基于數(shù)值方法的復(fù)合地基項(xiàng)目沉降變形分析

一、引言

隨著建筑規(guī)模的不斷增大，建筑體型與結(jié)構(gòu)體系越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)地基承載力和基礎(chǔ)變形控制也提出更高的要求。需要注意的是，在實(shí)際工程中，建筑物的沉降是不可避免的，因此有必要采取合理的沉降控制措施和沉降計(jì)算工作，以確保建筑物的安全和穩(wěn)定。地基處理是一種控制沉降的施工措施，通過(guò)改善支承建筑物的地基的承載能力或改善其變形性質(zhì)來(lái)減少沉降。由于主裙樓結(jié)構(gòu)荷載差異不可避免，沉降差異控制也是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。當(dāng)差異沉降超出允許值，會(huì)使上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，嚴(yán)重時(shí)甚至引起上部建筑開裂和室外管線的斷裂等。建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范在變形方面對(duì)地基方案設(shè)計(jì)提出了很高的要求。為減少差異沉降的影響，時(shí)常在高層建筑與相連裙房之間設(shè)置沉降后澆帶。

本文工程采取跳倉(cāng)法施工，跳倉(cāng)法是超長(zhǎng)大體積混凝土結(jié)構(gòu)不設(shè)置溫度后澆帶施工的一項(xiàng)技術(shù)措施，取消沉降后澆帶是跳倉(cāng)法的實(shí)施的前提條件。本文基于項(xiàng)目取消沉降后澆帶論證工作展開討論，采用數(shù)值模擬計(jì)算的方法計(jì)算分析沉降控制指標(biāo)是否滿足規(guī)范要求，從而給出取消沉降后澆帶的可行性建議。

二、工程概況

本工程項(xiàng)目總建筑面積70230m2。高層住宅地上10～18層、地下2層，地下車庫(kù)為地下2層。整個(gè)項(xiàng)目為統(tǒng)一整體大底盤基礎(chǔ)，原設(shè)計(jì)在主樓周邊設(shè)置沉降后澆帶。±0.000相當(dāng)于絕對(duì)標(biāo)高30.450m，抗浮設(shè)防水位標(biāo)高26m。建筑物基本條件如表1所示。各住宅樓采用CFG樁復(fù)合地基方案，基礎(chǔ)形式為平板式筏形基礎(chǔ)；純地下車庫(kù)采用天然地基方案，基礎(chǔ)形式為平板式筏形基礎(chǔ)+柱墩。項(xiàng)目建筑效果如圖1所示。

三、 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

（一）工程地質(zhì)條件

本工程場(chǎng)地自然地形較為平坦，在地貌上場(chǎng)地屬于河流沖積平原，工程場(chǎng)地為空地，地形總體較為平坦，局部地形稍有起伏。在該場(chǎng)地20.0m深度內(nèi)，擬建主樓及地下車庫(kù)用地范圍內(nèi)，②層粉土、②2層粉砂、③1層粉土、④層粉土、⑤層細(xì)砂、⑥1層粉土及⑥2層粉砂為液化土層；液化指數(shù)為0.008～5.891，最大液化深度19.85m，液化等級(jí)屬于輕微液化，該范圍建筑場(chǎng)地為對(duì)建筑抗震不利地段。基礎(chǔ)持力層為③層粉質(zhì)黏土，天然地基承載力120kPa，局部為②層粉土，天然地基承載力120kPa、②1層粉質(zhì)黏土，天然地基承載力110kPa。

（二）水文地質(zhì)條件

靜止水位埋深為9.10～16.00m（相當(dāng)于絕對(duì)標(biāo)高為13.38～20.63m）。屬一般第四系松散層孔隙潛水類型，由大氣降水及地下水徑流補(bǔ)給，水位受季節(jié)、降水及外部水體補(bǔ)給等因素而有所升降，據(jù)調(diào)查地下水水位年變化幅度一般為1～2m，近期內(nèi)年最高水位為3m（相對(duì)于自然地面）。本工程場(chǎng)地范圍較廣，水文地質(zhì)單元構(gòu)成較復(fù)雜，造成本場(chǎng)地靜止水位埋深存在較明顯差異。

四、 地基處理方案

地基處理是建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施工程中不可或缺的環(huán)節(jié)，可以改善地基承載能力，減少沉降，提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。本工程地基處理設(shè)計(jì)要求建筑物長(zhǎng)期最大沉降不超過(guò)50mm。根據(jù)不同樓座的荷載情況以及對(duì)地基承載力的要求，樁徑采用420mm，樁長(zhǎng)、樁間距及處理后的地基承載力要求等參數(shù)見(jiàn)表3。

