型的樁頂最大位移依次為153.0 mm、35.8 mm、25.4 mm 和2.5 mm。一般工程中，基礎(chǔ)樁的樁端入巖深度為1～2 倍樁徑，樁承載力由樁身提供，結(jié)合T8 中風(fēng)化模型中，樁端2～3 m 處存在1～3.5 mm的變形，可判斷上部結(jié)構(gòu)已基本嵌固在樁頂處，后續(xù)論述中以2.5 mm 為界限，水平位移小于2.5 mm 的樁已基本嵌固在土層中。

圖4 EX+反應(yīng)譜下樁整體位移Fig.4 The Whole Displacement of Piles under the EX+ Response Spectrum

圖4 中圖例的一格表示約為1.94 m，最大位移及樁嵌固深度匯總詳見表2、表3。

表2 X向作用下最大位移及樁嵌固深度匯總Tab.2 The Embedded Depth of Piles under X-direction Horizontal Load Cases

表3 Y向作用下最大位移及樁嵌固深度匯總Tab.3 The Embedded Depth of Piles under Y-direction Horizontal Load Cases

X向水平作用下，由表2 中可知，隨著土質(zhì)強(qiáng)度的減弱，樁頂位移增加，樁的嵌固深度增加。T1 淤泥Ⅰ模型在地震工況下，在本計(jì)算模型中無法形成嵌固端，樁底隨模型的邊界約束在底部。在T3 粉砂松散和T4 粉質(zhì)黏土模型中，嵌固深度較為接近，土層的變形模量對(duì)本對(duì)比模型中的樁嵌固深度影響較大，變形模量為12 000～25 000 kN/m2的土層，嵌固深度約30～33 m。對(duì)比地震工況和風(fēng)工況，本模型受地震作用的影響較大，風(fēng)荷載作用下，樁頂位移較小、樁嵌固長(zhǎng)度減小。

由上述可知，對(duì)于全框支結(jié)構(gòu)，單柱單樁的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)情況下，樁頂?shù)那豆涛恢门c地基土質(zhì)情況有關(guān)，土質(zhì)的變形模量越大，剛度越大，土質(zhì)越好。樁頂位移較小時(shí)，方可認(rèn)為上部結(jié)構(gòu)是嵌固在樁頂，即柱底嵌固于基礎(chǔ)頂面，否則嵌固位置會(huì)隨土質(zhì)軟弱而下移，在設(shè)計(jì)時(shí)有必要將一定樁長(zhǎng)范圍考慮進(jìn)設(shè)計(jì)模型中，并對(duì)該范圍的樁進(jìn)行構(gòu)件設(shè)計(jì)及構(gòu)造加強(qiáng)。

Y向水平作用下，由表3 可知，樁的位移響應(yīng)和X向作用下的樁位移響應(yīng)類似，其中Y向作用下的樁頂位移較大，該差異主要是與上蓋結(jié)構(gòu)的剛度有關(guān)，上蓋結(jié)構(gòu)的Y向剛度較X向弱，使得Y向的結(jié)構(gòu)變形較大。

對(duì)8 個(gè)模型在4 個(gè)水平作用工況下的樁頂最大位移進(jìn)行提取與數(shù)據(jù)擬合，樁頂位移和土變形模量關(guān)系如圖5 所示?？芍谠撃Ｐ偷臈l件下，4 個(gè)工況下的最大樁頂位移與土層的變形模量大致呈y=a·x-b的關(guān)系，其中a值與分析工況有較大關(guān)系，可能還與上部結(jié)構(gòu)體型及剛度等有關(guān)系；b值約為0.7～0.8，b值體現(xiàn)了樁的位移隨土層的變形模量增加而減小的情況，地震工況下b值約0.75，風(fēng)工況下b值約0.73。

土的變形模量較小時(shí)，土質(zhì)軟弱，在水平作用工況下，使得樁頂產(chǎn)生較大的位移，由于位移的存在，豎向荷載的下傳在樁頂處形成偏心，因而引起對(duì)樁身的附加彎矩。土質(zhì)越軟弱時(shí)，該附加彎矩會(huì)成倍放大，因此在樁設(shè)計(jì)時(shí)，需考慮水平作用力下的樁頂位移引起的樁身附加彎矩，對(duì)樁進(jìn)行樁身抗彎設(shè)計(jì)及相應(yīng)的構(gòu)造加強(qiáng)。

4 結(jié)論

⑴通過使用MIDAS GTS 軟件對(duì)8 種不同地基土的單柱單樁模型進(jìn)行反應(yīng)譜及風(fēng)工況靜力分析，土質(zhì)的強(qiáng)弱情況會(huì)影響樁頂?shù)奈灰坪蜆兜那豆躺疃?，隨著土的變形模量減小，土層剛度越小，樁頂位移越大，樁的嵌固深度越大。水平作用下，樁頂位移較大值集中在蓋上結(jié)構(gòu)的投影范圍內(nèi)。

⑵水平作用下的最大樁頂位移與土層的變形模量大致呈y=a·x-b的關(guān)系，其中a值與分析工況有較大關(guān)系，可能還與上部結(jié)構(gòu)體型及剛度等有關(guān)系，b值約為0.7～0.8，b值體現(xiàn)了樁的位移隨土層的變形模量增加而減小的情況，地震工況下b值約0.75，風(fēng)工況下b值約0.73。由于樁頂會(huì)產(chǎn)生較大的位移，位移的存在導(dǎo)致豎向荷載的下傳在樁頂處形成偏心，因此引起對(duì)樁身的附加彎矩。土質(zhì)越軟弱時(shí)，樁需要的嵌固深度越長(zhǎng)。因此樁設(shè)計(jì)時(shí)，在樁的嵌固深度范圍內(nèi)，需考慮由于水平作用下的樁頂位移引起的樁身附加彎矩，對(duì)樁進(jìn)行樁身抗彎設(shè)計(jì)及相應(yīng)的構(gòu)造加強(qiáng)。