軟土地區(qū)上部結(jié)構(gòu)—基礎(chǔ)—地基共同作用數(shù)值模擬

王道華

（江蘇省有色金屬華東地質(zhì)勘查局，江蘇 南京 210007）

1 概述

樁筏基礎(chǔ)是目前高層建筑中普遍采用的一種基礎(chǔ)形式,尤其是在軟土地區(qū)，地基沉降是設(shè)計(jì)中主要考慮的因素[1-2]。目前工程界廣泛采用的常規(guī)設(shè)計(jì)方法則是先把基礎(chǔ)的剛度視為無(wú)窮大,求出上部結(jié)構(gòu)在基礎(chǔ)頂面處的固端反力,再把該固端反力反向作用于基礎(chǔ),在考慮地基基礎(chǔ)共同作用的條件下計(jì)算基礎(chǔ)內(nèi)力和地基變形[3]。對(duì)地基沉降的真實(shí)情況不太清楚，同時(shí)對(duì)基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)存在著估計(jì)不足或浪費(fèi)。國(guó)內(nèi)外對(duì)框架核心筒—基礎(chǔ)—地基的研究主要集中在施工技術(shù)及工程應(yīng)用方面，而對(duì)其數(shù)值模擬優(yōu)化方面研究較少。

本文以江蘇某市某高層辦公樓為例，建立了軟土地區(qū)框架核心筒—基礎(chǔ)—地基共同作用有限元模型，對(duì)比了考慮共同作用與不考慮共同作用的地基沉降和樁筏基礎(chǔ)的內(nèi)力情況。同時(shí)，在此基礎(chǔ)之上，分析了改變樁長(zhǎng)和樁徑對(duì)地基沉降和基礎(chǔ)內(nèi)力的影響。對(duì)軟土地區(qū)的建筑工程設(shè)計(jì)、施工具有一定的參考價(jià)值。

2 工程簡(jiǎn)介

圖1 結(jié)構(gòu)平面布置圖（單位：mm）

工程位于蘇南，框架-核心筒結(jié)構(gòu)地上21層，地下1層。地下室和底層層高5.35m，標(biāo)準(zhǔn)層層高4m。上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)的混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C45，泊松比取0.2，混凝土容重取25kN/m3。核心筒外墻厚度為475mm，內(nèi)墻厚度為300mm。柱有3種截面形式：800mm×800mm、800mm×1200mm、1100mm×1200mm；主樓筏板厚2.05m，車庫(kù)防水板厚0.5m。結(jié)構(gòu)平面布置如圖1所示[4]，基礎(chǔ)采用樁筏基礎(chǔ)，樁長(zhǎng)35m，樁徑800mm。

3 數(shù)值模擬

3.1 計(jì)算參數(shù)

模型斷面如圖1所示。本文梁、柱采用BEAM44單元，樓板和筒體墻采用SHELL63單元[5]。樁采用彈簧單元，筏基采用SHELL181單元。本文地基粘性土模型采用Drucker—Prager材料模型，砂土采用Mohr-Coulomb模型(MC)，MC模型有4個(gè)參數(shù)，即粘聚力c、內(nèi)摩擦角φ、泊松比ν和彈性模量E?；滓韵峦翆拥南嚓P(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。本文地基土采用SOLID95單元[6]。

3.2 計(jì)算過(guò)程

表1 地基參數(shù)

建立模型，參考表1設(shè)置材料參數(shù)和計(jì)算參數(shù)，設(shè)置邊界條件，劃分網(wǎng)格，再開始設(shè)置分析步，完成后提交分析，分析過(guò)程分為2部分：第一部分是地基土地應(yīng)力平衡，通過(guò)geostatic分析步來(lái)實(shí)現(xiàn)；第二部分是將建筑物分為5個(gè)分析步逐次加載。

4 分析和討論

本文在不改變樁長(zhǎng)樁徑下對(duì)比了不考慮共同作用與考慮共同作用地基沉降和基礎(chǔ)內(nèi)力分析。在此基礎(chǔ)之上，考慮上部結(jié)構(gòu)—基礎(chǔ)—地基共同作用，將該工程問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化[7]，分別改變框架和核心筒下樁長(zhǎng)與樁徑，分析了樁長(zhǎng)與樁徑對(duì)地基沉降和基礎(chǔ)內(nèi)力的影響。具體討論情形如表2所示。

