樁—土—筏共同作用下的沉降特性研究

楊興安

1 工程概況及工程、水文地質條件

該工程為19層框架剪力墻結構,高58.8 m,地下室1層,預計埋深3 m,屬于一級高層建筑,建筑物等級為一級,另主樓有一層裙樓,建筑物等級為二級。本模型建模采用全模型,土體邊界采用5倍的筏板尺寸,樁采用摩擦樁或端承摩擦樁分別模擬,土體厚度40 m,按1層或2層劃分。

2 ANSYS模擬分析

2.1 ANSYS軟件

ANSYS是一套功能十分強大的有限元分析軟件,能實現多場及多場耦合分析,是實現前后處理、求解及多場分析統一數據庫的一體化大型FEA軟件。土體及混凝土樁均采用Solid45單元,土體與樁之間采用粘合接觸,即樁周節點與土具有相同的變形。

本文首先采用單樁模擬,對地勘資料中的主要參數進行模擬擬合,通過單樁模擬計算確定最終群樁模擬計算各參數。

2.2 樁筏基礎與土共同作用的彈塑性分析

本計算土體材料采用D—P材料計算土體的彈塑性變形,施加荷載采用上部結構的傳遞荷載。

3 各參數對沉降量的影響

3.1 筏板彈性模量對整體沉降量的影響

筏板雖然作為彈性材料進行模擬,但是其強度并非無窮大,所以其對整體沉降也具有一定的影響。通過改變筏板彈性模量,對具有典型的筏板上沉降量進行統計分析,得出如圖1所示曲線。

從圖1可以看出,當筏板彈性模量為1E10 Pa時,小于正常混凝土材料彈性模量,筏板上角、邊、中上各個節點沉降差很大,中點沉降量達到了34.8 mm,角點沉降量為22.4 mm,沉降差達到了12.4 mm,說明此時筏板相對柔性較大,其傳遞給樁和樁間土荷載不均勻。隨著筏板彈性模量的逐漸增大,中點沉降減小,邊點和角點的沉降相對增大,當筏板彈性模量達到25E+10(即普通筏板彈性模量10倍)時,筏板上中點的沉降量減小到25.3 mm,角點沉降增加到25.1 mm,差異沉降只有0.2 mm,說明此時筏板基本可以看作為絕對剛體,本身剛度極大,向下均勻傳遞荷載,各樁受力比較均勻,差異沉降很小。說明筏板彈性模量越大,差異沉降越小,但是筏板彈性模量增大是以增加鋼筋含量為代價的,而且根據規范的相應規定,具有一定的差異沉降是允許的,只要控制在允許范圍之內即可。

3.2 筏板厚度對基礎沉降的影響

從圖2可看出,隨著筏板厚度的增加,基礎的沉降不斷減少,但減少速度降低,當筏板厚度從0.8 m增加到1.6 m時,基礎沉降由46.1 mm減少到35.2 mm,厚度由3.2 m增加至4 m時,基礎沉降量由28.6 mm減少到27.1 mm。即當筏板厚度達到一定程度時,利用增加筏板厚度來減小基礎沉降的方法效果并不明顯。

3.3 土體彈性模量和筏板長寬比對整體沉降的影響

本有限元模型計算中,土體材料采用的是D—P模型,該模型主要參數為土體彈性模量和泊松比,土體彈性模量取值一般采用地基土在自重作用和附加應力作用下土體的壓縮模量,從圖3可以看出,土體的彈性模量對整體樁筏基礎的最大沉降量影響比較大,伴隨著土體彈性模量的增大,整體的沉降值大量減小,特別明顯的是當土體的彈性模量由10 MPa增大到30 MPa時,其最大沉降量由86.3 mm減小到17 mm左右,從筏板不同長寬比來看,正方形筏板在相同的荷載作用下沉降量相對比較大,在數值上大23 mm左右,其他非正方形筏板相差較小,即其他普通矩形筏板的長寬比值對沉降量影響不大。由此可以得出一個結論:通過對地基土進行改良,比如反復夯實、對軟土進行置換等都可以大大減小沉降量。同時建筑物筏板盡量不設計為等尺寸。

