樁—土—筏共同作用下的沉降特性研究

楊興安

1 工程概況及工程、水文地質(zhì)條件

該工程為19層框架剪力墻結(jié)構(gòu),高58.8 m,地下室1層,預(yù)計埋深3 m,屬于一級高層建筑,建筑物等級為一級,另主樓有一層裙樓,建筑物等級為二級。本模型建模采用全模型,土體邊界采用5倍的筏板尺寸,樁采用摩擦樁或端承摩擦樁分別模擬,土體厚度40 m,按1層或2層劃分。

2 ANSYS模擬分析

2.1 ANSYS軟件

ANSYS是一套功能十分強大的有限元分析軟件,能實現(xiàn)多場及多場耦合分析,是實現(xiàn)前后處理、求解及多場分析統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫的一體化大型FEA軟件。土體及混凝土樁均采用Solid45單元,土體與樁之間采用粘合接觸,即樁周節(jié)點與土具有相同的變形。

本文首先采用單樁模擬,對地勘資料中的主要參數(shù)進行模擬擬合,通過單樁模擬計算確定最終群樁模擬計算各參數(shù)。

2.2 樁筏基礎(chǔ)與土共同作用的彈塑性分析

本計算土體材料采用D—P材料計算土體的彈塑性變形,施加荷載采用上部結(jié)構(gòu)的傳遞荷載。

3 各參數(shù)對沉降量的影響

3.1 筏板彈性模量對整體沉降量的影響

筏板雖然作為彈性材料進行模擬,但是其強度并非無窮大,所以其對整體沉降也具有一定的影響。通過改變筏板彈性模量,對具有典型的筏板上沉降量進行統(tǒng)計分析,得出如圖1所示曲線。

從圖1可以看出,當(dāng)筏板彈性模量為1E10 Pa時,小于正?；炷敛牧蠌椥阅Ａ?筏板上角、邊、中上各個節(jié)點沉降差很大,中點沉降量達到了34.8 mm,角點沉降量為22.4 mm,沉降差達到了12.4 mm,說明此時筏板相對柔性較大,其傳遞給樁和樁間土荷載不均勻。隨著筏板彈性模量的逐漸增大,中點沉降減小,邊點和角點的沉降相對增大,當(dāng)筏板彈性模量達到25E+10(即普通筏板彈性模量10倍)時,筏板上中點的沉降量減小到25.3 mm,角點沉降增加到25.1 mm,差異沉降只有0.2 mm,說明此時筏板基本可以看作為絕對剛體,本身剛度極大,向下均勻傳遞荷載,各樁受力比較均勻,差異沉降很小。說明筏板彈性模量越大,差異沉降越小,但是筏板彈性模量增大是以增加鋼筋含量為代價的,而且根據(jù)規(guī)范的相應(yīng)規(guī)定,具有一定的差異沉降是允許的,只要控制在允許范圍之內(nèi)即可。

3.2 筏板厚度對基礎(chǔ)沉降的影響

從圖2可看出,隨著筏板厚度的增加,基礎(chǔ)的沉降不斷減少,但減少速度降低,當(dāng)筏板厚度從0.8 m增加到1.6 m時,基礎(chǔ)沉降由46.1 mm減少到35.2 mm,厚度由3.2 m增加至4 m時,基礎(chǔ)沉降量由28.6 mm減少到27.1 mm。即當(dāng)筏板厚度達到一定程度時,利用增加筏板厚度來減小基礎(chǔ)沉降的方法效果并不明顯。

3.3 土體彈性模量和筏板長寬比對整體沉降的影響

本有限元模型計算中,土體材料采用的是D—P模型,該模型主要參數(shù)為土體彈性模量和泊松比,土體彈性模量取值一般采用地基土在自重作用和附加應(yīng)力作用下土體的壓縮模量,從圖3可以看出,土體的彈性模量對整體樁筏基礎(chǔ)的最大沉降量影響比較大,伴隨著土體彈性模量的增大,整體的沉降值大量減小,特別明顯的是當(dāng)土體的彈性模量由10 MPa增大到30 MPa時,其最大沉降量由86.3 mm減小到17 mm左右,從筏板不同長寬比來看,正方形筏板在相同的荷載作用下沉降量相對比較大,在數(shù)值上大23 mm左右,其他非正方形筏板相差較小,即其他普通矩形筏板的長寬比值對沉降量影響不大。由此可以得出一個結(jié)論:通過對地基土進行改良,比如反復(fù)夯實、對軟土進行置換等都可以大大減小沉降量。同時建筑物筏板盡量不設(shè)計為等尺寸。

