軟巖復(fù)合地基與樁基礎(chǔ)動(dòng)力響應(yīng)特征對(duì)比分析

羅 萍， 鐘 靜,2， 胡 熠

(1. 中國(guó)建筑西南勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司, 四川成都 610052; 2. 西南交通大學(xué), 四川成都 610031)

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軟巖復(fù)合地基與樁基礎(chǔ)動(dòng)力響應(yīng)特征對(duì)比分析

羅 萍1， 鐘 靜1,2， 胡 熠1

(1. 中國(guó)建筑西南勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司, 四川成都 610052; 2. 西南交通大學(xué), 四川成都 610031)

為了分析軟巖復(fù)合地基與樁基礎(chǔ)在地震荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)特征，文章以成都龍湖世紀(jì)城工程為背景，分別按照復(fù)合地基方案和樁—筏基礎(chǔ)方案建立有限差分模型，采用非線(xiàn)性動(dòng)力反應(yīng)分析方法，對(duì)地震荷載作用下復(fù)合地基與樁基礎(chǔ)的受力變形特性進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明，在地震荷載作用下，復(fù)合地基較樁基礎(chǔ)能更好地阻礙地震加速度向上部結(jié)構(gòu)傳遞，減少上部結(jié)構(gòu)自重所產(chǎn)生的地震荷載。同時(shí)在復(fù)合地基中的大直徑樁樁頂水平荷載也遠(yuǎn)小于樁基礎(chǔ)中樁頂水平荷載，后者產(chǎn)生的最大水平荷載為644 kPa，約為前者的11.7倍。

復(fù)合地基； 樁基礎(chǔ)； 地震； 動(dòng)力響應(yīng)

1 背景工程介紹

龍湖世紀(jì)城項(xiàng)目位于成都市高新區(qū)天府大道旁，建筑物包括十棟超高層住宅建筑，其中世紀(jì)城一期工程為兩座45層的超高層建筑，建筑基礎(chǔ)埋深-13.6 m，設(shè)計(jì)基底壓力約915 kPa。場(chǎng)地內(nèi)基礎(chǔ)直接持力層為砂卵石層，基礎(chǔ)以下地層依次為砂卵石層、強(qiáng)泥巖、中風(fēng)化巖。由于建筑對(duì)基地承載力的要求較高，若采用筏板基礎(chǔ)以密實(shí)卵石作基礎(chǔ)持力層，地基很難滿(mǎn)足承載力要求，因此根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況制定出復(fù)合地基和樁筏基礎(chǔ)兩套方案。其中，復(fù)合地基方案采用大直徑素混凝土挖孔樁復(fù)合地基，設(shè)計(jì)樁徑為1.5 m，樁長(zhǎng)約12 m，樁間距3 m，共布置621根素混凝土樁，褥墊層厚度為0.2 m，樁身混凝土強(qiáng)度為C20，要求處理后復(fù)合地基承載力不小于900 kPa；樁筏基礎(chǔ)方案中塔樓部分筏板厚度為2.2 m，筏板混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，筏板下基樁采用人工挖孔灌注樁，樁徑1.5 m，樁長(zhǎng)約17 m，樁間距為4.0 m，樁身混凝土等級(jí)為C30，護(hù)壁混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20，單樁承載力特征值為4 500 kPa，共布置198根人工挖孔灌注樁。

2 模型建立及參數(shù)選取

2.1 建立模型

建立的模型長(zhǎng)×寬×高為90 m×48 m×170 m，筏板基礎(chǔ)尺寸為60 m×24 m。模型中樁徑樁間距等尺寸與制定的復(fù)合地基及樁筏基礎(chǔ)方案完全一致。考慮到整個(gè)結(jié)構(gòu)在受到地震作用下的相互變形影響關(guān)系，因此復(fù)合地基的上部設(shè)計(jì)荷載不能直接通過(guò)施加靜荷載的方式來(lái)等效代替，在動(dòng)力響應(yīng)分析中建立了實(shí)體建筑上部結(jié)構(gòu)單元，上部結(jié)構(gòu)單元產(chǎn)生的自重荷載大小與實(shí)際荷載情況一致，同時(shí)重心位置和長(zhǎng)寬比與實(shí)際建筑相同。地基中巖土層從上自下分別為卵石土層、強(qiáng)風(fēng)化泥巖和中風(fēng)化泥巖，厚度分別為19.35 m、6 m、8 m，其中有12 m高的實(shí)體單元埋置在卵石土層中，為建筑物地面以下部分。建立的復(fù)合地基模型如圖1所示，為了能展示出地基中各部分結(jié)構(gòu)，在示意圖中將模型下部地層剖開(kāi)。

