單建式地下車庫的底板及抗拔樁的優(yōu)化設(shè)計(jì)

景守軍

【摘 要】在水位較高或水位變化幅度較大的地區(qū)上，抗拔樁筏基礎(chǔ)為單建式地下車庫等構(gòu)筑物廣泛采用，但目前對于抗拔樁的分布以及其對于底板變形及內(nèi)力的影響研究不多，如何布置抗拔樁才能使底板變形更加均勻顯得尤其重要。本文為了給無錫某工程的設(shè)計(jì)提供一些設(shè)計(jì)依據(jù)，故借助PKPM的JCCAD模塊對地下室底板及抗拔樁的分布進(jìn)行了對比分析，給出了一定的優(yōu)化設(shè)計(jì)建議。

【關(guān)鍵詞】抗拔樁；JCCAD；優(yōu)化設(shè)計(jì)

一、引言

目前，國內(nèi)外對優(yōu)化布樁問題尚沒有共同的認(rèn)識，在工程設(shè)計(jì)中也沒有統(tǒng)一的計(jì)算方法，尤其是針對抗拔樁或者兼有抗拔與抗壓樁共同存在的樁筏基礎(chǔ)的優(yōu)化布樁。因此，關(guān)于樁筏基礎(chǔ)的變形特性、筏板內(nèi)力、樁頂反力分布和筏板的變形也是急待解決的一個重要課題。對抗拔樁筏基礎(chǔ)而言，其變形分為平均上浮變形和差異上浮變形，而由于差異上浮變形會引起上部結(jié)構(gòu)的次應(yīng)力甚至?xí)斐善茐?，因而更加為人們所注意?/p>

對于抗拔群樁樁筏基礎(chǔ)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在有關(guān)樁筏基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與計(jì)算方法的研究中，關(guān)于抗拔樁筏基礎(chǔ)非均勻優(yōu)化布樁方式的探討，尚不多見。因此，如何將基礎(chǔ)的平均變形（沉降與上?。┛刂圃诳山邮艿乃剑畲笙薅鹊販p小差異沉降，使基礎(chǔ)在承載熊力和變形兩方面均滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求，是一個值得探討而又具有重大現(xiàn)實(shí)意義的問題。

二、本文研究內(nèi)容

本文利用PKPM的JCCAD模塊的抗拔群樁樁筏基礎(chǔ)的有限元分析方法，對單建式地下車庫承受豎向抗荷載進(jìn)行計(jì)算與分析，討論與分析下述幾個問題，并且提出以極小化筏板差異變形為目標(biāo)函數(shù)的抗拔樁筏基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法：

（1）在筏板的相對剛度和樁間距保持不變時，地下水位變化時，等間距均勻布樁樁筏基礎(chǔ)的沉降特性、樁頂反力的分布、筏板內(nèi)力與變形的變化特征等；

（2）分別抽去等間距均勻布樁樁筏基礎(chǔ)的某些特定范圍樁或者加密某些特定范圍樁，比較分析二者對基礎(chǔ)平均變形、差異變形及筏板內(nèi)力的影響；

（3）對樁的優(yōu)化布置方式進(jìn)行討論，比較樁數(shù)相同時，等間距均勻布樁和非均勻布樁對基礎(chǔ)平均變形、差異變形和筏板內(nèi)力的影響及其隨筏板相對剛度的變化特征。

（4）由此，得出一種能夠減小差異變形的抗拔樁筏基礎(chǔ)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

三、優(yōu)化原理及目標(biāo)

1.優(yōu)化原理

優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型一般是由設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)函數(shù)和約束條件三個要素構(gòu)成：

（1）結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中要求解的對象就是參與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的參數(shù)，這些對象稱為設(shè)計(jì)變量。在抗拔樁筏基礎(chǔ)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，對于樁基，一般選擇樁長、樁徑、樁間距和樁數(shù)作為設(shè)計(jì)變量，有時，甚至選擇樁的布置方式作為設(shè)計(jì)變量，也即選擇樁的最佳布置方案。

（2）本文所提到的抗拔樁基優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的是在滿足各種約束條件的前提下，盡可能使基礎(chǔ)造價最低。由于通常筏板厚度是根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)確定，而樁長，和樁徑是根據(jù)特定的地質(zhì)條件決定。為此，本文將針對抗拔群樁基礎(chǔ)的布樁方式進(jìn)行優(yōu)化，以總樁數(shù)的最小化作為優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)。

（3）優(yōu)化設(shè)計(jì)中，邊界約束條件是必需的，有了這些邊界約束條件，優(yōu)化設(shè)計(jì)才會具有實(shí)際工程意義。對于抗拔樁筏基礎(chǔ)而言，約束條件分為三個方面：一是強(qiáng)度約束，即保證所設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)有足夠的承載力；二是變形約束，即保證所設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)不產(chǎn)生過量的變形和差異變形；三是構(gòu)造約束，按現(xiàn)行規(guī)范和施工經(jīng)驗(yàn)確定。強(qiáng)度約束一般通過確定樁數(shù)、樁長、樁徑等上下限來體現(xiàn)；變形約束主要通過允許變形量和筏板最小厚度來反映；構(gòu)造約束可用樁間距、邊樁距周邊凈距等表示。

