水平荷載下地下連續(xù)墻—樁組合基礎(chǔ)數(shù)值分析

劉聰，魏煥衛(wèi)*，張偉，楊慶義

（1.山東建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，山東濟(jì)南250014；2.山東電力工程咨詢?cè)海綎|濟(jì)南250013）

水平荷載下地下連續(xù)墻—樁組合基礎(chǔ)數(shù)值分析

劉聰1，魏煥衛(wèi)1*，張偉2，楊慶義2

（1.山東建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，山東濟(jì)南250014；2.山東電力工程咨詢?cè)海綎|濟(jì)南250013）

鑒于地下連續(xù)墻用材量較大的缺陷，研究一種新型基礎(chǔ)形式——地下連續(xù)墻與樁組合基礎(chǔ)，為地下連續(xù)墻新技術(shù)的發(fā)展提供理論依據(jù)。文章針對(duì)水平荷載作用下地下連續(xù)墻-樁組合基礎(chǔ)的水平承載性狀，采用有限差分軟件FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬分析，通過(guò)數(shù)值計(jì)算測(cè)點(diǎn)的位移、彎矩曲線研究，分析了組合基礎(chǔ)在不同水平荷載、不同長(zhǎng)度比、有無(wú)豎向荷載、土體彈性模量、內(nèi)摩擦角、粘聚力等因素影響下的水平變形及內(nèi)力變化規(guī)律。結(jié)果表明：荷載等級(jí)和墻樁長(zhǎng)度比對(duì)組合基礎(chǔ)的水平變形和內(nèi)力變化影響敏感度較為突出，地下連續(xù)墻與樁的長(zhǎng)度比為4∶6時(shí)設(shè)計(jì)更合理；組合基礎(chǔ)頂部以下1/2的部分是承擔(dān)大部分水平變形和內(nèi)力變化的位置，新型組合基礎(chǔ)的受力特性符合了變剛度設(shè)計(jì)新理念，即變形大的位置增加剛度，減小變形，而變形小的地方則減小剛度，節(jié)省費(fèi)用；新型組合基礎(chǔ)上部和地下連續(xù)墻與樁的連接處存在兩個(gè)最不利影響作用部位，需要著重考慮最不利影響問(wèn)題。

地下連續(xù)墻—樁組合基礎(chǔ)；水平荷載；數(shù)值模擬

0 引言

隨著工程水平的日益提高，地下基礎(chǔ)形式向大規(guī)模、大深度方向發(fā)展的進(jìn)程中，也遇到越來(lái)越多的問(wèn)題。如發(fā)電廠建筑尤其是主廠房及鍋爐等，因其工藝的特殊性，結(jié)構(gòu)往往承受很大的水平何載，并且水平荷載成為其主要的控制荷載［1］。目前，抵抗水平力的結(jié)構(gòu)構(gòu)件主要有基礎(chǔ)、樁、地下連續(xù)墻，其中水平受荷樁應(yīng)用最為廣泛。隨著建筑基礎(chǔ)承受較大水平力的情況越來(lái)越多，對(duì)樁的水平承載力提出更大的要求，常規(guī)提高樁的水平承載力的方法作用越來(lái)越有限；為此，作為抵抗水平荷載主要構(gòu)件的地下連續(xù)墻以其自身整體剛度大、安全性好等優(yōu)點(diǎn)逐步替代了樁基礎(chǔ)、沉箱基礎(chǔ)或沉井［2］，來(lái)承擔(dān)更大的荷載，使得承載性能優(yōu)越的地下連續(xù)墻得到了迅猛發(fā)展。地下連續(xù)墻有一個(gè)明顯的缺點(diǎn)即用材量較大。從材料使用角度來(lái)看，選用基礎(chǔ)時(shí)地下連續(xù)墻并沒(méi)有優(yōu)勢(shì)。從綠色經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)理念出發(fā)，研究一種新型基礎(chǔ)——地下連續(xù)墻與樁組合基礎(chǔ)。

