风机梁板式桩筏基础承载特性大型模型试验研究

木林隆 ，连柯楠 ，黄茂松 ，李大钧

（1.同济大学 岩土与地下工程教育部重点实验室，上海 200092；2.同济大学 地下建筑与工程系，上海 200092；3.国华能源投资有限公司，北京 100007）

1 引 言

梁板式桩筏基础是桩筏基础的一种，可以有效地增加基础的整体性、减少地基附加压力、减少沉降。传统梁板式桩筏基础往往应用于房屋建筑中，近年来，因梁板式桩筏基础较重力式基础而言具有较强的经济优势，因而被应用于风电基础建设中[1]，形成了新型的风机梁板式桩筏基础。但该梁板式基础由于结构和力学机制复杂，理论研究严重滞后于生产实践，对该梁板式基础受力变形特性认识并不充分，其设计往往依赖于工程类比和工程经验，从而限制了它的大面积推广使用。因此，对梁板式桩筏基础的受力变形特性展开研究，对其在实践中的广泛应用创造巨大经济价值具有重要的意义。

传统梁板式基础的研究往往局限于高层建筑下倒梁式的梁板式浅基础，且传统设计方法往往不考虑柱、桩对梁板式基础刚度的影响[2]。目前对传统桩筏基础的研究较为成熟，方法也较多，包括边界元法[3-4]、变分法[5-6]、剪切位移法[7]、弹性理论法[8-9]等理论方法、有限元方法[10]以及现场试验[11]和模型试验[12]等试验方法。但目前针对桩筏基础的研究较少直接考虑梁板式基础和桩基础共同作用，尚没有直接针对梁板式桩筏基础的计算理论，只能采用梁板式基础与桩基础分开设计，从而不能避免地无法考虑梁板式基础及桩基础刚度相互影响的缺点。因此，要形成成熟的梁板式桩筏基础设计方法有必要先对风机梁板式桩筏基础的受力变形特性展开试验研究，了解其受力变形机制与特点。

本文通过室内大尺寸模型试验，分析了梁板式桩筏基础在竖向荷载作用下基础内环梁、肋梁、桩、桩底土等各元件的受力变形特性以及各元件受力变形特性随荷载变化的规律，为梁板式桩筏基础的计算设计提供了参考。

2 试验准备

2.1 试验设备

本次模型试验采用同济大学软土物理模型试验系统（见图1）。模型槽（净）几何尺寸为长×宽×高=3.0 m×2.1 m×3.0 m，槽底及槽壁均采用钢筋混凝土结构，壁厚为0.3 m，模型槽地下1.8 m，地上1.2 m。物理模型试验加载系统采用铸铁框架结构，液压加载作动器安装在可以水平X 方向和Y 方向移动的平台上，具有良好的保载性能，可进行恒试验力、恒变形试验，可实现力、位移两种控制方式，设备有效量力范围为2～100 kN。

图1 软土物理模型试验系统及模型槽Fig.1 Physical model test system and model tank for soft ground

应变片共36 片，采用浙江黄岩传感器厂生产的BHF-120-2AA 型应变片，栅长×栅宽=2 mm×1 mm，电阻值为120±2 Ω，灵敏系数为2.06±1%。振弦式土压力盒共3 个，光电抽角编码器2 个。

2.2 相似关系

该模型试验模型根据国华东台风电场现场梁板式桩筏基础进行缩尺。由于在基础模型进行缩尺时土颗粒大小无法缩小，会给结构-土之间的相互作用相似性带来一定影响，因此，进行大型的模型试验可以较好地克服这一缺点。

本试验采用1:20 的比尺进行试验。根据确定基于材料层面相似关系的具体步骤以及该试验为静力试验，忽略加速度对试验的影响。可以得到各物理量之间相似常数满足的相似关系，见表1。

表1 模型相似关系Table 1 Model similar relationships

2.3 模型制作

根据相似关系确定的比尺，梁板式桩筏基础的尺寸和形式如图2 所示。整个模型使用铝合金材料制作。基础的承台和管桩分别制作，制作完成后将两部分用螺栓连接。基础承台为六角形，包括6 根肋梁（见图3），15 根基桩采用铝合金材料，基桩的形式如图4 所示。桩有两种长度，12 根长为1.1 m和3 根长为1.2 m，管桩外径为30 mm，内径17 mm（见图4）。其中，承台中部3 根管桩为1.2 m，承台外圈管桩12 根桩为1.1 m。两种桩型承台底部至桩底的长度均为1 m。

3 试验过程

试验模型布置示意图如图5 所示。图6、7 分别为布置好的桩基础及梁板式桩筏基础。布置过程中桩基础需要严格定位以保证与梁板式承台的连接。由于本文主要研究梁板式桩筏基础的受力变形特性，且实践证明梁板式桩筏基础的承载力远高于设计要求，因此，本次试验所施加的荷载为根据实际设计荷载两倍相似比换算而来，取为30 kN，且荷载分10 级施加。

图2 基础模型（单位：mm）Fig.2 Foundation model(unit:mm)

图3 基础承台Fig.3 Foundation platform

图4 基础管桩Fig.4 Pipe pile in foundation

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

图6 模型桩基布置图Fig.6 Layout of piles

图7 梁板式桩筏基础布置图Fig.7 Layout of piled beam-slab foundation

4 试验结果及分析

试验对梁板式桩筏基础进行竖向加载分析，试验中测定了加载过程中桩身轴力、梁身弯矩和筏板底部土压力的变化，测试原件布置如图2 所示。

图8为基础的荷载-沉降曲线，由图可以看出，在荷载加至30 kN 时，地基土基本处于弹性阶段，验证了设计时采用弹性方法进行设计是合理的。由于基础刚度较小，承台中央和角桩位置有比较明显的差异沉降，但这在设计时并未考虑需，因此，要予以重视。

