桩墙锚组合基础水平承载性能模型试验研究

魏焕卫张兴丽王震刘丞

(1.山东建筑大学 土木工程学院，山东 济南 250101；2.山东绿城景丰房地产建设管理有限公司，山东 济南 250100；3.山东省产品质量检验研究院，山东 济南 250102)

0 引言

随着工程建设的持续发展，水平荷载起主导作用的工程建设问题越来越多，如临海建(构)筑物需要承受风荷载作用，海上各种建筑平台需要考虑波浪冲击的影响等。越来越多的建筑物在建造或使用过程中受水平荷载的影响，因此在基础结构的设计过程中要提高其水平承载能力，如果对水平荷载的影响考虑不全面往往会造成严重的安全事故。

目前，对于水平承载组合基础的研究较少，大部分成果都是针对桩基础、地下连续墙基础等单一的基础形式。地下连续墙技术最初仅作为施工时承受水平荷载的挡土墙或防渗墙，直到1979年，日本将地下连续墙闭合式刚性基础应用到了高架桥的建设[1]，继而开展了大量的试验以研究其承载特性和机理。对于水平受荷桩的研究，胡铠等[2]分别对开、闭口桩进行了单调和循环承载特性的室内模型试验，研究了桩径、长径比、土体相对密度等参数对桩基承载力的影响。明敏[3]基于p-y理论进行程序计算，并结合数值模拟，分析了海上风电单桩基础的水平承载力影响参数的不确定性。近年来，研究人员开始了对水平受荷斜桩、阶梯形变截面桩等[4－6]复杂桩基的研究。对于地下连续墙基础的研究，海野隆哉等[7]在饭坂街道高架桥进行了7、8号墩基础水平载荷试验，结果表明闭合型地下连续墙作为基础结构充分发挥了其刚度大、整体性好的特性，其水平承载力较好。我国东南大学、西南交通大学等[8－10]选用自平衡法对矩形闭合墙基础开展了现场试验，研究了地下连续墙的水平和竖向承载特性以及荷载传递法。

随着研究的深入，桩基与地下墙基础组合形成了一系列复合基础。魏焕卫等[11]、刘聪等[12]、李瑜等[13]和陈逸飞[14]提出了桩－地下墙组合基础，并对其影响因素等进行了相关研究。在此基础上，文章提出了一种新型的桩－地下墙－锚杆组合基础(桩墙锚组合基础)，基础的上部为地下墙和锚杆的结合，水平刚度较大；下部为桩基础，既节省材料也保证了整个基础的稳定性。通过室内模型试验分析了桩墙锚组合基础的水平承载能力，并与桩－墙组合基础进行对比，为桩墙锚组合基础在实际工程中的设计与应用提供参考。

1 室内模型试验

1.1 试验方案

室内模型试验所用模型箱尺寸为1 100 mm×900 mm×1 200 mm(长×宽×高)如图1(a)所示，模型箱所用材料如图1(b)所示，其正面为钢化玻璃，便于试验现象的观测以及图像的采集，其余3面为10 mm厚的钢板，满足刚度和强度的需求，以保证试验加载的顺利进行。

图1 试验模型箱图

室内模型试验通常分为定性和定量两种，因为此次试验主要通过模型判断原型基础的工作机理，不需要精确计算原型的受力情况，只需要观察新型组合基础的受力规律，因此选择定性试验。为满足试验需求，设计了两组试验并进行对比，分别为桩墙锚组合基础试验(方案1)和桩－墙组合基础试验(方案2)，两组试验的具体尺寸设置见表1。

表1 室内模型试验方案对比表

1.2 试验材料

试验旨在分析组合基础的受力机理以及协调变形能力，因此经过多次的试验选材预测试，最终选取厚度为7.7 mm的聚氯乙烯(Polyvinyl Chloride，PVC)板材模拟地下墙体，如图2(a)所示。对于其弹性模量的测量，采用万能试验机拉伸3个长为30 cm、宽为5 cm的板材，根据拉伸试验所得曲线计算板材的弹性模量为3.23 GPa。桩体选用直径为25 mm、壁厚为3.5 mm的无规共聚聚丙烯(Polypropylene-Random，PPR)管材，如图2(b)所示。锚杆材料选用直径为15 mm、壁厚为1 mm的PVC管材，如图2(c)所示。对于桩体和锚杆材料弹性模量的测量，采用悬挂重物的方式测得，按照测点布置将应变片粘贴在试验材料上，在管材下端逐级悬挂砝码并记录应变片数据。通过砝码的重量和管材的截面尺寸求得相应的应力，并由应力－应变曲线确定模型桩的弹性模量为1.04 GPa、锚杆的弹性模量为4.44 GPa。