在研究方法和理論研究方面，基于地下連續(xù)墻技術(shù)的不斷進(jìn)步，日本最先將樁基與地下連續(xù)墻結(jié)合，形成了一系列的組合基礎(chǔ)，地下連續(xù)墻與樁基協(xié)同工作，但大都用于承擔(dān)上部荷載（如用于既有建筑物的抗震抗液化基礎(chǔ)）［3-4］。戴國(guó)亮等對(duì)閉合式地下連續(xù)墻基礎(chǔ)的水平承載特性進(jìn)行了深入的探究［5］；郭河等對(duì)組合荷載作用下井筒式地下連續(xù)墻的水平承載機(jī)理進(jìn)行了數(shù)值模擬［6］；宋章通過(guò)分析閉合墻基礎(chǔ)的水平受力變形分布規(guī)律，得出了水平荷載下閉合墻基礎(chǔ)呈整體傾斜破壞特征［7］；魏煥衛(wèi)等對(duì)水平受荷樁的變形和受力規(guī)律進(jìn)行研究［8-9］；費(fèi)利婭等通過(guò)電廠樁基工程在非飽和黃土地層中水平荷載試驗(yàn)，得出樁—土共同作用時(shí)灌注樁的變形規(guī)律［10］；陳曉東等提出閉合型地下連續(xù)墻在水平荷載作用下的兩種工作狀態(tài)和作用機(jī)理［11］；張瑞棋等提出了在水平荷載作用下地下連續(xù)墻對(duì)周圍土體的擠壓作用規(guī)律［12］。雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者分別對(duì)地下連續(xù)墻和樁基礎(chǔ)做了大量的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬分析等，但是對(duì)于地下連續(xù)墻與樁這種新型組合基礎(chǔ)卻涉及很少。地下連續(xù)墻與樁組合基礎(chǔ)的工作機(jī)理極為復(fù)雜，在水平載荷方面，所做研究大多局限于對(duì)水平承載力的研究，沒(méi)有對(duì)水平承載性狀和機(jī)理作進(jìn)一步的探討。對(duì)地下連續(xù)墻與樁組合基礎(chǔ)的受力機(jī)理、承載能力、節(jié)點(diǎn)連接、施工工藝等方面尚未進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究，目前缺乏地下連續(xù)墻與樁組合設(shè)計(jì)施工的理論依據(jù)，其設(shè)計(jì)施工主要依靠自身的經(jīng)驗(yàn)，而無(wú)法依據(jù)共同作用機(jī)理進(jìn)行設(shè)計(jì)及施工。針對(duì)水平荷載對(duì)建筑物基礎(chǔ)影響的研究，文章通過(guò)FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，著重探究有限差分模型所涉及參數(shù)的改變對(duì)地下連續(xù)墻與樁組合基礎(chǔ)的水平變形和內(nèi)力變化的影響。

1 數(shù)值模型的建立

1.1 模型建立的基本原理

地下連續(xù)墻與樁組合基礎(chǔ)承受水平方向的荷載，實(shí)質(zhì)上就是地下連續(xù)墻與樁組合基礎(chǔ)和土的相互作用。采用FLAC3D軟件對(duì)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形進(jìn)行分析，把地下連續(xù)墻與樁的組合基礎(chǔ)作為剛性的接觸單元，而把地下連續(xù)墻與樁組合基礎(chǔ)的周圍土體作為柔性的接觸單元，從而形成接觸對(duì)。為了能夠真實(shí)合理的模擬組合基礎(chǔ)與土體的相互之間的作用，可以通過(guò)設(shè)定法向接觸的剛度因子、剪切向接觸的剛度因子、摩擦角以及粘聚力來(lái)真實(shí)地控制接觸面單元之間接觸的行為，并且允許地下連續(xù)墻與樁組合基礎(chǔ)與周圍土體可以相對(duì)的滑動(dòng)但是不會(huì)允許其相互分離。

1.2 模型基本假設(shè)