图8 荷载-沉降曲线Fig.8 Q-S curves

图9为距桩顶50、350、950 mm 3 个位置的桩1、桩2和桩3的轴力随着上部荷载增大的变化曲线。由图可知，随着荷载变化桩身各点的轴力呈线性变化，说明在整个加载过程中桩土体系均处于弹性状态。且由于受到侧摩阻力的影响，桩顶轴力的变化速度较桩底轴力快。

图10为桩基轴力分担荷载百分比。由图可知，随着变形的增长，桩底土的承载作用得到发挥，桩基承担的荷载减小，且土体压密后基础底部桩基承担的荷载比例趋于一个稳定的值，说明基础底部桩土荷载分担比主要取决于上部基础的形式。对于该试验，角桩与边桩承担的荷载较为接近，均为22%左右，而中心桩承担的荷载较小为10%，剩余45%左右的荷载均由土体承载。因此，在设计过程中，对于具有一定柔性的梁板式基础土体的承载作用不可忽略。而中心桩由于受桩-桩相互作用影响最大，发挥的承载作用最小，与黄茂松等[13]理论分析得出的结论一致。

图9 桩身轴力随荷载的变化Fig.9 Variation of axial force of pile with load

图10 桩基荷载百分比Fig.10 Load percentage of pile foundation

图11、12为环梁和肋梁弯矩沿梁身变化曲线。由图11 可以看出，环梁中间上部受拉，而两端下部受拉。这是由于在荷载传递过程中荷载通过肋梁传递给环梁和角桩，再由环梁传递给环梁中桩。环梁的最大弯矩值出现在角桩附近。随着荷载的增大，环梁和肋梁的弯矩都呈线性的增大。肋梁的弯矩最大值出现在肋梁靠近承台中央的位置。

图13为基础下部土压力的测试结果。由图可知，加载初期，承台中央土体与肋梁间的边缘土体承担荷载基本一致，而随着荷载的增加，在基础中心土压力增长较肋梁间土体的土压力增长小。而按照图8 所示，承台中央变形较大，土体沉降较多，应发挥更多承载力。黄茂松等[13]的理论分析很好地解释了这一现象，在该基础中央由于桩基比较密集，桩-土相互作用明显，因而影响了土体承载力的发挥，因此，在设计计算中有必要考虑桩-土相互作用的影响。

图11 环梁弯矩图Fig.11 Bending moment diagram for ring beam

图12 肋梁弯矩图Fig.12 Bending moment diagram for ribbed beam

图13 土压力变化Fig.13 Variation of soil pressure

5 结 论

（1）梁板式桩筏基础具有较高的承载能力，在工作荷载作用下梁板式桩筏基础基本处于弹性状态，可以采用弹性的方法进行设计计算。

（2）由于梁板式桩筏基础具有较大的柔性，在竖向荷载作用下承台中央与边缘具有较大的沉降差，特别是对于风机基础这种对变形要求极为严格的基础，目前设计均按照刚性承台设计，在设计的时应予以重视。

（3）在梁板式桩筏基础设计时应考虑桩-桩、桩-土相互作用，其对承台底部桩土荷载分担比及底部土压力分布具有明显的影响。

[1]连柯楠,木林隆,黄茂松,等.国华通辽风电场三期工程梁板式桩筏基础性状数值分析[J].岩土力学,2012,33(增刊1):290－296.LIAN Ke-nan,MU Lin-long,HUANG Mao-song,et al.Finite element analysis for piled beam-slab foundation of the third-phase project of Guohua Tongliao wind farms[J].Rock and Soil Mechanics,2012,33(Supp.1):290－296.

[2]江书超.梁板式基础工作性状试验研究[D].北京:中国建筑科学研究院,2012.

[3]KUWABARA F.An elastic analysis of piled raft foundations in a homogeneous soil[J].Engineering Structures,1989,29(1):81－92.

[4]MENDONCA A V,PAIVA J B.An elastostatic FEM/BEM analysis of vertically loaded raft foundation on piles[J].Engineering Analysis with Boundary Elements,2003,24(3):237－247.

[5]SHEN W Y,CHOW Y K,YONG K Y.A variational approach for the analysis of pile group-pile cap interaction[J].Geotechnique,2000,50(4):349－357.

[6]CHOW Y K,YONG K Y,SHEN W Y.Analysis of piled raft foundation using a variational approach[J].International Journal of Geomechanics,2001,1(2):129－147.

[7]RANDOLPH M F,WROTH C P.Analysis of deformation of vertically loaded piles[J].Journal of the Geotechnical Engineering Division,1978,104(12):1465－1488.

[8]POULOS H G,DAVIS E H.Pile foundation analysis and design[M].New York:John Wiley and Sons,1980.

[9]MU Lin-long,HUANG Mao-song,LIAN Ke-nan.Analysis of pile-raft foundations under complex loads in layered soils[J].International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics,2014,38(3):256－280.

[10]SANCTIS L,MANDOLINI A.Bearing capacity of piled rafts on soft clay soils[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,2006,132(12):1600－1610.

[11]董建国,赵锡宏.高层建筑地基基础——共同作用理论与实践[M].上海:同济大学出版社,1997.

[12]HORIKOSHI K,RANDOLPH M E.Centrifuge modelling of piled raft foundations on day[J].Geotechnique,1996,6(4):741－752.

[13]HUANG Mao-song,MU Lin-long.Vertical response ofpile-raft foundations subjected to tunnelling-induced ground movements in layered soil[J].International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics,2012,36(8):977－1001.