全框支剪力墙结构地基土嵌固效应分析及研究

唐觅知，余 瑜

（1、中誉设计有限公司 广东 清远 511518；2、广东省建筑设计研究院有限公司 广州 510010）

1 概况

随着轨道交通的日益发达，城市规划中越来越多采用以公共交通为导向的开发模式［1］，下部楼层建筑功能及综合用途往往需要大开间的楼层空间，对上部高层剪力墙结构的要求越来越高，要求尽量减少竖向构件的分布。全框支剪力墙结构通常指转换层以下为盖下结构，由框支框架及普通框架组成，双向均无剪力墙落地（或存在单向少量墙体）；转换层以上为盖上结构，由剪力墙结构或框架结构组成，通过设置转换层，可很好地解决上下功能不一致而产生的竖向构件不连续问题。在《高层建筑混凝土结构技术规程：广东省标准DBJ/T 15-92—2021》中，补充了全框支剪力墙结构的相关设计要点［2-4］。

全框支结构中，上盖竖向结构由下盖巨型框架全部转换［5-8］，下盖结构的基础多为单柱单桩的基础形式，受力特点较为复杂，而软弱地基为建筑施工工程常见类型，软弱土具有高压缩性、低渗透性、抗剪强度较低、高流变性等特性，主要包括淤泥、淤泥质土、粉质黏土和杂填土等，不同类别地基土对于该结构体系的嵌固效应的研究还有未完善的区域［9］。故针对这种新型结构，本研究拟通过建立地基土-桩-上部结构模型，探索地基土对结构的嵌固效应，以及探究水平作用下，基础桩在不同地基土约束下的静力响应情况。

选取一栋典型的地铁车辆段上盖，由巨柱框架转换上盖剪力墙的全框支剪力墙结构，转换层结构布置及剖面示意如图1所示，首层、2层（转换层）、3层层高依次为12.0 m、6.8 m、6.2 m，4～36 层为标准层，层高2.9 m，总建筑结构高度为120.7 m（B 级高度）。设计使用年限为50 年，耐久性设计年限为100 年，结构安全等级为一级，基础设计等级为甲级。本项目抗震设防烈度为7 度（0.10g），设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类，本工程属于丙类。

图1 转换层结构平面布置及剖面示意图Fig.1 The Plan View of the Transfer Floor Structure and the Generalized Section （mm）

2 模型情况

使用MIDAS GTS 软件对8 种不同的地基土进行模拟，探究水平作用下的桩顶位移情况，模型的基本情况如图2 所示。整体模型由地上全框支结构、基础桩和地基土层3 部分组成，边界条件为对土层的四周设置粘弹性阻尼边界，底面位置设置弹簧单元约束，对桩所端设置6个自由度的约束。对模型进行X向及Y向的规范反应谱分析［3］及风工况静力分析。典型桩位置示意图如图3所示。

图3 典型桩位置示意图Fig.3 The Plan View of Typical Pile

采用杆单元模拟梁、柱、桩，壳单元模拟剪力墙、楼板及框支转换梁，以及实体单元模拟地基土层。材料参数详表1，混凝土和钢筋采用《混凝土结构设计规范（2015 年版）：GB 50010—2010》［9］附录C 的本构方程，混凝土强度等级为C30，钢筋强度为HRB400，地基土层采用各向同性莫尔-库伦模型［10］，根据《建筑地基基础设计规范GB50007-2011》及实际项目地勘资料取值。

表1 地基土参数Tab.1 Parameter Table of Foundation Soil

对8 种不同地基土的模型依次编号为T1～T8，对应土质分别为淤泥Ⅰ、淤泥Ⅱ、粉砂松散、粉质黏土、全风化、密实砂土、强风化、中风化。

3 分析结果

对8个模型在水平作用下的桩的计算结果进行整理与分析，以EX+水平地震作用为例，T1、T3、T4、T8桩的整体位移表现详图4。可知，水平地震作用下，桩顶位移较大位置集中在盖上结构的投影范围内。随着土层变形模量增加，土质情况越好，桩顶侧向位移减小，EX+反应谱下，T1 淤泥Ⅰ模型中桩顶最大位移达133.0 mm；T3粉砂松散和T4粉质黏土模型中依次为36.5 mm和25.3 mm，T8中风化模型中为3.5 mm，EY+反应谱下，4个模型的桩顶最大位移依次为153.0 mm、35.8 mm、25.4 mm 和2.5 mm。一般工程中，基础桩的桩端入岩深度为1～2 倍桩径，桩承载力由桩身提供，结合T8 中风化模型中，桩端2～3 m 处存在1～3.5 mm的变形，可判断上部结构已基本嵌固在桩顶处，后续论述中以2.5 mm 为界限，水平位移小于2.5 mm 的桩已基本嵌固在土层中。