3.4 筏板與土的彈性模量比對沉降量的影響

本文計算中將土體彈性模量確定,筏板彈性模量分別按照均勻數(shù)量級遞增,計算整體最大沉降量的變化趨勢,分析見圖4。

從圖4可以看出,將土的彈性模量確定后,取E0=28.7 MPa,筏板的彈性模量分別取其10倍,100倍,1 000倍,10 000倍和100 000倍,計算其最大沉降值。通過圖4中筏土彈性模量比可以看出,當(dāng)1≤lgEt/E0≤3時,其沉降量隨著上部筏板彈性模量增大而減小,由 121.3 mm降低到25.2 mm,當(dāng) 3≤lg Et/E0≤4(該比值為實際中最可能比值)時,沉降量由25.2 mm減小到21.3 mm,減小不明顯,可見,適當(dāng)增大上部筏板的彈性模量可以減小沉降,當(dāng)下層土體為軟弱土層時,進行適量的土體置換,即可以大大減小沉降。

3.5 樁長徑比和距徑比對整體沉降量的影響

從圖5可以看出,很明顯樁的距徑比對最終沉降量影響很大,在該模型中,發(fā)現(xiàn)樁的距徑比從7～5的過程中,最大沉降量從120 mm降到20 mm左右,但是在3倍樁徑到5倍樁徑之間沉降量變化不大。同時對于樁長徑比來說,對于樁型,特別是摩擦樁或者端承摩擦樁來說對最終沉降量影響比較大,長徑比越大,最終沉降量越小,同樣,長徑比在50,60,70中,變化不是很大,這就是說并不是越大越好,在設(shè)計過程中應(yīng)該根據(jù)規(guī)范規(guī)定的允許變形量和經(jīng)濟性綜合考慮的基礎(chǔ)上進行合理的選擇。

3.6 筏板下整體沉降量曲線

從圖6可以更加明顯看出,也印證了實際觀測數(shù)據(jù)中的特征,筏板作為整體受力,其產(chǎn)生的沉降不一致,具有一定的差異沉降,中間節(jié)點的沉降量最大,向兩側(cè)逐漸減小。其差異沉降量為3.5 mm。

4 結(jié)語

1)筏板的鋼筋含有量對整個建筑的不均勻沉降具有很大的影響,其鋼筋含有量越高,剛度越大,其對整個建筑產(chǎn)生的不均勻影響越小。2)筏板下土體的特性對整個建筑的沉降影響較大,土的特性越好,產(chǎn)生的整體沉降越小。3)樁基礎(chǔ)特別是摩擦型樁,其依靠周圍土體與樁之間的摩擦力傳遞荷載,樁長和樁間距對整體沉降和差異沉降影響較大,但是樁間距過小,容易造成群樁效益,使得沉降偏大,本工程樁間距為5倍樁徑,通過計算,其比較合理。4)通過對該建筑進行模擬分析,該建筑基礎(chǔ)設(shè)計是比較好的,基礎(chǔ)沉降量和差異沉降均符合規(guī)范的要求,甚至部分參數(shù)大大小于規(guī)范的允許值。5)上部和筏板的整體剛度對最終建筑物的沉降量影響比較大,適當(dāng)增大上部筏板的彈性模量可以減小沉降,當(dāng)下層土體為軟弱土層時,進行適量的土體置換,即可以大大減小沉降。也就是說,上部結(jié)構(gòu)和筏板的整體剛度越大,土體的彈性模量越大,沉降量越小,但不是無限度減小。從樁的長徑比和距徑比來看,減小樁間距比增長樁更加有利于減小整體沉降量。

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