某工程軟弱地基上高填方對相鄰建筑物的影響數(shù)值模擬研究

盧亞杰吳 凱陳朝華

1貴陽建筑勘察設(shè)計有限公司（550081）2貴州省建筑設(shè)計研究院有限責任公司（550081）

0 前言

隨著國民經(jīng)濟建設(shè)發(fā)展，工程建設(shè)遇到一些前所未有的問題，如深挖路塹、高填路堤、軟弱地基處理及對相鄰建構(gòu)筑物的影響等問題[1]。因此，軟弱地基上高填方路堤的穩(wěn)定及其對相鄰建筑物的作用，成為工程建設(shè)急需解決的關(guān)鍵問題。

1 工況概況

道路場地位于大方縣某小區(qū)內(nèi)Ⅴ號、Ⅵ號樓之間，道路兩旁建筑物的主體結(jié)構(gòu)已經(jīng)完工。上部結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆框架混凝土結(jié)構(gòu)，挖孔樁基礎(chǔ)，原始地面高程為1 599.89 m，設(shè)計±0.00=1 619.10 m。擬建方案準備在兩建筑物之間修建道路，路面在建筑物±0.00高程處，將形成近20 m的路堤高邊坡[2]。

2 工程地質(zhì)條件

工程場地位于巖溶淺切中山地貌單元，山盆期第二亞期臺地前緣V型沖溝斜坡地帶。場地原始地貌整體呈東高西低，場地最大高差達42.3 m。場地附近無大的斷裂構(gòu)造，下伏二疊系龍?zhí)督M地層單斜產(chǎn)出，產(chǎn)狀為330°∠15°。

場地自上而下巖土構(gòu)成為:雜填土、含角礫黏土、二疊系龍?zhí)督M灰?guī)r。巖土參數(shù)見表1。

表1 巖土參數(shù)表

3 計算假定及本構(gòu)模型

3.1 計算假定

在工程實際情況的基礎(chǔ)上，為了使問題適當簡化，假定:僅考慮重力荷載作用；土體在自重作用下的變形在路堤填筑前已經(jīng)完成；整個地基為單一、均勻、連續(xù)的介質(zhì)[3]。

3.2 參數(shù)選取

選取斷面進行數(shù)值模擬:填方高達20 m，地基土層厚度為10.5 m，原始地面坡度為10°，基巖面為17°。

數(shù)值模擬時，分別按填筑高度為10 m、14 m、17.5 m、20 m，共計四個工況。

建筑物為框架結(jié)構(gòu)、樁基礎(chǔ)，混凝土強度等級為C30，樁徑為1.5 m、框架柱為0.8 m×0.8 m，框架梁及連梁為0.4 m×0.8 m，樓板厚0.12 m。

3.3 本構(gòu)模型

對相鄰建筑物框架結(jié)構(gòu)按線彈性材料考慮，彈性模量是3×104MPa、泊松比是0.2。地基土按彈塑性材料分析，采用D—P彈塑性本構(gòu)模型，路堤土彈性模量為25.6 MPa、泊松比是0.31；碎石黏土彈性模量是20 MPa、泊松比是0.35；中風化灰?guī)r彈性模量是2×104MPa、泊松比是0.26。

4 數(shù)值模擬分析

4.1 模型建立

建立三維有限元模型的長、寬、高幾何尺寸為75 m×8 m×61.2 m，其中路堤尺寸為46.5 m×8 m×20 m，并按1∶1進行放坡。對于結(jié)構(gòu)物，取一榀框架及相應(yīng)的樁基礎(chǔ)進行模擬。

對巖土體單元采用solid45單元模擬，樁基礎(chǔ)及上部結(jié)構(gòu)的框架梁柱采用Beam188單元模擬[4]。

4.2 未填筑路時樁、上部結(jié)構(gòu)受力

第一根樁剪力最大約為158 kN，距第一根樁及第二根樁底部5 m處，彎矩最大約為420 kN·m，第一榀樁基第一根連梁中點彎矩最大值為144 kN·m，第二榀內(nèi)第二根樁與第一根連梁交接處彎矩為89 kN·m。第3、4根樁，情形和前兩根大致相同，只是數(shù)值比較小，上部結(jié)構(gòu)、彎矩和剪力變化比較均勻，沒有明顯的變化（如圖1、圖2所示）。

圖1 未填路堤結(jié)構(gòu)剪力

圖2 未填路堤結(jié)構(gòu)彎矩圖

4.3 填筑完成時地基、樁、上部結(jié)構(gòu)分析

4.3.1 樁和上部結(jié)構(gòu)水平位移

填筑路堤引起建筑物水平位移最大值基本上全是在樁基礎(chǔ)第一榀連梁上及連梁上下3 m范圍內(nèi)的樁基上，最小值在樁基與巖石交接處。樁基和框架結(jié)構(gòu)的最大水平位移為77 mm。從水平位移最大處向樁基底部及結(jié)構(gòu)物頂部，位移值逐漸減小，均勻變化，呈整體偏移型（如圖3所示）。