圖1 建立復(fù)合地基模型示意

2.2 物理力學(xué)參數(shù)設(shè)置

模型中不同地層的物理力學(xué)指標(biāo)按照 《成都龍湖世紀(jì)城項(xiàng)目巖土工程詳細(xì)勘察報(bào)告》中的巖土物理力學(xué)推薦值進(jìn)行取值，模型中動(dòng)彈性模量按照彈性模量的1.4倍取值，各層的力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

2.3 地震荷載取值

在進(jìn)行地震動(dòng)荷載分析時(shí)，以汶川地震為動(dòng)荷載原型。考慮到龍湖世紀(jì)城所在的成都地區(qū)在汶川地震時(shí)位于烈度7度區(qū)，因此保持地震加速度時(shí)程曲線(xiàn)波形不變，依據(jù)7度區(qū)最大加速度振幅0.1g對(duì)汶川地震臥龍加速度時(shí)程曲線(xiàn)進(jìn)行折減，折減后的地震加速度時(shí)程曲線(xiàn)如圖2所示。從圖中可以看出，地震加速度時(shí)程包括三個(gè)方向，分別是水平EW方向、水平NS方向和豎直方向。第20 s后加速度振幅開(kāi)始逐漸增大，其中水平EW方向最大加速度為0.957 m/s2，水平NS最大加速度為0.652 m/s2，豎直最大加速度為0.948 m/s2，第35 s后加速度開(kāi)始逐漸趨于平緩。數(shù)值模擬時(shí)以折減后20～35 s的加速度時(shí)程曲線(xiàn)來(lái)定義動(dòng)荷載。動(dòng)荷載施加在模型最底面的平面上，其中X方向輸入水平EW方向的加速度時(shí)程，Y方向輸入水平NS方向的加速度時(shí)程，Z方向輸入豎直方向加速度時(shí)程。

表1 模型地層力學(xué)參數(shù)

圖2 汶川地震臥龍加速度時(shí)程曲線(xiàn)

2.4 模型邊界設(shè)置

在實(shí)際情況中建筑物地基部分為一個(gè)空間半無(wú)限體，為了使得地震波在模型邊界上不會(huì)產(chǎn)生反射，在模型中采用自由場(chǎng)邊界(free-field boundary)對(duì)模型巖土體四周進(jìn)行約束。自由場(chǎng)邊界在模型四周生成網(wǎng)格和單元，主體網(wǎng)格的側(cè)邊界通過(guò)阻尼器與自由場(chǎng)網(wǎng)格進(jìn)行耦合，自由場(chǎng)網(wǎng)格的不平衡力施加到主體網(wǎng)格的邊界上，為模型提供與無(wú)限場(chǎng)地相同的效果。

3 水平方向地震動(dòng)力響應(yīng)分析

在地震作用過(guò)程中，地震荷載加速度由模型底部傳遞至筏板基礎(chǔ)上。因此模型中存在EW和NS兩個(gè)方向的地震水平力作用，由于EW方向的振幅更大，因此以EW方向的地基加速度為例進(jìn)行說(shuō)明。計(jì)算得到兩模型中筏板基礎(chǔ)上部EW方向的加速度時(shí)程曲線(xiàn)如圖3、圖4所示。從圖中可以看出，復(fù)合地基模型中伐板基礎(chǔ)水平方向加速度峰值約為1.1 m/s2，樁基礎(chǔ)模型中筏板基礎(chǔ)水平方向最大加速度約為1.4 m/s2，復(fù)合地基模型計(jì)算得出的水平方向地震加速度要小于樁基礎(chǔ)模型，復(fù)合地基較樁基小約27.27 %。

圖3 復(fù)合地基模型筏板上方水平方向加速度時(shí)程曲線(xiàn)

圖4 樁基礎(chǔ)模型筏板上方水平方向加速度時(shí)程曲線(xiàn)

復(fù)合地基中素混凝土樁沒(méi)有與筏板基礎(chǔ)剛性連接，因此在水平地震荷載作用下，素混凝土樁沒(méi)有直接承受上部結(jié)構(gòu)傳遞下來(lái)的水平荷載，而樁基礎(chǔ)模型中樁基礎(chǔ)與筏板間為剛性連接，將直接承受上部結(jié)構(gòu)傳遞下來(lái)的水平荷載。兩模型中樁頂EW方向的水平應(yīng)力時(shí)程曲線(xiàn)如圖5、圖6所示。從圖中可以看出，復(fù)合地基模型中樁頂應(yīng)力變化始終處于一個(gè)比較小的范圍內(nèi)，出現(xiàn)的最大瞬時(shí)應(yīng)力也只有55 kPa，而樁基礎(chǔ)模型中樁頂水平應(yīng)力遠(yuǎn)大于復(fù)合地基模型，出現(xiàn)的最大瞬時(shí)應(yīng)力為644 kPa，后者為前者的11.7倍。