模型在計(jì)算中所遵循的基本假設(shè)：

（1）模型選用的土為均質(zhì)、連續(xù)且各向同性的理想彈塑性材料，選取的本構(gòu)模型為摩爾庫(kù)倫本構(gòu)模型；

（2）組合基礎(chǔ)材料看作各向同性的彈性材料，本構(gòu)模型選取的是彈性本構(gòu)模型；

（3）組合基礎(chǔ)與周圍土體可以相對(duì)的滑動(dòng)但是不會(huì)允許其相互分離，也就是處于接觸但滑動(dòng)狀態(tài)；

（4）考慮到在施工之前地下連續(xù)墻與樁組合基礎(chǔ)周圍的土體已經(jīng)完成了固結(jié)或者說(shuō)接近于固結(jié)，由此因自重所產(chǎn)生的初始的位移場(chǎng)必須消除，但是因自重產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)必須保留；

（5）不考慮地下水的影響。

1.3 模型的尺寸與邊界條件

組合基礎(chǔ)模型（如圖1所示）上部地下連續(xù)墻選取的形式是閉合“回”字形其水平方向上的長(zhǎng)度為5 m、寬度為3 m、豎直方向上的高度為3 m、墻厚為1 m；組合基礎(chǔ)下部樁長(zhǎng)為7 m，采用的是直徑為0.8 m混凝土樁，采用上下串聯(lián)方式，連接部分采用剛接。為了避免邊界效應(yīng)的影響，模型周圍土體尺寸取3倍模型的尺寸。根據(jù)實(shí)際工程中的受力情況和周圍土體對(duì)其組合基礎(chǔ)的影響效果等因素，模型的邊界條件為組合基礎(chǔ)及周圍土體頂部自由，模型底部采用兩個(gè)方向的固定邊界，模型兩側(cè)采用水平方向的固定邊界。由于側(cè)重考慮組合基礎(chǔ)受水平荷載的情況，因此加載方式采用在地下連續(xù)墻長(zhǎng)邊方向的頂部施加線荷載。

圖1 組合基礎(chǔ)模型圖

1.4 模型的計(jì)算參數(shù)

地下連續(xù)墻、樁和周圍土體均采用8個(gè)節(jié)點(diǎn)的實(shí)體六面體單元單元進(jìn)行模擬，模型包括392124網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)和115992個(gè)單元。實(shí)體單元能很好的滿足模擬實(shí)驗(yàn)的彈性以及理想彈塑性的要求，依據(jù)彈性理論和勘察報(bào)告中給出的壓縮模量，定義模型的計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1、2。

表1 土體的物理力學(xué)參數(shù)

表2 地下連續(xù)墻與樁組合基礎(chǔ)的物理力學(xué)參數(shù)

2 數(shù)值模擬影響因素分析

通過(guò)FLAC3D軟件后處理提取測(cè)點(diǎn)的位移和應(yīng)力，繪制位移和彎矩曲線，在此基礎(chǔ)上主要探索了組合基礎(chǔ)在不同等級(jí)的水平荷載、不同墻樁長(zhǎng)度比、有無(wú)豎向荷載，土體彈性模量、內(nèi)摩擦角、粘聚力等影響因素下水平變形及內(nèi)力變化規(guī)律。

2.1 不同的水平荷載對(duì)組合基礎(chǔ)水平變形和內(nèi)力的影響

在水平荷載的作用下，組合基礎(chǔ)的受力性狀極為復(fù)雜，其中涉及到樁組合基礎(chǔ)和組合基礎(chǔ)的內(nèi)芯土、周圍土體之間的相互作用，以及組合基礎(chǔ)地下連續(xù)墻與樁剛接處受土面積突變等原因。水平承載能力不僅跟組合基礎(chǔ)的整體剛度、材料強(qiáng)度有關(guān)，同時(shí)也很大程度上取決于組合基礎(chǔ)內(nèi)部土體與周圍土體的橫向抗力。在水平荷載作用下，組合基礎(chǔ)克服自身材料強(qiáng)度產(chǎn)生撓曲變形，隨著撓曲變形的作用，土體受到擠壓而產(chǎn)生抗力，這一抗力將阻止組合基礎(chǔ)撓曲變形的進(jìn)一步發(fā)展，從而構(gòu)成了復(fù)雜的相互作用體系［13］。

