郭天祥
(廈門新區(qū)建筑設(shè)計(jì)院有限公司 福建廈門 361012)
兩階段變剛度復(fù)合樁基礎(chǔ)新技術(shù)在廈門當(dāng)代·天境項(xiàng)目[5]進(jìn)行了工程實(shí)踐,項(xiàng)目于2009年12月完成施工圖設(shè)計(jì),2012年7月竣工,取得很好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。本文以廈門當(dāng)代·天境項(xiàng)目B幢為例,介紹了采用數(shù)值分析方法對(duì)兩階段變剛度復(fù)合樁基礎(chǔ)[3]工作機(jī)理的研究。
圖1 當(dāng)代·天境B幢平面圖
當(dāng)代·天境項(xiàng)目工程位于廈門市思明區(qū)民族路西南側(cè),該項(xiàng)目用地面積5263.709m2,設(shè)兩層地下室,地上部分由 A、B兩幢高層住宅樓組成。其中B幢地上32層,地上1層為大堂,層高6.60m,其余各層均為住宅,層高 3.1m,主屋面高度 99.900m,結(jié)構(gòu)型式為現(xiàn)澆鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)。主樓平面尺寸為30.0*16.2m,為倒T型平面,高寬比為 6.20。平面及剖面圖詳見(jiàn)(圖 1、圖 2)。
本工程場(chǎng)地地質(zhì)條件相對(duì)復(fù)雜,其中位于淺層的①雜填土、④淤泥質(zhì)土屬場(chǎng)地內(nèi)的軟弱土層,基坑開(kāi)挖時(shí)已清除;基礎(chǔ)底板以下土層為⑥殘積砂質(zhì)粘性土,局部為⑦全風(fēng)化花崗巖層,力學(xué)性能相對(duì)較高。下部堅(jiān)硬巖土層為⑧強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、⑨中風(fēng)化花崗巖、⑩微風(fēng)化花崗巖,其中⑨和⑩層的埋藏較深。也注意到,殘積砂質(zhì)粘性土和全風(fēng)化花崗巖層的局部風(fēng)化不均勻,分布較多“孤石”?!肮率钡姆植挤秶⒊叽绱笮『臀恢貌痪咭?guī)律性。
圖2 當(dāng)代·天境B幢剖面示意圖
筏板底持力層為殘積砂質(zhì)粘性土層,地基承載力特征值為250kPa,承載力較高,但不足以承擔(dān)全部上部荷載。而常規(guī)的樁基礎(chǔ)受到基坑內(nèi)部已施工完成的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)(兩道內(nèi)支撐)和場(chǎng)地土層內(nèi)“孤石”等因素的影響,可選擇的基礎(chǔ)型式受到限制。綜合考慮以上因素,選擇采用樁土共同作用的復(fù)合樁基礎(chǔ)方案,可利用殘積土的承載力,進(jìn)而減少樁數(shù)和樁長(zhǎng),減小施工難度,降低工程造價(jià)。
受現(xiàn)場(chǎng)施工場(chǎng)地限制,柱基礎(chǔ)采用人工挖孔樁,樁端持力層為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖,為端承型樁。為協(xié)調(diào)樁和地基土之間的變形,在樁頂設(shè)置變形調(diào)節(jié)裝置,以實(shí)現(xiàn)樁土共同作用,該基礎(chǔ)型式稱為兩階段變剛度復(fù)合樁基礎(chǔ)[4][6]。
