異形混凝土構件處理填土場地不均勻沉降的數值模擬

潘黎芳，孫政波，劉興旺

（1.浙江理工大學，浙江 杭州 310018；2.浙江省建筑設計研究院，浙江 杭州 310006）

0 引言

在地勢低洼的場地進行工程建設時常常需要大面積填土，對樁基礎建筑而言，柱、墻等主體結構下部往往設置樁基礎而沉降較小，但室內地坪一般均采用新填土地基的剛性地坪，填土較厚時，沉降較大，在靠近柱、墻部位的地坪受樁基礎影響沉降較小。因此，室內地坪常常存在明顯的不均勻下陷，從而影響建筑物內精密設備等的正常使用。

軟土地基沉降控制措施很多，處理方法需結合地基特性、差異沉降控制標準等因素確定。目前常采用真空-堆載聯合預壓等方法來控制工后沉降，但是工期較長；大面積換填雖然可以有效減小場地沉降，但是對填土要求較高且不夠經濟。在高填方路堤沉降控制中，樁承式路基利用土拱效應，有效控制了路堤表面的不均勻沉降，在國內外有了成功的應用[1-2]。對于廠房等建筑物的沉降控制，目前尚無有效的不均勻沉降控制措施。

本文借鑒高填方路基控制道路差異沉降的思路，結合廠房等建筑物回填及荷載作用與高填方路基的差別，提出了一種利用異形混凝土構件來控制場地不均勻沉降的措施。采用PLAXIS建立異形構件土拱效應的數值模型，驗證了處理措施的可行性，同時探討了填土高度、構件凈距、荷載水平、水平加筋體等因素對構件控制不均勻沉降效果的影響，提出了針對構件布置的設計指導意見。

1 差異沉降控制措施

利用異形混凝土構件來控制場地不均勻沉降的措施，主要是通過在樁基礎附近設置一剛性異形混凝土構件，該構件與樁基礎完全脫開，二者可以自由沉降。其控制差異沉降的原理是：在填土自重及室內地坪的荷載作用下，由于構件的剛度遠大于場地填土，因此構件與填土之間發生相對位移，該相對位移引起的剪應力會將中間填土區域（圖1中的②）的部分豎向荷載轉移到構件區域（圖1中的①），從而減小場地的不均勻沉降，這就是異形構件的土拱效應[3-5]。通過荷載分析、承載力和沉降計算等，可以確定構件的尺寸、配筋等參數。

圖1 異形構件控制填土場地地坪不均勻沉降Fig.1 Control of differential settlement of filled ground with special-shaped structure

2 數值模擬

在上述處理思路下，本文利用有限元分析軟件PLAXIS進行了數值模擬，分析了填土高度、構件凈距、水平加筋體、荷載水平等因素對地坪處差異沉降、構件-土應力比的影響。

2.1 計算模型

對典型工況進行構件減沉效果驗證分析，取廠房跨度為9.0 m，填土厚度為1.5 m，構件凈距為0.8 m，地表豎向荷載為20 kPa。為了方便模擬，場地土層簡化為3層，從上到下分別為填土、粉質黏土和砂土。有限元計算模型如圖2所示，其中計算深度取為10 m，計算寬度取為20 m，以消除邊界條件的影響。模型底部（Z=0）處X、Y方向均被約束，在模型左右邊界處（X=0、X=20）處，X方向變形被約束。通過激活和凍結土體單元和荷載來控制場地回填及荷載的施加。

圖2 有限元分析模型Fig.2 Model of finite element analysis

有限元分析結果的可靠性取決于所用計算模型是否準確反映原型的真實情況，例如材料本構的選取，邊界條件的模擬，荷載施加的順序等。承臺、樁基和異形混凝土構件采用線彈性模型，混凝土彈性模量E=30 GPa，泊松比=0.2。土單元采用小應變硬化模型，相比線彈性模型，其屈服空間隨著塑性應變的發展而擴張。網格密度選擇中等，采用15節點的三角形單元進行有限元網格劃分。模型中土體的參數具體見表1。

表1 模型中土體計算參數Table 1 Soil parametersin the model

2.2 減沉效果驗證

圖3給出了未處理場地和異形構件處理場地在填土自重和荷載作用下的地表沉降變化，采用最大沉降與最小沉降之差表示地表差異沉降。由圖可知，在填土自重作用下，未處理場地的差異沉降為33.5 mm，當采用減沉處理后，場地差異沉降減小到20.8 mm，即異形構件的存在使差異沉降減小了38%；同樣，在地面荷載作用下，未處理場地的差異沉降約為56.3 mm，當采用減沉處理后，地表差異沉降減小為41.8 mm，減小比例為26%。特別是在采用異形構件處理后，構件位置處整體沉降較未處理前有明顯增大（8 mm），這也證明了土拱效應的存在導致混凝土構件分擔了部分豎向荷載。

圖3 異形構件處理前后地表沉降對比Fig.3 Comparison of surface settlementsbefore and after treatment with special-shaped structure

由于異形混凝土構件減沉機理是利用土拱效應，而土拱效應本質上源自于土體的應力重分布。因此，場地內土體豎向應力分布是土拱效應最直接的表現。分析減沉處理前后場地在地面荷載作用下土體豎向應力云圖可知，在填土自重和荷載作用下，異形混凝土構件處與周邊土體存在相對位移，因此而產生的剪應力導致了荷載轉移，一部分荷載轉移到了同深度的構件上，使得同一深度處的構件所受的豎向應力大于周邊土體所受的豎向應力，即表現為土拱效應。由于構件的存在導致土體豎向應力的減小和構件處豎向應力的增加，因此確保了差異沉降的減小。