考慮不同水平荷載條件下對(duì)組合基礎(chǔ)的變形和彎距進(jìn)行計(jì)算分析。由圖2（a）可知，組合基礎(chǔ)的水平變形絕大部分發(fā)生在上部地下連續(xù)墻處；不同水平荷載作用下，反彎點(diǎn)的位置受水平荷載的影響較小；隨著入土深度的增加，組合基礎(chǔ)的水平變形規(guī)律和梁板的撓曲變形十分相似。組合基礎(chǔ)的側(cè)向變形隨深度逐漸趨于定值，說(shuō)明下部樁對(duì)于控制水平變形所起到的作用很小，所以對(duì)組合基礎(chǔ)下部樁的參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)可以考慮選取合理樁長(zhǎng)。

由圖2（b）可知，組合基礎(chǔ)的彎矩隨著入土深度的增加，呈先減小后增大的趨勢(shì)，在組合基礎(chǔ)地下連續(xù)墻與樁的連接部位達(dá)到彎矩的最大值，最后隨深度逐漸趨于定值零；彎矩變化是呈非線性變化；隨著荷載的增加，彎矩值也相應(yīng)的表現(xiàn)出變大的趨勢(shì)。不同的水平荷載影響下水平位移與水平荷載的關(guān)系曲線圖如圖3所示。由圖3可以看出，隨著水平荷載的增加，組合基礎(chǔ)水平位移與水平荷載的關(guān)系曲線呈非線性，表明上部土體出現(xiàn)塑性區(qū)。

不同的水平荷載影響下組合基礎(chǔ)的水平變形和彎矩曲線形成的原因是組合基礎(chǔ)隨著入土深度的增加，土對(duì)組合基礎(chǔ)的反向作用力也逐步增加，土對(duì)組合基礎(chǔ)的反向作用力很好的抵消部分組合基礎(chǔ)的水平推力；此外組合基礎(chǔ)在水平力、側(cè)摩阻力以及組合

圖2 不同的水平荷載影響下組合基礎(chǔ)的水平變形和彎矩圖

基礎(chǔ)內(nèi)外土芯擠壓共同作用下形成了非常復(fù)雜的受力體系。地下連續(xù)墻與樁剛接處反向彎矩達(dá)到最大值，是由于兩者受土面積存在很大差異以及兩者的剛度突變等因素造成的；組合基礎(chǔ)下半部分的彎矩和位移趨于零，則是由于水平力對(duì)組合基礎(chǔ)的作用效果隨著入土深度的增加逐漸消散，上部荷載沒(méi)有傳遞到底部的原因。因此在實(shí)際工程中可以增加上部的配筋率的同時(shí)減小下部的配筋率［9］。

2.2 不同長(zhǎng)度比對(duì)組合基礎(chǔ)水平變形和內(nèi)力的影響

考慮地下連續(xù)墻與樁在不同墻樁長(zhǎng)度比條件下對(duì)組合基礎(chǔ)的水平變形和彎距的影響，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖3 不同的水平荷載影響下水平位移與水平荷載的關(guān)系曲線圖

圖4 不同長(zhǎng)度比影響下組合基礎(chǔ)的水平變形和彎矩圖

由圖4（a）可知，水平荷載作用下，組合基礎(chǔ)的水平變形主要發(fā)生在上部，說(shuō)明組合基礎(chǔ)的上部是承擔(dān)水平荷載的主要部分；四種不同長(zhǎng)度比條件下，組合基礎(chǔ)水平位移的分布趨勢(shì)十分相似；隨著地下連續(xù)墻與樁長(zhǎng)度比的增大，反方向位移的最大值相應(yīng)地減小，同時(shí)反彎點(diǎn)的位置逐漸降低，在長(zhǎng)度比3∶7和長(zhǎng)度比4∶6的兩種情況下反彎點(diǎn)相對(duì)趨于穩(wěn)定；不同墻樁長(zhǎng)度比的組合基礎(chǔ)反向位移最大值點(diǎn)存在差異，按照不同的組合方式共分為：墻樁比1∶9的組合基礎(chǔ)反向位移最大值點(diǎn)位于-1 m附近；墻樁比2∶8的組合基礎(chǔ)反向位移最大值點(diǎn)位于-2 m附近；墻樁比3∶7的組合基礎(chǔ)反向位移最大值點(diǎn)位于-3 m附近；墻樁比4∶6的組合基礎(chǔ)反向位移最大值點(diǎn)位于-4 m附近。即不同墻樁長(zhǎng)度比的組合基礎(chǔ)反向最大位移點(diǎn)位于地下連續(xù)墻與樁剛接的部位附近，即由于剛度突變?cè)虼颂幋嬖谧畈焕绊懽饔茫纱丝芍趯?shí)際工程中，地下連續(xù)墻與樁剛接處是工程設(shè)計(jì)需要特別關(guān)注的部位。