為研究?jī)呻A段變剛度復(fù)合樁基礎(chǔ)的工作性狀,我們采用數(shù)值分析的方法,利用有限元軟件ABAQUS對(duì)當(dāng)代·天境 B幢進(jìn)行了三維有限元數(shù)值模擬[1][2],分別從沉降、土應(yīng)力、樁頂反力和荷載分擔(dān)比等方面對(duì)兩階段變剛度復(fù)合樁基的工作機(jī)理進(jìn)行了分析。
2.1.1 模型的簡(jiǎn)化
當(dāng)代·天境項(xiàng)目B幢高層住宅樓為剪力墻結(jié)構(gòu),剪力墻平面布置如(圖3)。為了便于有限元軟件建模,將B幢結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化,建立如(圖4)及(圖5)所示的當(dāng)代·天境B幢的數(shù)值分析模型。
圖3 剪力墻平面布置
墻、板采用殼單元(shell)進(jìn)行模擬。其中,剪力墻根據(jù)真實(shí)厚度適當(dāng)歸并;樓板厚度均取100mm。墻、板本構(gòu)關(guān)系為理想線彈性。
梁采用梁?jiǎn)卧?beam)進(jìn)行模擬,主梁截面統(tǒng)一取300×600,次梁不考慮,梁本構(gòu)關(guān)系為理想線彈性。
筏板以實(shí)體單元(solid)模擬,厚度2000mm,筏板平面尺寸根據(jù)主樓下樁基礎(chǔ)外輪廓線外擴(kuò)3m確定,本構(gòu)關(guān)系為理想線彈性。
圖4 數(shù)值計(jì)算整體模型示意圖
圖5 基礎(chǔ)模型示意圖
模型中變形調(diào)節(jié)裝置由兩套共節(jié)點(diǎn)的實(shí)體單元(solid)模擬,兩套線彈性實(shí)體單元材料屬性不同,一種是變形調(diào)節(jié)裝置(彈簧)單元,另外一種是混凝土單元。模型中通過(guò)使用混凝土屬性的單元替換“彈簧”屬性的單元來(lái)實(shí)現(xiàn)變形調(diào)節(jié)裝置變剛度的模擬。變形調(diào)節(jié)裝置直徑為1000mm,厚度為150mm。
基樁以實(shí)體單元(solid)模擬,直徑 1m,樁長(zhǎng)9.850m,本構(gòu)關(guān)系為理想線彈性。
考慮到數(shù)值計(jì)算過(guò)程中的邊界影響,土體四邊取基礎(chǔ)底板1/2邊長(zhǎng)的3倍、樁端向下擴(kuò)展1.5倍樁長(zhǎng)為計(jì)算影響區(qū)域,土體尺寸為75.3m×63.2m×25m,土體邊界施加三向約束,以求將邊界對(duì)分析區(qū)域的影響降到最低。模型中基礎(chǔ)底板以下3層巖土體。其中,殘積砂質(zhì)粘性土用莫爾-庫(kù)倫模型模擬理想彈塑性本構(gòu)關(guān)系,全風(fēng)化花崗巖,強(qiáng)風(fēng)化花崗巖用線彈性型模擬理想彈性本構(gòu)關(guān)系。樁長(zhǎng)9.85m,進(jìn)入持力層強(qiáng)風(fēng)化花崗巖1m。
2.1.2 有關(guān)參數(shù)的選取
依據(jù)當(dāng)代·天境現(xiàn)有的地質(zhì)勘察報(bào)告和上部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)文件,設(shè)置模型材料參數(shù)如(表1)。
表1 數(shù)值模型各部件的材料參數(shù)
基樁樁頂?shù)淖冃握{(diào)節(jié)裝置軸向剛度值約為12000KN/m。模型中的變形調(diào)節(jié)裝置厚度為0.15m,半徑為0.5m,因此其彈性模量 E為:E=KL/A=(12000×0.15)/(3.14×0.52)=22.9MPa。
2.1.3 加載方式
