深厚軟土地基上建筑物沉降控制方法

尹玉，尹長權(quán)

深厚軟土地基上建筑物沉降控制方法

尹玉1，尹長權(quán)2

（1.天津港圣瀚石化碼頭有限公司，天津300457；2.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津300222）

真空預(yù)壓、剛性基礎(chǔ)、筏板基礎(chǔ)和樁筏基礎(chǔ)是軟基處理中較常用的形式，不同形式對建筑物基礎(chǔ)沉降的影響亟待研究。應(yīng)用巖土大型有限元軟件PLAXIS分析比較不同基礎(chǔ)形式以及真空預(yù)壓前后對建筑物沉降影響。未經(jīng)過真空預(yù)壓情況下，樁筏基礎(chǔ)的沉降量是剛性基礎(chǔ)沉降量的1/7左右，是筏板基礎(chǔ)沉降量的1/2左右。同為剛性基礎(chǔ)，經(jīng)過真空預(yù)壓處理后基礎(chǔ)沉降量減少了80%左右，筏板基礎(chǔ)沉降量減少了60%，樁筏基礎(chǔ)沉降量減少了40%。

軟土地基；基礎(chǔ)形式；沉降控制

0　引言

軟土地基承載力低，壓縮性大，強(qiáng)度增長緩慢，加載后易變形且不均勻，變形速率大且穩(wěn)定時間長，具有滲透性小、觸變性及流變性大的特點(diǎn)，不易滿足建筑物地基設(shè)計(jì)要求，故需進(jìn)行處理。軟土地基有五種處理方法，分別是樁基法、換土法、灌漿法、排水固結(jié)法和加筋法，而這些方法中應(yīng)用最廣的是真空預(yù)壓排水固結(jié)法和樁基法。真空預(yù)壓法適用于大面積軟基處理，工藝設(shè)備簡單，易操作，但處理時間稍長，使其推廣受到時效性的影響。當(dāng)軟土層厚度超過40 m時，深層處理效果難以保證，可采用打入樁處理，也可以采用灌注樁。各種軟基處理方法各有利弊，如何才能發(fā)揮各自優(yōu)勢而又具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，將成為研究的熱點(diǎn)[1]。

本文以天津?yàn)I海新區(qū)某項(xiàng)目為例，從不同地基處理形式出發(fā)，在同一軟土基礎(chǔ)上，研究建筑物擬采用的真空預(yù)壓、剛性基礎(chǔ)、筏板基礎(chǔ)和樁筏基礎(chǔ)進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析[2]，以明確不同地基處理方式和基礎(chǔ)形式對建筑物沉降的影響。

1　工程概況

本項(xiàng)目位于天津?yàn)I海新區(qū)，擬建工程包括5層辦公樓，整體一層地下室，地下室埋深2.0 m。該場地埋深60 m深度范圍內(nèi)，地基土按成因年代可分為人工填土層（Qml）、全新統(tǒng)中組海相沉積層（Q42m）、全新統(tǒng)下組沼澤相沉積層（Q4lh）、全新統(tǒng)下組陸相沖積層（Q4lal）、上更新統(tǒng)第五組陸相沖積層（Q3eal）、上更新統(tǒng)第四組濱海潮汐帶沉積層（Q3dmc）、上更新統(tǒng)第三組陸相沖積層（Q3eal）七層，由于黏土參數(shù)差異較小，故采用均值代表黏土性能參數(shù)。勘察期間測得場地初見水位埋深1.50～1.80 m，靜止水位埋深0.50～0.80 m。表層地下水屬潛水類型，主要由大氣降水補(bǔ)給，以蒸發(fā)形式排泄，水位隨季節(jié)有所變化，一般年變幅在0.50～1.00m左右。