圖5 復(fù)合地基模型樁頂水平應(yīng)力時(shí)程曲線(xiàn)

圖6 樁基礎(chǔ)模型樁頂水平應(yīng)力時(shí)程曲線(xiàn)

4 豎直方向地震動(dòng)力響應(yīng)分析

在不同的模型中，豎直方向地震加速度傳遞特性相比水平方向受結(jié)構(gòu)差異影響更小，因此在對(duì)不同模型數(shù)值方向地震動(dòng)力響應(yīng)分析時(shí)，主要通過(guò)不同模型中樁頂豎向應(yīng)力來(lái)進(jìn)行分析。不同模型計(jì)算得到地震動(dòng)荷載作用下，樁頂豎直方向的應(yīng)力時(shí)程曲線(xiàn)如圖7、圖8所示。從圖中可以看出，復(fù)合地基模型中樁頂初始豎向應(yīng)力約為4.4 MPa，地震荷載施加后樁頂瞬時(shí)最大豎向應(yīng)力為5.54 MPa，增大約25.9 %；樁基礎(chǔ)模型中樁頂初始豎向應(yīng)力約為5.5 MPa，地震荷載施加后樁頂瞬時(shí)最大豎向應(yīng)力為6.97 MPa，增大約26.7 %。因此可以認(rèn)為兩種地基基礎(chǔ)形式在豎直方向的地震動(dòng)力響應(yīng)差異并不大。

圖7 復(fù)合地基模型樁頂豎向應(yīng)力時(shí)程曲線(xiàn)

圖8 樁基礎(chǔ)模型樁頂豎向應(yīng)力時(shí)程曲線(xiàn)

5 地基巖土破壞特征分析

分析地震荷載作用下，建筑周邊巖土體塑性區(qū)分布情況，復(fù)合地基模型和樁基礎(chǔ)模型中巖土體塑性區(qū)分布如圖9、圖10所示。從圖中可以看出，兩種地基基礎(chǔ)模型的巖土體塑性區(qū)分布特征基本相同，當(dāng)計(jì)算結(jié)束時(shí)，復(fù)合地基模型中建筑物上部結(jié)構(gòu)四周地面部分土體、墊層、樁頂和樁底周?chē)糠謳r土體仍處于塑性區(qū)，樁基礎(chǔ)模型同樣也是上部結(jié)構(gòu)四周地面部分土體、樁頂和樁底周?chē)休^少巖土體仍處于塑性區(qū)。從塑性區(qū)分布特征中可以看出，采用不同的地基基礎(chǔ)形式對(duì)地震作用下建筑周邊巖土體的影響較小，但當(dāng)采用復(fù)合地基模型時(shí)，由于下部沒(méi)有實(shí)體基礎(chǔ)與建筑結(jié)構(gòu)直接連接，因此需要注意地震作用下建筑結(jié)構(gòu)在水平運(yùn)動(dòng)過(guò)程中周邊巖土的支撐情況。

圖9 復(fù)合地基模型塑性區(qū)分布

5 結(jié) 論

圖10 樁基礎(chǔ)模型塑性區(qū)分布

(1)采用復(fù)合地基加筏板基礎(chǔ)的模型較采用樁基礎(chǔ)的模型在地震來(lái)臨時(shí)能更好的阻礙地震荷載傳播至上部結(jié)構(gòu)，減少上部結(jié)構(gòu)自重所產(chǎn)生的地震荷載。

(2)在地震作用下上部結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生較大的水平荷載，采用復(fù)合地基的模型在樁頂產(chǎn)生的水平荷載要遠(yuǎn)小于較采用樁基礎(chǔ)的模型，后者產(chǎn)生的最大水平荷載約為644 kPa，約為前者的11.7倍。

(3)復(fù)合地基與樁基礎(chǔ)相比，由于下部沒(méi)有實(shí)體基礎(chǔ)與建筑結(jié)構(gòu)直接連接，地震作用時(shí)建筑結(jié)構(gòu)在水平運(yùn)動(dòng)過(guò)程中需要周邊巖土體提供更大的水平支撐，在建筑抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)重視。

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中建股份科技研發(fā)課題(項(xiàng)目編號(hào):CSCEC-2015-Z-22)

羅萍，女，工程師，主要從事巖土工程方面的工作。

TU470

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[定稿日期]2017-02-20