图2 模型试验所选材料图

试验所用土体选用福建厦门的标准砂。试验前通过对土体进行颗粒级配试验，得到其不均匀系数为5.47、曲率系数为0.66；通过常规直剪试验、击实试验，得到土体的内摩擦角为40°，黏聚力为0。

1.3 位移、应变及土压力测量

桩、地下墙应变测点的布置处于同一竖直线上，如图3(a)所示。由于基础结构布置沿锚杆中线为对称结构，因此桩体上的应变只需测量中间桩Z2、Z5，以及边侧桩Z1、Z6即可，地下墙体上应变的测量对应于桩上测点，前后墙各布置两列。地下墙上每列应变测点布置4个，第一排应变片位于埋土面处，第二排应变片位于埋土面下50 mm处，之后每隔100 mm布置一排应变片。每根桩布置4个应变测点，桩上第一排应变片位于桩墙连接处50 mm，之后每隔150 mm布置一个应变测点。由于模型为对称式结构，且锚杆长度较短，过多的应变测点所引出的数据线会干扰试验结果，因此将同一排锚杆A、B、C等3个测点布置在2根锚杆上，如图3(b)所示，在处理数据时，将3个测点等效为一根锚杆上的数据。

位移的监测采用百分表，如图3(b)所示，在组合基础顶部的4个角点处分别架设百分表测量其竖向位移，在前后墙边侧对应位置架设百分表测量基础的水平位移。土压力盒布置在锚杆位置往内2 cm处，前后墙共布设8个土压力盒，如图3(a)所示。

图3 模型试验应变片测点布置示意图

应变数据的采集均通过静态应变采集仪自动记录收集，百分表每隔15 min进行一次人工读数。桩体以及墙体的应变主要用来监测基础的弯矩变化，因此数据接口的方式选用1/2桥连接。锚杆的应变主要为测得其轴力的变化趋势，因此锚杆数据接口采用双1/4桥方式连接。

1.4 试验基本流程

(1)材料预处理及应变片粘贴

地下墙、模型桩、锚杆材料按照试验方案尺寸进行切割，将进行基础组合的孔洞预先钻出来，并进行组装检查；材料处理完成后用砂纸将材料表面杂质打磨干净，在地下墙、桩体以及锚杆上标记好应变测点位置，粘贴应变片。

(2)模型组装

按照试验方案的布置组装地下墙体板材，如图4(a)所示，两两之间用角钢和螺丝固定，组合基础上部的顶部暂时不安装，但要用记号笔标注出与各个墙体的方位；然后将地下墙与桩体组合，使用U形钢和铁丝进行两者的连接，连接长度为15 mm，如图4(b)所示，连接过程中要时刻注意桩体的位置，防止不同的桩号安装错误。

图4 桩墙锚组合基础模型的组装图

(3)基础模型的定位

受试验模型箱和组合基础尺寸的限制，基础模型布置在距两侧边界25 cm、其距后侧边界35 cm的位置，同时考虑组合基础和模型箱高度的影响，组合基础外露10 cm。确定基本位置后，用木条在模型箱内将组合基础的位置架设起来，如图5(a)所示，方便基础定位，并保证土体填埋时组合基础的稳定性。

(4)锚杆的安设及土样填装

土体的填埋采用分层夯实的方式，在模型箱内每隔20 cm高度做上记号，并将标准砂逐袋导入模型箱内；当高度略高于当层的填筑高度时，开始进行土体夯实，将其夯实到刻度线所在位置，以此类推，逐层进行土体的填埋夯实。待土体装填到锚杆标高时，进行底层锚杆的安装，如图5(b)所示；将锚杆放置到预先打好的孔洞中将其固定，再用纱布堵塞孔洞周边的间隙，当土体填埋到顶层锚杆位置时，再次进行相同的锚杆安装操作，当土体填埋到预定标高时，再安装组合基础顶板。

图5 桩墙锚组合基础模型的定位步骤图

1.5 试验加载及终止条件

试验加载方式采用慢速维持加载法，逐级施加水平荷载(如图6所示)。根据JGJ 106—2014«建筑基桩检测技术规范»[15]的要求，取预估最大荷载的1/10作为分级荷载，从0 kN开始，每级加载荷载增量为0.5 kN。当位移百分表相邻两次读数之差<0.01 mm时可判定该级荷载稳定，继而进行荷载施加；当处于某一级加载时间内，组合基础模型的位移数据在180 min内仍未稳定或者出现明显倾斜破坏时，则停止试验加载。