3.4 筏板與土的彈性模量比對沉降量的影響

本文計算中將土體彈性模量確定,筏板彈性模量分別按照均勻數量級遞增,計算整體最大沉降量的變化趨勢,分析見圖4。

從圖4可以看出,將土的彈性模量確定后,取E0=28.7 MPa,筏板的彈性模量分別取其10倍,100倍,1 000倍,10 000倍和100 000倍,計算其最大沉降值。通過圖4中筏土彈性模量比可以看出,當1≤lgEt/E0≤3時,其沉降量隨著上部筏板彈性模量增大而減小,由 121.3 mm降低到25.2 mm,當 3≤lg Et/E0≤4(該比值為實際中最可能比值)時,沉降量由25.2 mm減小到21.3 mm,減小不明顯,可見,適當增大上部筏板的彈性模量可以減小沉降,當下層土體為軟弱土層時,進行適量的土體置換,即可以大大減小沉降。

3.5 樁長徑比和距徑比對整體沉降量的影響

從圖5可以看出,很明顯樁的距徑比對最終沉降量影響很大,在該模型中,發現樁的距徑比從7～5的過程中,最大沉降量從120 mm降到20 mm左右,但是在3倍樁徑到5倍樁徑之間沉降量變化不大。同時對于樁長徑比來說,對于樁型,特別是摩擦樁或者端承摩擦樁來說對最終沉降量影響比較大,長徑比越大,最終沉降量越小,同樣,長徑比在50,60,70中,變化不是很大,這就是說并不是越大越好,在設計過程中應該根據規范規定的允許變形量和經濟性綜合考慮的基礎上進行合理的選擇。

3.6 筏板下整體沉降量曲線

從圖6可以更加明顯看出,也印證了實際觀測數據中的特征,筏板作為整體受力,其產生的沉降不一致,具有一定的差異沉降,中間節點的沉降量最大,向兩側逐漸減小。其差異沉降量為3.5 mm。

4 結語

1)筏板的鋼筋含有量對整個建筑的不均勻沉降具有很大的影響,其鋼筋含有量越高,剛度越大,其對整個建筑產生的不均勻影響越小。2)筏板下土體的特性對整個建筑的沉降影響較大,土的特性越好,產生的整體沉降越小。3)樁基礎特別是摩擦型樁,其依靠周圍土體與樁之間的摩擦力傳遞荷載,樁長和樁間距對整體沉降和差異沉降影響較大,但是樁間距過小,容易造成群樁效益,使得沉降偏大,本工程樁間距為5倍樁徑,通過計算,其比較合理。4)通過對該建筑進行模擬分析,該建筑基礎設計是比較好的,基礎沉降量和差異沉降均符合規范的要求,甚至部分參數大大小于規范的允許值。5)上部和筏板的整體剛度對最終建筑物的沉降量影響比較大,適當增大上部筏板的彈性模量可以減小沉降,當下層土體為軟弱土層時,進行適量的土體置換,即可以大大減小沉降。也就是說,上部結構和筏板的整體剛度越大,土體的彈性模量越大,沉降量越小,但不是無限度減小。從樁的長徑比和距徑比來看,減小樁間距比增長樁更加有利于減小整體沉降量。

[1] Whitaker T.Some Experiment on Modeling Piled Raft Foundation in Proc,Symp pile Foundation,6th Int,con,Assoc.Bridge struct Eng[C].Clay[A].STOCKHOLM,1986:89-123.

[2] Randolph M.F.,Wroth C.P.Analysis of the Vertical Dformation of Pile Group[J].Geotechnique,1979,29(4):129-180.

[3] 董建國,趙錫宏.高層建筑地基基礎[M].上海:同濟大學出版社,1996.

[4] 趙錫宏.帶群房的高層建筑與地基基礎共同作用的設計理論與實踐[M].上海:同濟大學出版社,1999.

[5] 宰金珉,宰金璋.高層建筑基礎分析與設計[M].北京:中國建筑工業出版社,1993.

[6] 徐秉業,劉信聲.應用彈塑性力學[M].北京:清華大學出版社,1995.

[7] 金問魯,顧堯章.地基基礎實用設計實用施工手冊[Z].1995.

[8] JGJ 94-94,建筑樁基技術規范[S].

[9] GB 50007-2002,建筑地基基礎設計規范[S].

[10] 趙春洪.上部結構—筏基—樁—地基共同作用分析的新方法[D].上海:同濟大學碩士學位論文,1988.

[11] 董建國,趙錫宏.高層建筑與地基基礎共同作用[J].同濟大學,1997(10):9.

[12] 董建國,趙錫宏.高層建筑樁筏和樁箱基礎沉降計算的簡易理論法[M].上海:同濟大學出版社,1989.