圖4（b）是不同長(zhǎng)度比對(duì)組合基礎(chǔ)內(nèi)力的影響，隨著墻樁長(zhǎng)度比由小變大，組合基礎(chǔ)負(fù)彎矩最大值逐漸增大，說(shuō)明隨著地下連續(xù)墻所占比重的增加，組合基礎(chǔ)的水平抗彎能力有了明顯提高，這是由于地下連續(xù)墻所占比重增加導(dǎo)致組合基礎(chǔ)整體剛度提高，進(jìn)而提高了組合基礎(chǔ)的水平抗彎能力；但是隨著長(zhǎng)度比逐漸變大，負(fù)彎矩最大值的增長(zhǎng)趨勢(shì)逐漸變緩，最后負(fù)彎矩最大值趨于穩(wěn)定，因此在實(shí)際工程中對(duì)組合基礎(chǔ)要選取合理的墻樁長(zhǎng)度比，避免造成材料得不到充分利用，產(chǎn)生浪費(fèi)。由圖5可以看出組合基礎(chǔ)水平位移與不同長(zhǎng)度比呈非線性關(guān)系，墻樁長(zhǎng)度比不同，地下連續(xù)墻與樁對(duì)水平荷載的分擔(dān)比不同。

不同長(zhǎng)度比影響下組合基礎(chǔ)的水平變形和彎矩曲線形成的原因：水平荷載通過(guò)組合基礎(chǔ)上部的地下連續(xù)墻傳遞到深層土中，隨著長(zhǎng)度比的不斷增加，水平荷載可以更多的往下傳遞，使復(fù)合基礎(chǔ)的水平承載能力增大；墻樁長(zhǎng)度比較小時(shí)，組合基礎(chǔ)上部的地下連續(xù)墻呈現(xiàn)為剛性狀態(tài)，類似于“剛性短樁”的力學(xué)特性［11］，自身彎曲能力很小。而隨著長(zhǎng)度比逐漸變大，其自身彎矩能力逐漸增強(qiáng)，呈現(xiàn)出一定的彈性狀態(tài)。

圖5 不同長(zhǎng)度比影響下位移與長(zhǎng)度比的關(guān)系曲線圖

2.3 豎向荷載對(duì)組合基礎(chǔ)水平變形和內(nèi)力的影響

工程上在考慮組合荷載作用下地下連續(xù)墻與樁組合基礎(chǔ)承載力時(shí)，往往是單獨(dú)分析豎向荷載作用下的承載力以及水平荷載作用下的抗彎性能；相較于單一的受力狀態(tài)，水平荷載和豎向荷載共同作用時(shí)構(gòu)成的受力系統(tǒng)十分復(fù)雜，目前關(guān)于豎向荷載對(duì)組合基礎(chǔ)水平承載力的研究主要采用解析法和數(shù)值模擬。

不同豎向荷載影響下組合基礎(chǔ)的水平變形和彎矩圖如圖6所示。由圖6（a）可知，組合基礎(chǔ)水平位移曲線具有明顯的非線性特征；組合基礎(chǔ)的水平位移在有豎向荷載作用下相較于無(wú)豎向荷載作用下相對(duì)減小，反彎點(diǎn)的位置提高了，也說(shuō)明豎向荷載起到了減小組合基礎(chǔ)水平變形的有利作用。