圖3 樁和上部結(jié)構(gòu)水平位移（放大100倍）

4.3.2 填筑路堤時路堤和地基受力分析

填方路堤施工，地基水平應(yīng)力基本上呈層狀分布，從上向下壓應(yīng)力逐漸增大，但在各自的施工工序中均出現(xiàn)了拉應(yīng)力。路堤填筑完畢，在整個路堤的左上方出現(xiàn)水平拉應(yīng)力，最大達到57 kPa。在放坡路堤右上方也出現(xiàn)了水平拉應(yīng)力，約為20 kPa。

4.3.3 填筑時樁和上部結(jié)構(gòu)受力分析

填方路堤施工，樁基礎(chǔ)的彎矩隨著填方路堤荷載的增大逐漸增大，呈正相關(guān)關(guān)系（如圖4所示）。彎矩在第一根樁距離樁底5 m處彎矩最大，第二、三根樁在距離樁底5 m處亦達到該樁彎矩最大值。連梁的彎矩在第一榀內(nèi)，第一根連梁中點達到最大值。第二榀內(nèi)，第二根樁與第一根連梁的交接處，彎矩也較大。對于上部框架結(jié)構(gòu)，由填方路堤引起的彎矩變化較小，基本上沒有明顯的突變。

圖4 樁和上部結(jié)構(gòu)彎矩

第一根樁彎矩最大值為1 680 kN·m，第二根樁彎矩最大值為1 370 kN·m，第一榀樁基、第一根連梁中點彎矩最大值為1 050 kN·m。第二榀內(nèi)，第二根樁與第一根連梁的交接處1 050 kN·m。

填方路堤施工，樁基礎(chǔ)的剪力隨著填方路堤荷載的增大逐漸增大，呈正相關(guān)關(guān)系（如圖5所示），框架的剪力有少許變化，但是變化的幅度比較小。剪力在各樁樁底部、第一根連梁與各樁交接處、各榀樁基與第一根連梁的交接處較大。

圖5 樁和上部結(jié)構(gòu)剪力

在第一根樁上，樁底剪力為439 kN，與第一根連梁交接處剪力為287 kN。在第一榀樁基內(nèi)，連梁與第一根樁基交接處剪力為1 530 kN，連梁與第二根樁基交接處剪力為1 740 kN。

4.3.4 填筑路堤對結(jié)構(gòu)物影響分析

從數(shù)值模擬結(jié)果可見，由于路堤的填筑，結(jié)構(gòu)物中剪力變化最大的是第一榀樁基內(nèi)（如圖6、圖7所示）。在第一根連梁與第二根樁基相連接處的連梁上，約為1 640 kN，增加了1 576%。在第一榀樁基內(nèi)，在第一根連梁與第一根樁基相連接處的連梁上，約為1 430kN。結(jié)構(gòu)物中彎矩變化最大的在距離第一根樁底部約5 m處，彎矩變化值約為1 260 kN·m，增加了300%。

圖6 各工況下樁基彎矩曲線

圖7 各工況下樁基剪力曲線

5 結(jié)語

在實際工程的基礎(chǔ)上建立有限元模型，重點分析了路堤填筑施工引起的樁基、地基，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、位移變化，樁基和框架結(jié)構(gòu)的彎矩、剪力的變化。由數(shù)值模擬結(jié)果可知:

1）路堤填筑使地基沿著場地順坡向產(chǎn)生較大的位移，推動樁基在樁頂產(chǎn)生較大的位移，靠近填方路堤一側(cè)的樁基頂部最大水平位移達7.7 cm，同時帶動上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的水平位移，遠遠超出了結(jié)構(gòu)物對水平位移的允許限制；

2）路堤填筑使建筑物樁基彎矩急劇增加，彎矩最大增量超出原來彎矩的300%，最大彎矩已經(jīng)超出樁基抗彎承載能力，樁基結(jié)構(gòu)發(fā)生損壞。

3）路堤填筑使建筑物樁基連梁及上部結(jié)構(gòu)彎矩增大，其增量比樁基彎矩增量小得多，但亦超出了其承載能力。

4）路堤填筑使建筑物樁基連梁剪力急劇增大，超出連梁的承載能力，導(dǎo)致樁基連梁發(fā)生承載能力極限狀態(tài)損壞。

5）該工程路堤填筑使建筑物處于不安全狀態(tài)，不能進行路堤填筑。如要填筑，需對地基進行處理，且對路堤采用其他的方式進行支護。