模型首先進(jìn)行地應(yīng)力平衡,以此來(lái)模擬模型加載前土體的初始狀態(tài),同時(shí)賦予筏板、“彈簧”以及基樁各自容重以考慮其自重,水浮力采用向上輸入面荷載模擬。結(jié)構(gòu)的恒載(包括自重)和活載在模型中通過(guò)加載面荷載的形式實(shí)現(xiàn)。模型暫未考慮地震作用和風(fēng)荷載作用。
表2 上部結(jié)構(gòu)加載
為模擬施工過(guò)程,加載過(guò)程分38個(gè)分析步進(jìn)行加載。具體加載過(guò)程如(表2)。前35個(gè)分析步中每個(gè)分析步逐層加面荷載,用以模擬施工過(guò)程樓層結(jié)構(gòu)荷載增加情況。后3個(gè)分析步中每個(gè)分析步均一次性加載12層面荷載,用以考慮結(jié)構(gòu)封頂后,后期的非承重墻以及裝修荷載和活荷載等。工程于結(jié)構(gòu)封頂后通過(guò)對(duì)變形調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行“注漿”,調(diào)整樁體的豎向剛度,對(duì)于所在計(jì)算模型中,在第35個(gè)分析步初始對(duì)變形調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行變剛度處理。
2.2.1 建筑物沉降
圖6 沉降剖面示意圖
經(jīng)計(jì)算可得到兩階段變剛度復(fù)合樁基的沉降云圖,如(圖6)所示。可以得到,在樁基部分位置設(shè)置調(diào)節(jié)裝置后,地基土在上部結(jié)構(gòu)荷載作用下的整體沉降分布,呈中部較大、外圍較小的狀態(tài),這是由于剪力墻及上部荷載均較集中分布于平面中下部。沉降影響范圍在1倍基礎(chǔ)寬度范圍左右,由基礎(chǔ)底板中心向外逐步遞減;影響深度在1.5倍基樁長(zhǎng)范圍左右。
圖7 基礎(chǔ)沉降
(圖7)為基礎(chǔ)沉降,第一階段加載主要由土體承擔(dān)上部荷載,基礎(chǔ)沉降隨荷載線性增長(zhǎng),達(dá)到55.4mm;第二階段變形調(diào)節(jié)裝置變剛度后荷載主要由樁承擔(dān),在荷載作用下,樁發(fā)生向下刺入變形,最終平均沉降為58.6mm,第二階段的沉降量為3.2mm,沉降變化率明顯小于第一階段,基礎(chǔ)沉降呈現(xiàn)兩階段特性。
為分析筏板底部地基土層的沉降情況,現(xiàn)截取該區(qū)域的土層,根據(jù)土壓力盒布置路徑提取筏板底部地基土沉降,(圖8)為筏板路徑示意圖。其中路徑1沿著建筑物縱向分布,總長(zhǎng)35.3m;路徑2沿著建筑物橫向分布,總長(zhǎng)23.2m。(圖9)為沿路徑1沉降圖,其沉降呈現(xiàn)為明顯的“碟形”,最大沉降為65.9mm。(圖10)為路徑2沉降,最大沉降為67.1mm。
社區(qū)居家養(yǎng)老一詞最早出現(xiàn)在《關(guān)于加快實(shí)現(xiàn)社會(huì)福利社會(huì)化的意見(jiàn)》中,區(qū)別于傳統(tǒng)的建立在血緣關(guān)系上,由子女或親戚贍養(yǎng)的養(yǎng)老服務(wù)模式,現(xiàn)代意義上的社區(qū)居家養(yǎng)老模式是以社區(qū)為平臺(tái)、以家庭為基礎(chǔ)、以政府為主導(dǎo)、以社會(huì)力量為補(bǔ)充的多元主體參與的服務(wù)模式,旨在為老年人群提供生活照料、家政服務(wù)、醫(yī)療保健等物質(zhì)需求和娛樂(lè)、關(guān)愛(ài)、心理咨詢等精神需求,是與機(jī)構(gòu)養(yǎng)老、家庭養(yǎng)老相互補(bǔ)充的一種養(yǎng)老模式。