图6 桩墙锚组合基础模型试验加载图

2 试验结果与分析

2.1 位移分析

(1)水平位移

桩墙锚组合基础的水平荷载－位移曲线如图7所示，基础顶部曲线呈非线性。整体上来说，随着水平荷载等级的增大，组合基础的水平位移逐渐增大。当荷载较小，即荷载<1.0 kN时，基础水平位移较小，此时基础结构与其周边土体共同发挥作用；当荷载逐渐增大，即荷载>1.0 kN时，基础水平位移开始显著增大，这个阶段内主要由基础结构发挥作用；当荷载达到3.5 kN时，位移变化速率较前几级荷载明显降低。另外，由图7可知，基础受荷面的水平位移大于背荷面的水平位移，主要是由于试验基础模型发生了压缩变形导致的结果。

图7 桩墙锚组合基础水平荷载－位移曲线图

桩墙锚组合基础的水平位移与结构受力息息相关，如图8所示，组合基础所承受的水平荷载Vk主要由后墙所受的被动土压力Fp、侧墙的摩阻力f、桩基础的水平抗力T以及锚杆所提供的拉力Ri共同承担。由于组合基础的前墙直接承受水平荷载，且墙体所用材料的弹性模量较小，墙体发生压缩变形，从而导致受荷面的水平位移大于背荷面水平位移。通过水平位移的大小可以反映出基础结构各部分的荷载分担也不相同。加载初期，水平荷载主要由后墙所承受的被动土压力承担；加载后期，组合基础与土体之间的相对位移增大，组合基础各部分之间的荷载分担情况发生变化，锚杆发挥作用承担更多的水平荷载。

图8 桩墙锚组合基础受力示意图

桩墙锚组合基础的竖向荷载－位移曲线如图9所示，在水平荷载作用下，桩墙锚组合基础发生了整体的抬升。当荷载较小(0~1.0 kN)时，组合基础的竖向位移基本为零，因为此时的水平荷载主要由基础周围土体承担，荷载对基础结构影响较小；当荷载>1.0 kN之后，组合基础的竖向位移开始增大，并且受荷面和背荷面的竖向位移差值较大。随荷载增加，基础受荷面竖向位移逐渐增大，而基础背荷面的竖向位移基本为零，在水平荷载为3.5 kN时出现竖向位移拐点，4.0 kN后组合基础受荷面的竖向位移增大速率明显加快，说明组合基础开始发生破坏。

图9 桩墙锚组合基础竖向荷载－位移曲线图

结合桩墙锚组合基础的水平位移可以发现，在水平荷载作用下，组合基础会先发生一定的水平位移，但在基础下部桩基的嵌固作用下，组合基础会发生整体向后旋转的趋势，因此使得组合基础受荷面产生向上的竖向位移。而随着荷载加大，组合基础竖向位移受到了上部地下墙体的侧摩阻力、桩侧摩阻力以及锚杆拉力的限制作用，从而有效地控制了组合基础的竖向位移。

2.2 桩墙弯矩分析

室内模型试验采集得到的应变值，需要进一步处理成弯矩值。弯矩M的计算公式由式(1)表示为

式中εi为应变，采集数据得出的应变值为με，其关系式为με＝10－6ε；E为弹性模量，Pa；W为抗弯截面系数。

弯矩与深度处理后得到的弯矩－深度曲线如图10所示。由图10(a)所示的受荷面弯矩图可知，随着荷载等级的增加桩墙身弯矩逐渐加大，受荷面上部地下墙存在2个反弯点，弯矩最大值出现在基础顶部。由于基础前墙直接承受水平荷载作用，使得该处产生较大的变形，因此弯矩值最大。随着埋深的增加，基础结构受到土体反力作用的影响，弯矩逐渐减小达到反弯点，之后弯矩出现反向增加，在－150 mm界面处出现极值。受水平荷载影响，组合基础产生旋转趋势，但下部桩基的存在限制了其转动趋势，并产生抵抗水平荷载的抗力，因此弯矩值逐渐减小进一步到达反弯点。

