基于正交試驗的高層建筑變形影響因素分析

門懋進

（山東科技大學安全與環境工程學院，山東 青島 266590）

近年來，隨著經濟高速發展，國家對于煤炭資源的需求仍居高不下，而除建構筑物下、水體下以及鐵路公路下覆壓煤炭資源還未開采外，其他賦存及開采條件較好的煤炭資源所剩無幾[1]。

覆壓煤炭資源的開采會導致上部建筑的變形，為此，針對采動作用下樁筏基礎對高層建筑的研究變得十分重要。王偉、陳停偉[2]等研究了煤礦采空區上建筑筏板基礎的結構類型，提出了一種新型抗變形筏板基礎；劉尊平、王浩[3]針對超高層建筑抗震設計要求，借助FLAC3D數值模擬軟件計算了地震工況下基礎的變形；譚樹增、胡榮華[4]針對淺部采空區上擬建的高層建筑，研究了其地基穩定性，并對采空區是否活化進行定量分析；趙宇[5]針對老采空區上部大型建筑筏板基礎進行內力與變形分析，研究了不同板厚、地表曲率、柱距對筏板的影響；葛鑫[6]對樁筏基礎厚度進行優化分析，提出基于樁筏相對剛度的筏板厚度確定方法；蔣云斌[7]考慮上部結構、基礎以及地基共同作用，研究了基礎筏板厚度、基礎強度以及基礎筏板懸挑長度對基礎的影響；Ilizar Mirsayapov[8]采用不同計算模型對高層建筑地基沉降進行了數值研究，建立了三軸壓縮條件下的地應力-應變狀態解析圖，通過預計發現與監測數據吻合度高；Kim, Hyunwoo[9]介紹了超高層建筑基礎設計特點，列舉了韓國高層建筑的基礎類型以及世界建筑的樁筏基礎。

基于國內外學者對高層建筑樁筏組合基礎的研究，其中分析高層建筑樁基對建筑的影響有樁基筏板厚度、基礎強度、樁數量、樁長以及地基土強度等因素。本文基于國內外學者研究的基礎上，采用正交試驗方法，借助FLAC3D數值模擬軟件，分析樁筏組合基礎自身基筏板厚度、樁數量、樁長以及基礎強度對上部建筑的影響以及對影響因素進行重要度判斷，從而為后續煤礦開采地表高層建筑修建以及預防提供借鑒。正交試驗是可以利用少量有代表的試驗來反映整體的方法，而且正交試驗大大減少了試驗次數，降低了工作難度，通過極差分析以及方差分析確定影響因素中主次關系以及最優組合[10]。

1 工程地質概況

所研究高層建筑位于濟寧某礦區采掘范圍內，與工作面距離200 m 的高層住宅建筑。該建筑地上17 層，地下一層儲藏室，首層高度為4 m，其余樓層高度為3 m，建筑總高度55 m?；A采用樁筏組合基礎，筏板尺寸：44 m×14 m×1.5 m，上部結構為框架-剪切墻。標準層結構平面布置如圖1。

圖1 標準層結構平面布置圖（mm）

2 正交數值模擬試驗

2.1 數值模型建立

通過FLAC3D建立概化模型，地層模型尺寸為800 m×600 m×210 m，地層及其物理力學參數見表1，在模擬過程中不考慮構造應力對巖層的影響。地下巖層以及地基土層采用彈塑性Mohr-Coulomb模型，高層建筑采用彈性Elasticity 模型[11]。數值模擬計算模型如圖2。

圖2 數值模擬方案圖

表1 地層物理力學參數

2.2 試驗設計

為研究采動作用下樁筏組合基礎中筏板厚度、樁數量、樁長度以及基礎強度對高層建筑的影響程度，針對4 個影響因素，每個因素取4 水平，試驗因素以及水平取值見表2，假設各影響因素之間互不交互，建立L16（44）=16 的正交試驗，見表3。

表2 試驗因素及水平

表3 正交試驗方案及模擬結果

3 正交試驗結果分析

根據正交試驗方案，采用數值模擬軟件進行分析，通過記錄判定指標，即高層建筑下沉值以及傾斜值進行分析，分析方法選用極差分析以及方差分析。模擬結果見表3。

3.1 極差分析

極差分析是判斷影響因素對指標影響程度大小的一種方法[12]。表4 即為影響因素極差分析。通過綜合分析各影響因素對高層建筑變形（下沉值、傾斜值）的影響，發現樁數量＞基礎強度＞筏板厚度＞樁長度。為更直觀分析各影響因素對高層建筑變形的影響，以各影響因素為橫坐標，下沉值、傾斜值為縱坐標，繪制影響因素與高層建筑變形的關系圖，如圖3 所示。通過圖3 可以看出，高層建筑下沉量與各影響因素之間成負相關，但是各影響因素之間斜率不盡相同，樁數量斜率最大，其次為基礎強度；建筑的傾斜值與各影響因素之間成負相關，且從傾斜程度也能看出樁數量以及基礎強度對高層建筑的影響大。

表4 影響因素極差分析

圖3 影響因素與高層建筑變形關系

3.2 方差分析

通過正交試驗結果，利用SPSS 將所得結果數據進一步分析，分析結果見表5、表6。從表5 以及表6 結果中可以看出，在影響高層建筑變形因素中，筏板厚度、基礎強度以及樁數量對應顯著性都小于0.05，為顯著性影響因素；而樁長度顯著性大于0.05，可以認定樁長度對高層建筑影響不明顯。表5 以及表6 中對各因素對高層建筑變形影響程度與極差分析一致，都是樁數量＞基礎強度＞筏板厚度＞樁長度。

表5 主體間效應檢驗（因變量：下沉值）

表6 主體間效應檢驗（因變量：傾斜值）

4 結論

基于FLAC3D數值模擬軟件對正交試驗進行模擬，并對結果進行極差分析以及方差分析，可以得到以下結論：

（1）各影響因素對高層建筑變形影響程度劃分大小為：樁數量＞基礎強度＞筏板厚度＞樁長度。

（2）通過分析各影響因素，根據主體間效應檢驗：樁數量、基礎強度、筏板厚度為顯著性影響因素，樁長度顯著性不明顯。