為了定量評價土拱效應的發揮程度，將減沉處理前后土體中（構件埋深處）的豎向土壓力之比定義為土拱效應系數η：

式中：P處理為異形構件處理后構件埋深處的豎向土壓力；P未處理為未處理場地構件埋深處的豎向土壓力。當η=1.0時，無土拱效應，當η=0時，土拱效應全部發揮。本次分析中，在填土自重作用下土拱效應系數η為0.79，豎向荷載施加后土拱效應系數略有增加，為0.76，即構件的存在導致土體中豎向應力減小20%～25%。

3 參數分析

為了更好地發揮異形混凝土構件的土拱效應，最大程度地減小地表差異沉降，分析了填土厚度、構件凈距、荷載水平、加筋體強度對土拱效應發揮的影響。通過參數分析，提出異形構件布置的優化建議。

3.1 填土厚度

圖4給出了不同填土厚度場地中異形構件（凈距D=1.0 m）的減沉效果。

圖4 填土厚度對構件減沉作用的影響Fig.4 The influenceof the thickness of the filled earth on settlementsreduction

由圖4可知，隨著填土厚度的增加，異形混凝土構件減小差異沉降的效果逐漸增大。對于填土厚度較?。?.5～1.0 m）的場地，構件的存在可減小20%的地表差異沉降，即貢獻較小；對于填土厚度超1.5 m的場地，構件的減沉作用較為明顯，特別當填土厚度達到4.0 m時，異形混凝土構件可使差異沉降減小約45%左右。

3.2 構件凈距

同一填土高度下，不同凈距對異形構件減沉效果的影響如圖5所示。由圖可知，減沉效果隨著構件凈距的增加而明顯降低。對于填土厚度為2.0 m的場地，當布置的構件凈距大于4.0 m時，構件僅僅能降低場地15%的差異沉降，當減小構件凈距到1.5 m以內時，場地的差異沉降減小25%以上。

圖5 構件凈距對構件減沉作用的影響Fig.5 The influenceof component distance on settlements reduction

3.3 荷載水平

場地不同荷載水平對構件的減沉效果分析結果如圖6所示。計算時，取填土厚度為2.0 m，構件凈距1.0 m。可以發現，雖然不同荷載水平作用下地表沉降量大小不同，引起的構件-土相對位移量大小也不同，但是場地差異沉降的減小比例基本一樣。因此，異形構件減沉效果能有效適用于不同荷載水平場地。

圖6 荷載水平對構件減沉作用的影響Fig.6 The influence of live load on settlements reduction

3.4 水平加筋體

為了考察水平加筋體對土工效應發揮的影響，本文在異形構件表面以上50 mm處布置了水平加筋體。水平加筋體只有抗拉強度而無抗彎、抗剪強度，其豎向變形與土體協調。圖7給出了布置不同抗拉強度水平加筋體時構件的減沉效果。水平加筋體的提兜作用雖然能減小地表的整體沉降，但是對控制差異沉降的作用有限，該分析結論也與室內試驗結果一致[6-7]。

圖7 水平加筋體強度對構件減沉作用的影響Fig.7 The influenceof horizontal reinforcement on settlementsreduction

4 構件優化布置建議

根據上述參數分析結果可以發現，構件的減沉效果發揮主要影響因素是場地的填土厚度和構件凈距。以填土厚度與構件凈距之比H/D作為分析指標，分析構件減沉效果。圖8給出了差異沉降減小比例隨H/D的變化規律。

圖8 構件H/D對構件減沉作用的影響Fig.8 The influence of H/D on settlementsreduction

由圖8可見，隨著H/D的增大，差異沉降減小比例顯著增加。當構件H/D值小于1.0時，異形構件的存在僅可減少10%～20%的差異沉降；當H/D值達到1.5以上時，場地的差異沉降會顯著降低30%以上。因此，以減小差異沉降30%為基本目標，當采用布置異形混凝土構件來減小場地不均勻沉降時，對于不同填土厚度的場地，建議構件的凈距H/D值大于1.5。

當廠房跨度較大或填土厚度較小，為確保填土厚度與構件凈距之比大于1.5，可能會導致構件凈距過小，而構件長度較大，方案經濟性不足。對于此類情況，可采用如圖9所示的異形構件“間隔布置”的方案來同時確保減沉效果和經濟性?？缍?8 m、填土厚度1.5 m、構件凈距1.0 m時2種方案的地表差異沉降基本相同（圖10）。

圖9 構件間隔布置示意圖Fig.9 Schematic diagram of interval arrangement of components

圖10 構件間隔布置對減沉作用的影響Fig.10 The influence of interval arrangement of componentson settlements reduction

5 結語

本文提出了利用異形混凝土構件來控制場地不均勻沉降的措施，該方法利用構件的土拱效應，將一部分填土自重及豎向荷載分擔到構件上，從而降低填土場地地坪的不均勻沉降。通過PLAXIS有限元數值模擬驗證了構件的減沉效果，通過參數分析確定了主要影響因素，給出了對構件布置的優化建議。主要結論有：

1）借助PLAXIS建立相關的數值分析模型，采用合理的本構模型、邊界條件和施工順序，可以準確地模擬異形混凝土構件的減沉作用。證明了模型的正確合理性。

2）填土厚度、構件凈距是影響構件減沉效果的主要因素，而水平加筋體強度、荷載水平等對其影響效果不大。異形構件的減沉效果可適用于不同荷載水平場地。

3）將場地填土厚度與構件凈距之比H/D作為指標，建議構件的凈距H/D值大于1.5。當廠房跨度較大時，可采用間隔布置的方式來同時確保減沉效果和經濟性。

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