4.1 不考慮與考慮共同作用下地基沉降和基礎(chǔ)內(nèi)力分析

表2 對(duì)比分析情形

圖2為長(zhǎng)度方向中心線地基加載結(jié)束后的沉降曲線，不考慮相互作用的情況下，最大沉降發(fā)生在核心筒中央，沉降量為118mm，最小沉降量發(fā)生在邊柱為52mm。而考慮相互作用后，核心筒中央沉降減小到99.8mm，但是邊柱沉降增大到73mm。2種方法的差異反映了結(jié)構(gòu)的“邊柱增載效應(yīng)”?？紤]共同作用后，邊柱軸力增大，導(dǎo)致其下部區(qū)域土體沉降增大，而中柱有卸載傾向，其下部土體的沉降要相對(duì)變小。從宏觀上講，由于上部結(jié)構(gòu)的剛度貢獻(xiàn)，考慮共同作用后基礎(chǔ)的差異沉降明顯減小，共同作用法得到的最大沉降差為26.8mm,而常規(guī)法為66mm。

圖3為長(zhǎng)度方向中心線基礎(chǔ)加載結(jié)束后的彎矩響應(yīng)圖?？紤]相互作用和不考慮相互作用的彎矩分布完全不同，主要反映在核心筒附近，由于上部核心筒的剛度較大，核心筒處的地基彎矩非常大，達(dá)到了3000kN/m，而不考慮相互作用的情況下，核心筒中部的彎矩很小，沿長(zhǎng)度方向的彎矩圖分布不均勻，而考慮共同作用，基礎(chǔ)整體彎矩分布趨于均勻，說(shuō)明筏板由柔性變?yōu)閯傂?。不論是否考慮共同作用，彎矩存在反彎點(diǎn)，出現(xiàn)在有結(jié)構(gòu)物作用處，如柱、墻下；最大彎矩發(fā)生在框架和核心筒交界處。

圖2 長(zhǎng)度方向中心線地基沉降

圖3 長(zhǎng)度方向中心線基礎(chǔ)彎矩

4.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

從圖2和圖3的結(jié)果可以看出，考慮相互作用之后，計(jì)算得到的不均勻沉降值明顯降低，彎矩分布均勻性得到改善，但是實(shí)際基礎(chǔ)的整體彎矩偏大?？紤]該工程的不均勻沉降仍然偏大，以及基礎(chǔ)的內(nèi)力分布形式不均勻，現(xiàn)將基礎(chǔ)進(jìn)行優(yōu)化，主要考慮到2個(gè)方面：

（1）核心筒下的彎矩偏大，可以考慮增加核心筒下的樁長(zhǎng)，并減小框架柱的樁長(zhǎng)。

（2）核心筒下的沉降偏大，可以考慮增加核心筒下的樁徑，并減小框架柱的樁徑。

（3）具體的分析參數(shù)見(jiàn)表2，下面分別進(jìn)行分析。

4.3 樁長(zhǎng)對(duì)地基沉降和基礎(chǔ)內(nèi)力的影響[8]

圖4為樁長(zhǎng)改變對(duì)地基沉降的影響，增加核心筒樁長(zhǎng)到38m、41m和44m時(shí)，位于核心筒中間處的最大沉降減小至94mm、86mm和82mm。而減小框架柱下的樁長(zhǎng)僅使得框架邊柱處的基礎(chǔ)沉降值略微增加。并且，當(dāng)增加核心筒部分樁長(zhǎng)不僅可以減小最大沉降，而且基礎(chǔ)變形趨于均勻。