圖6 有無(wú)豎向荷載影響下組合基礎(chǔ)的水平變形和彎矩圖

由圖6（b）可知：組合基礎(chǔ)反向最大彎矩由-810 kN·m增加到-1465 kN·m，此區(qū)域可以認(rèn)為是組合基礎(chǔ)抗側(cè)荷載最危險(xiǎn)界面；豎向荷載對(duì)組合基礎(chǔ)的拐點(diǎn)和最大彎矩截面的位置沒(méi)有產(chǎn)生影響；組合基礎(chǔ)頂部豎向荷載作用產(chǎn)生的二次彎矩效應(yīng)加劇了組合基礎(chǔ)中上部區(qū)域的彎矩［14］，豎向荷載的存在對(duì)組合基礎(chǔ)產(chǎn)生一個(gè)附加彎矩。

有無(wú)豎向荷載影響下組合基礎(chǔ)的水平變形和彎矩曲線形成的原因?yàn)樵谏喜坑胸Q向荷載作用時(shí)，相對(duì)于對(duì)組合基礎(chǔ)頂部增加了一個(gè)約束力，這時(shí)組合基礎(chǔ)的受力狀態(tài)由純彎構(gòu)件壓彎構(gòu)件，豎向荷載引起的壓應(yīng)力可以抵消一部分組合基礎(chǔ)的拉應(yīng)力，因此存在豎向荷載會(huì)對(duì)水平承載力有所提高［15-16］；在同一水平荷載作用下，有豎向荷載作用的情況其水平位移要比無(wú)豎向荷載作用的情況小，說(shuō)明水平承載力由于豎向荷載的作用而提高。但是，豎向荷載對(duì)水平承載力的提高是有限的。由此可知，在工程設(shè)計(jì)中可充分利用上部豎向荷載對(duì)水平承載力有利影響的這一點(diǎn)。

2.4 土體彈性模量對(duì)組合基礎(chǔ)水平變形和內(nèi)力的影響

在同一水平力作用下組合基礎(chǔ)周邊土體的彈性模量發(fā)生變化而其它參數(shù)不發(fā)生任何改變時(shí)組合基礎(chǔ)水平變形和內(nèi)力分布規(guī)律如圖7所示。

圖7 土體彈性模量影響下組合基礎(chǔ)的彎距圖

由圖7可知，反彎點(diǎn)的位置并沒(méi)有發(fā)生變化；當(dāng)組合基礎(chǔ)周圍土體的彈性模量增大了30%后，組合基礎(chǔ)頂部的最大位移縮小了20%，組合基礎(chǔ)反方向上的最大彎矩相應(yīng)地減小了5%；另外，增大周圍土體彈性模量對(duì)組合基礎(chǔ)上部的水平位移影響效果明顯比對(duì)組合基礎(chǔ)下部的影響較顯著。從而可知，改變彈性模量對(duì)水平變形有影響，但對(duì)彎矩的變化影響甚小。

土體彈性模量影響下組合基礎(chǔ)的水平變形和彎矩曲土線形成的原因是組合基礎(chǔ)周圍土體的彈性模量變大，土體的相對(duì)剛度也便相應(yīng)增大，也就是說(shuō)土層的硬度增強(qiáng)，相當(dāng)于對(duì)土體做了弱加固處理，所以土體側(cè)向繞流的能力減弱；周圍土體的彈性模量越大，土體的剛度變大，土體側(cè)移范圍和變形越小，組合地基中基礎(chǔ)和周圍土體產(chǎn)生受到的土體側(cè)壓力就越小，從而產(chǎn)生的水平位移變形和應(yīng)力就越小。影響組合基礎(chǔ)水平承載力的土層主要處于淺土層［17］，因此改善組合基礎(chǔ)周圍土體的彈性模量可以適當(dāng)?shù)靥岣呓M合基礎(chǔ)的水平抗力，但對(duì)于提高抗彎矩能力效果不是特別顯著。

2.5 粘聚力對(duì)組合基礎(chǔ)水平變形和內(nèi)力的影響

在同一水平推力作用下組合基礎(chǔ)周圍土體粘聚力發(fā)生變化其它任何參數(shù)不發(fā)生變化時(shí)組合基礎(chǔ)位移及彎矩分布如圖8所示。