组合基础背荷面的弯矩变化曲线(如图10(b)所示)不同于受荷面，后墙远离加载侧，且由于受基础结构的阻挡，受水平荷载影响较小，因此弯矩值偏小。同时，由于后墙没有锚杆的设置，两侧墙及后方土体对其受力影响明显，使得后墙墙体受力不同于前墙，因此背荷面弯矩随深度的变化呈现倒M形趋势。背荷面受水平荷载影响小，并且弯矩大多为正值，第一个反弯点较受荷面偏上，这是由于锚杆的存在，为受荷面提供了更多的抵抗力，使反弯点位置下移；在水平荷载传递过程中，基础侧面阻力的存在使背荷面所受水平荷载相对降低。

图10 桩墙锚组合基础不同荷载面的弯矩－深度曲线图

2.3 锚杆轴力分析

根据模型试验应变数据，计算锚杆轴力。轴力计算式由式(2)表示为

中央型和混合型是常见的方式，在诊断分级过程中要求结合分级要求实施。。在本次研究中以超声量化评价指标作为基础，在量化分析的过程中需要进行结节性质的评估，结合甲状腺诊断特异性以及敏感性等评价分析[2]。

式中Pi为锚杆第i测点处截面轴力，N；Ep为锚杆的弹性模量，Pa；Ap为锚杆的横截面面积，m2；εi1、εi2为锚杆第i测点处截面两对称应变片的测量值。由于组合基础为对称结构，因此将墙上同一高度的两根锚杆数据合并，得到锚杆的轴力图，如图11所示。

图11 桩墙锚组合基础锚杆轴力图

由图11可知，随着水平荷载的增加，锚杆轴力也逐渐加大，并且第二排锚杆轴力大于第一排锚杆轴力。这是由于第二排锚杆埋深加大，受土压力影响明显，侧摩阻力增大，因此其轴力较大。组合基础受水平荷载作用产生远离加载侧的水平位移，为限制其侧移，锚杆产生对组合基础的拉力，且随着荷载的增大，锚杆的拉力逐渐增大。特别是在水平荷载从2.0 kN到3.0 kN的过程中，锚杆提供拉力出现较大增长，这说明当水平力达到某一等级时，锚杆与锚固土体间相对滑动增大，从而引起了锚杆拉力的增长。

与第一排锚杆受力不同，第二排锚杆受力趋势呈凸形，中间段轴力大，两边轴力相对较小。这种趋势的改变与锚杆周边土体的滑动方向密切相关。理想状态下锚杆受力应是自由段拉力相等，在进入锚固段后，轴力逐渐减小至零。试验中锚杆轴力的变化与土体的相对移动方向密切相关，如图12所示。

图12 桩墙锚组合基础土体滑裂面示意图

模型试验埋设锚杆时，会导致在搭设面出现一定角度的滑裂面，因模型设置两排锚杆，故出现两个滑裂面。第一排锚杆受两道滑裂面的影响，中间土体产生了向后的移动趋势，使得锚杆所受摩阻力方向发生改变，因此中间段锚杆的轴力有所增大，整体呈现先减小后增大再减小的倒S趋势。第二排锚杆的轴力变化同样受到土体滑裂面的影响，由于第二道较深的滑裂面经过第二排的前半段，使得前半段土体发生了相对向后的移动，从而导致锚杆所受摩阻力方向发生改变，即锚杆轴力发生了增大，整体呈现先增大后减小的凸形样式。

2.4 土压力分析

通过布设在前墙和后墙的土压力盒得到土压力值，为使数据更具规律性，取试验平均值进行分析，得到土压力与埋深的关系曲线，如图13所示。在水平荷载作用下，组合基础的受力及变形是一个相互作用的过程。土压力沿深度方向的变化规律与荷载等级变化及水平位移大小的关系较为复杂，土压力不再符合上小下大的一般规律性。地下墙所承受的土压力变化趋势与水平荷载增长成正比，另外墙侧土压力沿埋深呈现一个先减小后增大的变化过程。受荷面墙体土压力为主动土压力，随着深度的增加，主动土压力先减小，随后在第一排锚杆处再增大，但依然小于顶部的土压力；而背荷面墙体土压力为被动土压力，与受荷面所测土压力变化趋势一样，均呈现K形。这种土压力的变化趋势与土体变形密切相关，水平荷载作用下，基础上部位移最大，从而使得土压力增大。