由于工程處于軟基上，雖然各種地基處理方式和基礎(chǔ)形式都具有明顯優(yōu)勢和特點(diǎn)，但可以對地基和基礎(chǔ)形式進(jìn)行仿真模擬，以明確投資與建筑物沉降的關(guān)系。由此選取剛性基礎(chǔ)、筏板基礎(chǔ)和樁筏基礎(chǔ)三種基礎(chǔ)形式，以及采用真空預(yù)壓和不采用真空預(yù)壓后剛性基礎(chǔ)沉降量為研究目標(biāo)，對建筑物的基礎(chǔ)開挖和建造過程進(jìn)行有限元模擬仿真。

2　基本參數(shù)

選用大型巖土工程有限元分析軟件PLAXIS 3D對建筑物和基礎(chǔ)相互作用進(jìn)行仿真分析。取基礎(chǔ)黏土深度40m，長和寬分別為150 m的正方體進(jìn)行模擬，地基范圍取建筑物長和寬分別為18 m，上部結(jié)構(gòu)自重按照面荷載施加。為節(jié)省計(jì)算時間，取建筑物和基礎(chǔ)1/4部分構(gòu)建模型，沿對稱線施加對稱邊界條件。計(jì)算分為三種工況，分別是剛性基礎(chǔ)、梁板式基礎(chǔ)和樁筏式基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)自重采用作用在梁板上的等效荷載模擬，基礎(chǔ)中所打設(shè)的樁采用Embedded樁模擬[3]。重力加速度取9.81m/s2，計(jì)算所用材料參數(shù)如表1所示。

表1　模型材料參數(shù)統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical table of model material parameters

3　仿真分析比較

3.1未經(jīng)真空預(yù)壓處理地基

3.1.1樁筏式基礎(chǔ)

樁筏基礎(chǔ)是樁基和筏板基礎(chǔ)的合稱，是由樁和連接樁頂?shù)某信_組成的深基礎(chǔ)。樁基不是結(jié)構(gòu)，是人工地基，而筏板是結(jié)構(gòu)的組成部分，對于有地下室的建筑經(jīng)常采用筏板基礎(chǔ)，如果地基土的承載力不能滿足承載力要求或者沉降要求，常采用這種地基處理方式。樁基具有承載力高、沉降量小而較均勻的特點(diǎn)，幾乎可以應(yīng)用于各種工程地質(zhì)條件和各種類型的工程，尤其適用于建筑在軟弱地基上的重型建（構(gòu)）筑物。

根據(jù)工程實(shí)際情況對樁筏式基礎(chǔ)建模如圖1所示。

圖1　樁筏式基礎(chǔ)沉降建模Fig.1 Settlement model of piled raft foundation

在此工況用Embedded樁模擬鉆孔樁，樁長20 m，直徑1.5m，總共創(chuàng)建4根樁。

樁筏基礎(chǔ)由50 cm厚的混凝土板和混凝土梁組成，地下室混凝土墻厚為30 cm，在底板上布設(shè)有梁單元，上部樓層荷載通過柱子和地下室墻傳到底板上再傳給基礎(chǔ)，柱子承受11 650 kN荷載，地下室墻承擔(dān)385 kN/m的線荷載，地下室底板上分布有5.3 kPa的均布荷載，為更好地考慮實(shí)際情況，黏土層剛度隨深度加深而增大，深度每增大1m，剛度增大500 kPa。

圖2　樁筏式基礎(chǔ)沉降應(yīng)力應(yīng)變云圖Fig.2 Settlement stress and strain of piled raft foundation

計(jì)算結(jié)果如圖2所示。為直觀認(rèn)識建筑物沉降，在此只顯示Z方向上的沉降和應(yīng)力[4]。

由計(jì)算云圖可知，樁筏式基礎(chǔ)壓應(yīng)力最大值為1 320 kPa，壓應(yīng)力最小值為-5 255 kPa；總沉降的最大值為0.142 7 m，發(fā)生在樁筏基礎(chǔ)的樁身位置。

3.1.2筏板式基礎(chǔ)

筏板基礎(chǔ)由底板、梁等整體組成，是把柱下獨(dú)立基礎(chǔ)或者條形基礎(chǔ)全部用聯(lián)系梁聯(lián)系起來，下面再整體澆筑底板，由底板、梁等整體組成。建筑物荷載較大，地基承載力較弱，常采用混凝土底板，其整體性好，能很好的抵抗地基不均勻沉降。