由圖8可知，當(dāng)組合基礎(chǔ)的粘聚力由小逐漸變大時(shí)，組合基礎(chǔ)頂?shù)淖畲笪灰浦祫t相反由大逐漸變小，然而這種變化不是很明顯趨勢(shì)很小；隨著粘聚力的變大，組合基礎(chǔ)的最大彎矩值逐漸減小。具體來(lái)講，組合基礎(chǔ)的粘聚力增大了40%時(shí)，組合基礎(chǔ)頂部的最大位移僅僅減少了2.5%，地下連續(xù)墻與樁連接處負(fù)彎矩最大值減小了10%；位移和彎矩的反彎點(diǎn)位置幾乎沒(méi)有什么變化。

粘聚力影響下組合基礎(chǔ)的水平變形和彎矩曲線形成的原因是粘聚力越小，土體變形越容易進(jìn)入塑性狀態(tài)，水平位移也就隨之增大；增大粘聚力可以使土體顆粒之間的作用力增大，相互吸附能力更強(qiáng)，從而使組合基礎(chǔ)周圍土體對(duì)組合基礎(chǔ)的側(cè)向繞流能力減弱，因此復(fù)合基礎(chǔ)位移有一定減小，但作用在組合基礎(chǔ)上的土壓力改變不大，所以對(duì)于整體的抗剪切強(qiáng)度影響甚小；隨著粘聚力值的逐漸增大，組合基礎(chǔ)、土之間的粘結(jié)力也越好，滑移位移大大降低，同時(shí)屈服極限得到提高［18］。但是從數(shù)據(jù)分析，粘聚力對(duì)組合基礎(chǔ)的影響效果不是十分明顯，據(jù)此可以推斷，想通過(guò)采用高強(qiáng)度混凝土來(lái)提高組合基礎(chǔ)的水平承載力和抗彎能力是不理想的。因此，在實(shí)際工程中應(yīng)盡可能采用較低強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，從而達(dá)到節(jié)約材料控制成本的目的。

2.6 內(nèi)摩擦角對(duì)組合基礎(chǔ)水平變形和內(nèi)力的影響

內(nèi)摩擦角分別取12.3、20、30°進(jìn)行對(duì)比分析，其他參數(shù)不發(fā)生任何變化。在同一水平推力作用下組合基礎(chǔ)在內(nèi)摩擦角影響下的組合基礎(chǔ)位移及彎矩分布如圖9所示。

圖8 粘聚力影響下組合基礎(chǔ)的水平變形和彎距圖

圖9 內(nèi)摩擦角影響下組合基礎(chǔ)的水平變形和彎矩圖

由圖9可知，組合基礎(chǔ)周圍土體內(nèi)摩擦角增大而組合基礎(chǔ)中地下連續(xù)墻與樁的連接處的位移有稍許減小，但是這種趨勢(shì)只是在組合基礎(chǔ)頂部有影響，并且影響十分不明顯，其他部位幾乎沒(méi)影響；組合基礎(chǔ)的彎矩值隨著周圍土體內(nèi)摩擦角的增大只在兩個(gè)彎矩峰值處減小，反彎點(diǎn)的深度幾乎并變化隨著內(nèi)摩擦角的變化而變化［19］。

內(nèi)摩擦角影響下的組合基礎(chǔ)的水平變形和彎矩曲線形成的原因是內(nèi)摩擦角對(duì)組合基礎(chǔ)水平變形和彎矩的變化作用原理與粘聚力的情況相類似。增大土體的內(nèi)摩擦角，可以改善土體顆粒之間的摩擦力，土體顆粒之間相互的嵌入和咬合效果也有所改善，但土體的摩擦強(qiáng)度取決于滑移面上的應(yīng)力與內(nèi)摩擦角二者的共同作用，通過(guò)數(shù)據(jù)分析可知，內(nèi)摩擦角的變化對(duì)組合基礎(chǔ)的水平變形和彎矩的影響效果不明顯，因此在實(shí)際工程中土體的內(nèi)摩擦角可以不作為關(guān)鍵因素考慮。