2.優(yōu)化目標(biāo)

本文主要通過抗拔群樁基礎(chǔ)的有限元分析方法，對抗拔群樁基礎(chǔ)的布樁方式進(jìn)行優(yōu)化，以期在減小筏板彎距，減少差異變形的優(yōu)化目標(biāo)下，提出抗拔群樁樁筏基礎(chǔ)優(yōu)化布樁的方案。針對實(shí)際工程中，地下水位可能變化的幅度較大，本文中假設(shè)了兩種最高最低地下水位，即考慮最高水位和最低水位兩種工況下而得出的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。將采用PKPM的彈性地基梁板模型（WINKLER模型）有限元分析方法對抗拔群樁基礎(chǔ)的布樁形式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

四、優(yōu)化分析

1.樁筏基礎(chǔ)模型

（1）基本尺寸

柱距：9mX9m，筏板厚度700mm，樁型500mmx500mm方樁。

圖4-1均勻布樁模型平面圖 圖4-2優(yōu)化布樁模型平面圖

（2）參數(shù)選?。?/p>

樁身豎向剛度：Kn=4.0xl03kN/m，樁身彎曲剛度：Km=1.0xl03kN/m，樁底土的壓縮模量：Es=10MPa，土體內(nèi)聚力：c=0.5x104Pa，內(nèi)摩擦角：Ф=140

（3）荷載選?。?/p>

最高水位上浮力：50kN/m2，最低水位上浮力：10kN/m2，筏板自重：17.0kN/m2，柱底力詳圖4-3。

圖4-3柱底反力圖

2.不同布樁型式的樁筏基礎(chǔ)特性分析

（1）筏板的變形特性

對單建式地下車庫，抗拔群樁基礎(chǔ)的變形分為平均上浮和差異上浮，平均上浮過大，雖然不一定引起上部結(jié)構(gòu)的破壞，但會影響建筑物的正常使用；差異上浮過大，則會造成上部結(jié)構(gòu)的損壞，影響建筑物的安全?；A(chǔ)的平均上浮和差異上浮受到眾多因素的影響，在此，本文只討論布樁方式這個因素的影響。

由上圖可知，當(dāng)單建式地下車庫處于最高水位的時候，出現(xiàn)上浮變形的狀態(tài)；而在最低水位時，出現(xiàn)沉降變形的狀態(tài)。對比兩種不同的布樁型式下的變形可知，優(yōu)化后的筏板變形曲線的等值線變化幅度趨緩。即在柱底密布樁的優(yōu)化方式所產(chǎn)生的差異變形比均勻布樁時小許多；但由于總樁數(shù)的減少，因此平均變形（上浮或沉降）比優(yōu)化前略大一點(diǎn)?；谝陨咸攸c(diǎn)，又提出了同時沿周邊區(qū)域布樁方式，這樣對減少基礎(chǔ)平均變形的效果較好。

（2）筏板彎距

筏板是樁筏基礎(chǔ)中的一個重要組成部分，筏板內(nèi)力尤其是筏板的彎矩及其分布情況是樁筏基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。

由上圖可見，在樁筏基礎(chǔ)處于抗浮或抗壓狀態(tài)下，柱位置下的筏板彎距產(chǎn)生了較大幅度的突變。這是由于柱底反力作用于筏板，而在此集中力作用擴(kuò)散角范圍內(nèi)，并沒有相應(yīng)的樁反力與之平衡。因此，需要靠筏板來傳遞和調(diào)解未平衡的內(nèi)力，由此形成了筏板的彎距突變。相比于均勻布樁，在優(yōu)化布樁的方案下，筏板的彎距有一定程度的減少。這是由于柱底反力作用范圍內(nèi)，設(shè)置了相應(yīng)的樁反力與之平衡，靠筏板傳遞彎距來平衡的作用減少，同時筏板配筋量也可以相應(yīng)減少。筏板彎距比均勻布樁情況下的明顯趨于平緩。

四、總結(jié)

綜上，優(yōu)化方法綜合了以上兩點(diǎn)，在柱底密布樁，沿筏板周邊稀布樁的方式，即減少了差異變形，又使平均變形控制在一個可接受的范圍內(nèi)。優(yōu)化布樁使得筏板彎距變化幅度減少，且總樁數(shù)也相應(yīng)的減少了8%～10%，從經(jīng)性和合理性的角度，在基礎(chǔ)的平均沉降滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求、單樁的承載力及樁自身強(qiáng)度足夠的情況下，此優(yōu)化方案應(yīng)是可取的。本文經(jīng)過對比分析提出了能夠適用于實(shí)際工程，符合經(jīng)濟(jì)性，合理性的地下車庫群樁優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，為工程設(shè)計(jì)人員提供了優(yōu)化設(shè)計(jì)的依據(jù)。

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