根據(jù)結(jié)構(gòu)平面布置,上部結(jié)構(gòu)剪力墻沿路徑1均為平面外,且分布均勻,左右對(duì)稱,間距較大,基礎(chǔ)相對(duì)抗彎剛度較小,因此基礎(chǔ)呈“碟形”,差異沉降20.8mm;沿路徑2剪力墻均為平面內(nèi),且布置有核心筒,剪力墻較為集中,結(jié)構(gòu)剛度及質(zhì)量均較集中于平面的中下部,基礎(chǔ)相對(duì)抗彎剛度較大,因此在偏心荷載作用下,沉降后基底為一傾斜平面,差異沉降為4.8mm。
圖8 基礎(chǔ)沉降路徑圖
圖9 沿路徑1(8軸)沉降
圖10 沿路徑2(E軸)沉降
2.2.2 基底土應(yīng)力
(圖11)土應(yīng)力呈現(xiàn)明顯的兩階段特性。第一階段筏板下土體應(yīng)力隨著荷載的增加線性增長(zhǎng),土體逐漸發(fā)揮其承載力,到第一階段末,土應(yīng)力為103kPa;第二階段變形調(diào)節(jié)裝置“注漿”后,由于樁端向下刺入使筏板下土體相應(yīng)發(fā)生壓縮變形,土體應(yīng)力荷載緩慢增長(zhǎng),最終土應(yīng)力為112kPa。
圖11 基底土應(yīng)力
根據(jù)土壓力盒布置路徑提取筏板底部地基土應(yīng)力,分析筏板底部地基土應(yīng)力分布情況。
(圖12)和(圖13)分別為沿路徑1、2地基土應(yīng)力分布。在加載的初始階段,土體壓力分布較為均勻,基底土應(yīng)力近似呈線性增大。隨著荷載的增加,土應(yīng)力不斷增大,基底土壓應(yīng)力表現(xiàn)出剛性基礎(chǔ)的“馬鞍形”分布。這是由于基礎(chǔ)“架越作用”的影響,剛度相對(duì)較大的基礎(chǔ),在調(diào)整基底沉降使之趨于均勻的同時(shí),也使基底壓力發(fā)生由中部向邊緣轉(zhuǎn)移的過(guò)程。基底土應(yīng)力于“注漿”后開(kāi)始逐漸穩(wěn)定,最終趨于收斂。
圖12 路徑1(8軸)土應(yīng)力
對(duì)比路徑1、2可以看出,除了筏板端部土應(yīng)力較小外,筏板內(nèi)部土應(yīng)力最大差值分別為 80kPa、102.2kPa。其中路徑1土應(yīng)力曲線中部“隆起”,而路徑2土應(yīng)力曲線中部“凹陷”。這是由于架越作用的強(qiáng)弱是影響基底反力分布的主要因素,沿路徑1上部剛度較小,架越作用較弱,中部土體壓應(yīng)力較大;沿路徑2上部剛度較大,架越作用較強(qiáng),中部土體壓應(yīng)力較小。
2.2.3 樁頂反力
圖13 路徑2(E軸)土應(yīng)力
圖14 樁頂反力圖
在第一階段樁已逐漸開(kāi)始發(fā)揮作用,說(shuō)明變形調(diào)節(jié)裝置的存在,樁土承載力幾乎同步發(fā)揮,這是因?yàn)閷?shí)際筏板面積遠(yuǎn)大于數(shù)值計(jì)算的筏板面積,模型中與每根樁協(xié)同工作的地基土面積相對(duì)變小,每個(gè)變形調(diào)節(jié)裝置與相應(yīng)地基土的剛度之比相對(duì)變大。模型樁頂反力與設(shè)計(jì)的單樁承載力吻合。
2.2.4 樁土荷載分擔(dān)比
(圖15)可以看出樁土荷載分擔(dān)比也具有兩階段特性。在第一階段,開(kāi)始加載時(shí),土體承擔(dān)64.6%上部荷載,樁分擔(dān)35.4%,隨著上部荷載的增加,樁荷載分擔(dān)比平緩增長(zhǎng),土荷載分擔(dān)比緩慢減小,直到“注漿”后,也就是進(jìn)入第二階段,樁荷載分擔(dān)比明顯增大,最終達(dá)到53.5%,土最終荷載分擔(dān)比減小至46.5%。
2.2.5 樁側(cè)摩阻應(yīng)力
圖15 樁土荷載分擔(dān)比