根據(jù)工程實(shí)際情況對筏板式基礎(chǔ)建模。

由計(jì)算結(jié)果可以得知，筏板式基礎(chǔ)壓應(yīng)力最大值為833.2 kPa，壓應(yīng)力最小值為-4 999 kPa；總沉降的最大值為0.242 5 m，發(fā)生在筏板基礎(chǔ)的下緣。

3.1.3剛性基礎(chǔ)

剛性基礎(chǔ)指用磚、石、灰土、混凝土等抗壓強(qiáng)度大而抗彎、抗剪強(qiáng)度小的材料做基礎(chǔ)，常用的有磚、灰土、混凝土、三合土、毛石等，用于地基承載力較好、壓縮性較小的中小型民用建筑。

根據(jù)工程實(shí)際情況對剛性基礎(chǔ)建模。

由計(jì)算結(jié)果可知，剛性基礎(chǔ)壓應(yīng)力最大值為104.3 kPa，壓應(yīng)力最小值為-719.5 kPa，總沉降的最大值為1.018m，發(fā)生在剛性基礎(chǔ)的下緣。

3.2真空預(yù)壓處理后地基

真空預(yù)壓法是在軟黏土中設(shè)置豎向塑料排水帶或砂井，上鋪砂層，再覆蓋薄膜封閉，抽氣使膜內(nèi)排水帶、砂層等處于部分真空狀態(tài)，排除土中的水分，使土預(yù)先固結(jié)以減少地基后期沉降的一種地基處理方法。

3.2.1樁筏式基礎(chǔ)

由計(jì)算云圖3可以得知，樁筏式基礎(chǔ)壓應(yīng)力最大值為1 318 kPa，最小值為-5 271 kPa。總沉降的最大值為0.083 4m，發(fā)生在樁筏基礎(chǔ)的樁身位置。

3.2.2筏板式基礎(chǔ)

由計(jì)算結(jié)果可知，筏板式基礎(chǔ)壓應(yīng)力最大值為837.1 kPa，壓應(yīng)力最小值為-5 029 kPa；總沉降的最大值為0.102 9m，發(fā)生在筏板基礎(chǔ)的下緣。

3.2.3剛性基礎(chǔ)

由計(jì)算結(jié)果可知，剛性基礎(chǔ)壓應(yīng)力最大值為95.84 kPa，壓應(yīng)力最小值為-854.2 kPa；總沉降的最大值為0.205 9 m，發(fā)生在剛性基礎(chǔ)的下緣。

圖3　真空預(yù)壓處理后樁筏基礎(chǔ)沉降應(yīng)力應(yīng)變云圖Fig.3 Settlement stress and strain of piled raft foundation after vacuumpreloading treatment

3.3計(jì)算結(jié)果比較分析

各種基礎(chǔ)處理方式最大應(yīng)力和沉降量仿真計(jì)算結(jié)果見表2，根據(jù)仿真分析結(jié)果可知，真空預(yù)壓前后不同形式基礎(chǔ)的應(yīng)力最大位置基本相同，但經(jīng)過真空預(yù)壓處理后的基礎(chǔ)沉降量明顯減小，在兩種地基情況條件下，基礎(chǔ)沉降規(guī)律一致，沉降量從大到小分別是剛性基礎(chǔ)、筏板基礎(chǔ)以及樁筏基礎(chǔ)。未經(jīng)過真空預(yù)壓情況下，樁筏基礎(chǔ)的沉降量是剛性基礎(chǔ)沉降量的1/7左右，是筏板基礎(chǔ)沉降量的1/2左右。同為剛性基礎(chǔ)，經(jīng)過真空預(yù)壓處理后基礎(chǔ)沉降量減少了80%左右，筏板基礎(chǔ)沉降量減少了60%，樁筏基礎(chǔ)沉降量減少了40%。