圖4 樁長(zhǎng)對(duì)地基沉降的影響

圖5為樁長(zhǎng)改變對(duì)基礎(chǔ)內(nèi)力的影響，隨著增加核心筒部分樁長(zhǎng)，基礎(chǔ)最大彎矩減小，反彎矩逐漸消失，彎矩分布趨于均勻。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因主要是樁長(zhǎng)分布改變后，基礎(chǔ)和地基作用力發(fā)生改變，中間部位的反力增大，邊緣部位的反力減小，彎矩圖發(fā)生變化。從圖4和圖5我們可以得到，改變核心筒下基礎(chǔ)樁長(zhǎng)，可以有效地減小總沉降并使基礎(chǔ)彎矩分布均勻。

圖5 樁長(zhǎng)對(duì)基礎(chǔ)內(nèi)力的影響

4.4 樁徑對(duì)地基沉降和基礎(chǔ)內(nèi)力的影響

圖6為樁徑改變對(duì)地基沉降的影響，增加核心筒樁徑到850mm、900mm和950mm時(shí)，位于核心筒中間處的最大沉降減小至86mm、82mm和80mm?？梢?jiàn)增加核心筒處的樁徑到900mm時(shí)就可以達(dá)到增加樁長(zhǎng)到41mm的效果，并且沉降差相比增加樁長(zhǎng)顯著減小?？梢哉J(rèn)為，增加樁徑相比較增加樁長(zhǎng)，樁體剛度的提升更加明顯，基礎(chǔ)的整體剛度增加，沉降差減小。

圖7為樁徑改變對(duì)基礎(chǔ)內(nèi)力的影響。隨著增加核心筒部分樁徑，基礎(chǔ)最大彎矩有所增加，核心筒處彎矩分布趨于均勻，但是框架下的基底彎矩分布隨著樁徑的改變不是很明顯，依然在靠近核心筒處產(chǎn)生突變。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因主要是樁徑增大后，核心筒處的基底剛度變大，承受的彎矩變大。

圖6 樁徑對(duì)地基沉降的影響

圖7 樁徑對(duì)基礎(chǔ)內(nèi)力的影響

5 結(jié)論與建議

本文以實(shí)際工程為例，分析了不考慮共同作用與考慮共同作用地基沉降和基礎(chǔ)內(nèi)力[9]，以及改變框架和核心筒和框架柱下樁長(zhǎng)與樁徑對(duì)地基沉降和基礎(chǔ)內(nèi)力的影響。主要得出以下結(jié)論：

（1）由于上部結(jié)構(gòu)的剛度貢獻(xiàn)，考慮共同作后，基礎(chǔ)最大彎矩減小，內(nèi)力分布趨于均勻；地基最大沉降減小，且沉降分布趨于均勻。

（2）增加中心區(qū)域樁的長(zhǎng)度和直徑，基礎(chǔ)的彎矩和地基沉降可進(jìn)一步減小，且其分布均區(qū)域均勻。故在地基沉降允許范圍內(nèi)，可以適當(dāng)調(diào)整樁長(zhǎng)或樁徑，以優(yōu)化基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。

[1]周正茂,趙福興,侯學(xué)淵.樁筏基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法的改進(jìn)及其經(jīng)濟(jì)價(jià)值[J].巖土工程學(xué)報(bào),1998(06).

[2]趙錫宏.上海高層建筑樁筏與樁箱基礎(chǔ)設(shè)計(jì)理論[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,1989.

[3]宰金岷,宰金璋.高層建筑基礎(chǔ)分析與設(shè)計(jì)——土與結(jié)構(gòu)物共同作用理論與應(yīng)用[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1993.

[4]趙雪娟,孫中任.斷面圖繪制過(guò)程中的地形改正[J].物探與化探,2011.

[5]張波,盛和太.ANSYS有限元數(shù)值分析原理與工程應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005.

[6]俞茂宏.巖土類材料的統(tǒng)一強(qiáng)度理論及其應(yīng)用[J].巖土工程學(xué)報(bào),1994(02).

[7]潘向軍,王守君,張靜芳.某超高層建筑結(jié)構(gòu)選型及設(shè)計(jì)[J].河南科學(xué),2012.

[8]樊敬亮,程知言,胡光云,等.建(構(gòu))筑物下管樁長(zhǎng)度檢測(cè)方法[J].物探與化探,2007.

[9]董建國(guó),趙敏宏.高層建筑地基基礎(chǔ)—共同作用理論與實(shí)踐[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,1997.