3 結(jié)論

通過(guò)上述研究可知：

（1）荷載等級(jí)和墻樁長(zhǎng)度比是影響新型組合基礎(chǔ)水平變形和內(nèi)力變化的根本因素。新型組合基礎(chǔ)中地下連續(xù)墻與樁的長(zhǎng)度比例問(wèn)題是工程設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，墻樁長(zhǎng)度比由3∶7變化到4∶6，組合基礎(chǔ)呈現(xiàn)出由“剛性短樁”力學(xué)特性過(guò)渡到彈性狀態(tài)，表明墻樁長(zhǎng)度比4∶6的情況更合理；豎向荷載和彈性模量是組合基礎(chǔ)水平變形與內(nèi)力影響的次要因素；內(nèi)摩擦角和粘聚力影響效果較弱，對(duì)組合基礎(chǔ)水平變形和內(nèi)力改變的作用效果有限。

（2）組合基礎(chǔ)頂部以下1/2部分是承擔(dān)水平變形和內(nèi)力變化的主要位置，下部抵抗水平荷載的作用很小。地下連續(xù)墻與樁組合在一起作為承受水平荷載的基礎(chǔ)，發(fā)揮地下連續(xù)墻水平剛度大的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也通過(guò)下部的樁保證了基礎(chǔ)的嵌固。這種組合基礎(chǔ)形式符合了變形大的位置增加剛度減小變形、變形小的地方減小剛度節(jié)省費(fèi)用的變剛度設(shè)計(jì)新理念。水平荷載作用下，相對(duì)地下連續(xù)墻基礎(chǔ)，地下連續(xù)墻與樁組合基礎(chǔ)可以減小地下連續(xù)墻基礎(chǔ)的高度和平面尺寸；相對(duì)水平受荷樁基礎(chǔ)，地下連續(xù)墻與樁組合基礎(chǔ)可以減小樁數(shù)，也符合安全經(jīng)濟(jì)綠色的設(shè)計(jì)理念。

（3）組合基礎(chǔ)的彎矩變化規(guī)律是上部存在最大正彎矩值，地下連續(xù)墻與樁的連接處出現(xiàn)最大負(fù)彎矩值，即存在兩個(gè)最不利影響作用部位，在抗水平荷載組合基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中要考慮以上兩個(gè)部位的最不利影響。

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Numerical analysis of diaphragm wall-piles combined foundation under lateral loading

Liu Cong1，Wei Huanwei1*，Zhang Wei2，et al.
（1.School of Civil Engineering，Shangdong Jianzhu University，Jinan 250101，China；2.Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute，Jinan 250013，China）

Based on the defects of diaphragm wallwith a largematerial，a research ismade on a new type of foundation forms，diaphragm wall-piles combined foundation to provide a theoretical basis for the development of diaphragm wall.For further analysis of the horizontal bearing characteristics of diaphragm wall-piles combined foundation under lateral loading，by using the finite difference software FLAC3D to make simulation，through the research on displacement and moment curve，the paper analyzes the results of diaphragm walls-piles combined foundation under the effect of horizontal force to discuss deformational and stress variation under the influence of factors the basis of forces at different levels，different length ratio，with or without vertical forces，modulus of elasticity，friction angle，cohesion，etc.The results show that Load rating and wall pile length ratio on the level of the composite foundation deformation and internal force changes affect sensitivity，and length of the diaphragm wall-piles design ismore reasonable when the ratio is 4：6.Under the top half part of the combined foundation is the position assumed most of the horizontal deformation and internal force change.The force characteristics of the new combined foundation conform to the new design concept of variable stiffness that at the position of large deformation stiffness increases and deformationdecreases，and at the position of small deformation the stiffness reduces；Two parts of the combined foundation needs to be considered about the adverse effects.

diaphragm wall-pile combined foundation；lateral loading；numerical analysis

TU443

A

1673-7644（2017）01-0047-08

2016-12-25

2014年山東建筑大學(xué)橫向課題項(xiàng)目（山東電力工程咨詢?cè)河邢薰荆琄22014016）

劉聰（1990-），男，在讀碩士，主要從事工程巖土體穩(wěn)定性與支護(hù)工程等方面的研究.E-mail：1115705435＠qq.com

*：魏煥衛(wèi)（1974-），男，副教授，博士，主要從事巖土共同作用和變形控制等方面的研究.E-mail：13181718169＠163.com