表2　應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算結(jié)果匯總表Table 2 Summary of stress and strain calculation results

4　結(jié)語

根據(jù)軟基基礎(chǔ)上的不同地基形式建筑物有限元仿真分析結(jié)果顯示由仿真結(jié)果可見，建筑物自重以及荷載由筏板式基礎(chǔ)的筏板、樁筏式基礎(chǔ)的樁承擔(dān)，樁筏式基礎(chǔ)沉降量最少；在未經(jīng)過真空預(yù)壓處理的地基，樁筏式基礎(chǔ)沉降量只有剛性基礎(chǔ)沉降量的14%；經(jīng)過真空預(yù)壓處理后的地基基礎(chǔ)沉降減小趨勢明顯，樁筏式基礎(chǔ)沉降量減少了40%。

如果資金和施工時間允許的情況下，建議首選真空預(yù)壓對建筑物地基進(jìn)行處理。如果工期要求緊張，在充分模擬仿真情況下，優(yōu)選樁筏基礎(chǔ)作為未經(jīng)處理地基的基礎(chǔ)形式，減少建筑物施工后的不均勻沉降量以保證建筑物安全。

[1]董建國，趙錫宏.樁箱（筏）基礎(chǔ)沉降計(jì)算新方法[J].巖土工程學(xué)報(bào)，1996（1）：80-84. DONG Jian-guo,ZHAOXi-hong.A newmethod forcalculating the foundation settlementofpilebox[J].Chinese JournalofGeotechnical Engineering,1996(1):80-84.

[2]陳仁朋，凌道盛，陳云敏.群樁基礎(chǔ)沉降計(jì)算中的幾個問題[J].土木工程學(xué)報(bào)，2003（10）：89-94. CHENRen-peng,LINGDao-sheng,CHEN Yun-min.Some problems in the calculation for settlementof pile-group foundation[J]. ChinaCivil Engineering Journal,2003(10):89-94.

[3]楊敏，張俊峰.軟土地區(qū)樁基礎(chǔ)沉降計(jì)算實(shí)用方法和公式[J].建筑結(jié)構(gòu)，1998（7）：43-48. YANGMin,ZHANG Jun-feng.A practical approach and practical of the settlementof pile foundation in soft clay[J].Building Structure,1998(7):43-48.

[4]姜晨光，賀勇，任榮，等.建筑基礎(chǔ)沉降與上部結(jié)構(gòu)傾斜的聯(lián)合監(jiān)測與分析[J].城市勘測，2001（2）：36-38. JIANGChen-guang,HEYong,RENRong,etal.Combinedmonitoring and analysis of building foundation subsidence and upper structure inclination[J].Urban Geotechnical Investigation,2001(2): 36-38.

Control method of building subsidence on thick-layer soft soil foundation

YIN Yu1,YIN Chang-quan2
（1.Tianjin PortShenghan Petrochemical TerminalCo.,Ltd.,Tianjin 300457,China; 2.Tianjin Port Engineering Institute Co.,Ltd.,Tianjin 300222,China）

Vacuum preloading,rigid foundation,raft foundation and piled raft foundation aremore commonly foundation forms used in soft foundation treatment.The influence of different forms on the building foundation subsidence needs to be studied urgently.PLAXIS is large finite element software of rock and soil,which can simulate and compare the influence of different foundation formsand vacuum preloading on the building subsidence.The settlementof the piled raft foundation is about1/7 of the rigid foundation settlement,and it is the 1/2 of the raft foundation settlementwithout vacuum preloading.The same as the rigid foundation,after the vacuum preloading treatment,the foundation settlement is reduced by 80%,the raft foundation settlement is reduced by 60%,and the pile raft foundation settlement is reduced by 40%.

soft soil foundation;foundation form;subsidence control

U655.54；TU472.33

A

2095-7874（2016）04-0039-04

10.7640/zggw js201604010

2015-10-30

2015-12-16

尹玉（1979—），男，河北深州市人，工程師，從事海岸與近海工程方面的研究和管理工作。E-mail：18701255706@126.com