图4 EX+反应谱下桩整体位移Fig.4 The Whole Displacement of Piles under the EX+ Response Spectrum

图4 中图例的一格表示约为1.94 m，最大位移及桩嵌固深度汇总详见表2、表3。

表2 X向作用下最大位移及桩嵌固深度汇总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桩嵌固深度汇总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，随着土质强度的减弱，桩顶位移增加，桩的嵌固深度增加。T1 淤泥Ⅰ模型在地震工况下，在本计算模型中无法形成嵌固端，桩底随模型的边界约束在底部。在T3 粉砂松散和T4 粉质黏土模型中，嵌固深度较为接近，土层的变形模量对本对比模型中的桩嵌固深度影响较大，变形模量为12 000～25 000 kN/m2的土层，嵌固深度约30～33 m。对比地震工况和风工况，本模型受地震作用的影响较大，风荷载作用下，桩顶位移较小、桩嵌固长度减小。

由上述可知，对于全框支结构，单柱单桩的基础设计情况下，桩顶的嵌固位置与地基土质情况有关，土质的变形模量越大，刚度越大，土质越好。桩顶位移较小时，方可认为上部结构是嵌固在桩顶，即柱底嵌固于基础顶面，否则嵌固位置会随土质软弱而下移，在设计时有必要将一定桩长范围考虑进设计模型中，并对该范围的桩进行构件设计及构造加强。

Y向水平作用下，由表3 可知，桩的位移响应和X向作用下的桩位移响应类似，其中Y向作用下的桩顶位移较大，该差异主要是与上盖结构的刚度有关，上盖结构的Y向刚度较X向弱，使得Y向的结构变形较大。

对8 个模型在4 个水平作用工况下的桩顶最大位移进行提取与数据拟合，桩顶位移和土变形模量关系如图5 所示。可知，在该模型的条件下，4 个工况下的最大桩顶位移与土层的变形模量大致呈y=a·x-b的关系，其中a值与分析工况有较大关系，可能还与上部结构体型及刚度等有关系；b值约为0.7～0.8，b值体现了桩的位移随土层的变形模量增加而减小的情况，地震工况下b值约0.75，风工况下b值约0.73。

土的变形模量较小时，土质软弱，在水平作用工况下，使得桩顶产生较大的位移，由于位移的存在，竖向荷载的下传在桩顶处形成偏心，因而引起对桩身的附加弯矩。土质越软弱时，该附加弯矩会成倍放大，因此在桩设计时，需考虑水平作用力下的桩顶位移引起的桩身附加弯矩，对桩进行桩身抗弯设计及相应的构造加强。

4 结论

⑴通过使用MIDAS GTS 软件对8 种不同地基土的单柱单桩模型进行反应谱及风工况静力分析，土质的强弱情况会影响桩顶的位移和桩的嵌固深度，随着土的变形模量减小，土层刚度越小，桩顶位移越大，桩的嵌固深度越大。水平作用下，桩顶位移较大值集中在盖上结构的投影范围内。

⑵水平作用下的最大桩顶位移与土层的变形模量大致呈y=a·x-b的关系，其中a值与分析工况有较大关系，可能还与上部结构体型及刚度等有关系，b值约为0.7～0.8，b值体现了桩的位移随土层的变形模量增加而减小的情况，地震工况下b值约0.75，风工况下b值约0.73。由于桩顶会产生较大的位移，位移的存在导致竖向荷载的下传在桩顶处形成偏心，因此引起对桩身的附加弯矩。土质越软弱时，桩需要的嵌固深度越长。因此桩设计时，在桩的嵌固深度范围内，需考虑由于水平作用下的桩顶位移引起的桩身附加弯矩，对桩进行桩身抗弯设计及相应的构造加强。