图13 模型试验墙体不同荷载面的土压力－埋深曲线图

2.5 桩墙锚组合基础与桩墙组合基础试验结果对比

(1)位移对比

对比试验方案，桩－墙组合基础试验模型除了墙身未设置4根锚杆外，一切试验条件与桩墙锚组合基础模型试验相同。两种基础的位移对比曲线如图14、15所示。

根据图14的水平位移对比曲线分析可知，相同荷载等级下桩墙锚组合基础的水平位移均小于桩－墙组合基础，且随着荷载等级的增加，两种基础之间的水平位移差值越来越大。当荷载较小(<2.0 kN)时，两者的水平位移基本相同，随着荷载加大，桩墙锚组合基础的位移明显小于后者位移，这主要是由于锚杆所提供的水平拉力限制了基础的水平位移。从水平位移变化趋势上来看，两种组合基础在荷载为3.5 kN时产生位移拐点，在此阶段内桩墙锚组合基础的位移变化更加明显，说明锚杆的增设对于组合基础结构的位移限制效果显著。以上结果表明，相对于桩－墙组合基础，锚杆的设置使得桩墙锚组合基础具有更高的水平承载力。

图14 两种组合基础不同荷载面的水平位移对比曲线图

根据图15的竖向位移对比曲线分析可知，在相同的荷载等级作用下，两种组合基础的竖向位移差值较小，荷载为3.0 kN之前，两者的竖向位移基本相同。这是由于锚杆的设置主要为组合基础提供水平拉力，起到限制组合基础侧移的作用，因此对组合基础的竖向位移影响较小。而当荷载>4.0 kN后，桩墙锚组合基础的竖向位移较桩墙基础竖向位移略有减小，这是由于此时基础结构产生的竖向位移和水平位移均已较大，锚杆产生斜向的拉力，制约了桩墙锚组合基础发生转动，从而限制了其竖向位移发展。

图15 两种组合基础不同荷载面的竖向位移对比图

(2)弯矩对比

为研究基础结构受力的差异情况，对两种组合基础的桩墙身弯矩进行分析。

对比取荷载为4.0 kN时的弯矩数据，其结果如图16所示。两种基础弯矩变化趋势基本相同，基础结构本身的弯矩主要由组合基础的上部承担，且该部分的弯矩变化率较大，桩体下部弯矩基本为零，这说明基础结构与周围土体相互作用的主要影响范围在基础上部。即组合基础的上半部分对荷载的反应较为敏感，受水平荷载的影响显著，而下半部分桩体主要起嵌固作用，保证其稳定性。

图16 两种组合基础弯矩－深度对比曲线图

另外，两种基础弯矩的差值情况主要表现在:桩墙锚组合基础承受荷载侧的弯矩相对较小。由此可知，桩墙锚组合基础有更高的抗侧移能力，同时由于锚杆的存在使得基础结构的弯矩分布主要分布于地下墙部分。这是由于上部地下墙部分锚杆的设置使得基础的抗弯能力增加，导致其弯矩分布更加均匀，进而提高了组合基础的抗弯能力并使弯矩分布均匀。相对于桩墙组合基础，桩墙锚组合基础受荷面的弯矩反弯点下移，这是由于锚杆的存在，改变了桩墙基础的受力分布，使最大的剪力出现在第一排锚杆所处水平面。

3 结论

文章提出了一种新型组合基础结构——桩墙锚组合基础，通过室内模型试验对该组合基础的受力及变形等水平承载特性进行了研究，同时将其与桩墙组合基础进行对比，得出的主要结论如下:

(1)在水平荷载作用下，桩墙锚组合基础产生绕某一点的整体转动趋势。随荷载等级的增大，基础顶部的水平位移与竖向位移也逐渐增大，组合基础呈现整体倾斜破坏。

(2)从整体上看，组合基础弯矩主要分布在地下墙部分，桩身位置的弯矩近乎零。受荷面的桩墙弯矩远大于背荷面，随荷载等级的增加弯矩最大处位置与弯矩峰值位置不变。前墙以负弯矩为主且绝对值较大，后墙以正弯矩为主，墙身弯矩分布较为均匀。

(3)在水平荷载下，组合基础背荷面与受荷面的土压力变化趋势基本相同，均呈现K形。地下墙边侧土压力大于中间土压力，并且最大土压力出现在地下墙的中下部。

(4)同工况下的桩墙锚组合基础和桩墙组合基础的变形及弯矩相比，前者的水平位移仅为后者的2/3，前者因锚杆提供的额外水平抗力而减小了基础的侧移，增加了基础的水平承载力，使墙身弯矩分布更加均匀、材料利用更充分。