五、基于數(shù)值方法的沉降變形分析

巖土工程數(shù)值軟件在工程中的應(yīng)用已經(jīng)得到了越來(lái)越多的重視，持續(xù)的改進(jìn)使得計(jì)算軟件得到不斷的優(yōu)化。目前，PLAXIS等巖土工程數(shù)值軟件的開發(fā)及不斷優(yōu)化，在地基基礎(chǔ)共同作用的實(shí)際工程案例中已經(jīng)得到大量的驗(yàn)證。本工程復(fù)合地基-基礎(chǔ)協(xié)同計(jì)算分析采用PLAXIS 3D有限元軟件。CFG樁應(yīng)用Embedded Pile單元進(jìn)行模擬，該單元由梁?jiǎn)卧疤厥饨缑鎲卧獦?gòu)成，具備側(cè)摩阻力、端阻力等樁基特性。

（一） 三維建模

根據(jù)地勘報(bào)告、上部結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)荷結(jié)果、基礎(chǔ)平面布置圖及CFG樁平面布置圖，建立三維巖土結(jié)構(gòu)數(shù)值模型，土體本構(gòu)模型采用摩爾-庫(kù)倫模型（Mohr-Coulomb model）。考慮地層不均勻?qū)Τ两底冃蔚挠绊懀捎枚嚆@孔輸入建模的方法，能夠更加準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)建筑沉降變形。圖2為三維巖土結(jié)構(gòu)數(shù)值模型圖。巖土參數(shù)按勘察報(bào)告提供的參數(shù)進(jìn)行輸入，具體數(shù)值見(jiàn)表2。

（二）沉降變形控制指標(biāo)

針對(duì)跳倉(cāng)法技術(shù)措施，北京市地方標(biāo)準(zhǔn)和河北省工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)均規(guī)定：主樓采用樁基或復(fù)合地基，裙房或地下車庫(kù)采用筏形基礎(chǔ)的天然地基，經(jīng)計(jì)算最終相鄰柱基不均勻沉降值小于2L/1000時(shí)，可取消設(shè)置沉降后澆帶。

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，當(dāng)不設(shè)置沉降后澆帶時(shí)，應(yīng)進(jìn)行地基變形計(jì)算和基礎(chǔ)內(nèi)力驗(yàn)算。同時(shí)規(guī)定，帶裙房的高層建筑下的整體筏形基礎(chǔ)，其主樓與相鄰的裙房柱的差異沉降不應(yīng)大于其跨度的0.1%。

本工程不設(shè)置沉降后澆帶變形控制指標(biāo)按標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格的《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，即需要滿足主裙樓差異沉降不大于其跨度的0.1%，方可取消沉降后澆帶。

（三）沉降變形計(jì)算分析

本工程在不設(shè)置沉降后澆帶進(jìn)行了地基變形計(jì)算。總沉降云圖如圖3所示。

通過(guò)計(jì)算結(jié)果可以看到，本工程主樓平均沉降在20～30mm，最大沉降20～40mm左右，主裙樓差異沉降均小于其跨度的0.1%，沉降指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，具體沉降數(shù)值參見(jiàn)表4。由此可見(jiàn)本工程可取消沉降后澆帶。

（四）與實(shí)測(cè)沉降對(duì)比

本工程進(jìn)行了沉降變形觀測(cè)，沉降觀測(cè)工作在基礎(chǔ)底板完成后進(jìn)行，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在各個(gè)樓座的周邊。目前所有樓座均已施工到最頂層或已經(jīng)封頂，后續(xù)還有部分沉降。

對(duì)比樓座周邊點(diǎn)位的沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值計(jì)算各個(gè)樓座周邊點(diǎn)位的沉降結(jié)果，計(jì)算值比實(shí)測(cè)沉降要大，考慮到后期還有部分沉降。總體來(lái)說(shuō)計(jì)算與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較吻合，表明數(shù)值計(jì)算分析結(jié)果的可預(yù)測(cè)性和合理性，也進(jìn)一步驗(yàn)證了取消沉降后澆帶的合理性。

六、結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)采用復(fù)合地基處理后的整體基礎(chǔ)上多棟建筑進(jìn)行協(xié)同作用計(jì)算分析，通過(guò)數(shù)值計(jì)算方法，分析取消沉降后澆帶后的地基基礎(chǔ)變形控制指標(biāo)，通過(guò)計(jì)算與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證了方法的正確性和合理性，可供類似工程參考。