(圖16)為中樁、邊樁和角樁的樁側(cè)摩阻應(yīng)力沿樁身變化。中樁和邊樁的樁側(cè)摩阻應(yīng)力變化規(guī)律相似,隨著樁身向下,負(fù)摩阻力先緩慢增大,而后減小為零,負(fù)摩阻應(yīng)力中性點(diǎn)位于0.4倍樁身長(zhǎng)度,從樁身中性點(diǎn)往下至樁端,負(fù)摩阻應(yīng)力迅速增大為60KPa;角樁樁側(cè)摩阻應(yīng)力由樁頂-18.6KPa沿樁身向下逐漸減小為零,而后增大至72.1KPa,中性點(diǎn)相對(duì)于邊樁和角樁偏上,位于0.3倍樁身長(zhǎng)度。
圖16 樁側(cè)摩阻力
由前述分析可知,基礎(chǔ)沉降呈“碟形”,筏板中部地基土相對(duì)沉降較大,導(dǎo)致邊樁和中樁的負(fù)摩阻力大于角樁;同時(shí)可以看出,角樁正摩阻力較大,這是由于剛性基礎(chǔ)的架越作用,筏板反力呈現(xiàn)周邊大、中間小的規(guī)律。
常規(guī)樁基與復(fù)合樁基礎(chǔ)產(chǎn)生負(fù)摩阻力的原因不同。兩階段變剛度復(fù)合樁基礎(chǔ)的工作機(jī)理決定其樁側(cè)必然會(huì)受到負(fù)摩阻力的作用。主要是因?yàn)榈谝浑A段為“小剛度”階段,端承型樁頂部設(shè)置變形調(diào)節(jié)裝置,在上部荷載作用下,變形調(diào)節(jié)裝置產(chǎn)生豎向變形,使端承樁的剛度弱化,此時(shí)上部荷載主要由地基土承擔(dān),地基土的沉降較大,相對(duì)樁有向下位移,對(duì)樁產(chǎn)生負(fù)摩阻力。第二階段為“大剛度”階段,上部荷載增量主要有樁承擔(dān),地基土沉降量很小,樁側(cè)摩阻力逐漸由負(fù)轉(zhuǎn)正。兩階段變剛度復(fù)合樁基在加載過(guò)程中,大部分處于負(fù)摩阻力狀態(tài),因此計(jì)算時(shí)不能忽略負(fù)摩阻力對(duì)基樁的影響。
⑴數(shù)值分析得到基礎(chǔ)平均沉降量為58.6 mm,比現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果平均值9.4mm偏大。分析其主要原因有以下幾點(diǎn):①地質(zhì)報(bào)告中提供的土層變形模量可能比實(shí)際偏小。②ABAQUS軟件的巖土本構(gòu)模型中土層變形參數(shù)是彈性模量,而地質(zhì)報(bào)告中提供的土層變形參數(shù)是壓縮模量、變形模量。有資料提出[7],一般情況下土的彈性模量是壓縮模量、變形模量的十幾倍或者更大,不同土層及地域性差異很大。根據(jù)本工程現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試經(jīng)驗(yàn),廈門地區(qū)花崗巖殘積土彈性模量可取變形模量的2倍以上。因此直接把地質(zhì)報(bào)告提供的變形模量帶入模型計(jì)算的沉降結(jié)果會(huì)偏大。③實(shí)際工程中,受地下室剛度對(duì)上部荷載擴(kuò)散影響,主塔樓的基礎(chǔ)荷載小于數(shù)值分析時(shí)的荷載。
⑵分析表明樁身上部一定樁長(zhǎng)范圍內(nèi)存在較大負(fù)摩阻力,該負(fù)摩阻力大小和范圍與變形調(diào)節(jié)裝置的剛度、樁周土的力學(xué)性質(zhì)、樁長(zhǎng)以及樁端持力層的力學(xué)性能等因素有關(guān),但尚難準(zhǔn)確了解,該負(fù)摩阻力對(duì)復(fù)合樁基工作機(jī)理的影響程度,尚需要進(jìn)一步深入研究。
(1)兩階段變剛度復(fù)合樁基礎(chǔ)樁土荷載分擔(dān)具兩階段特性,第一階段樁頂反力較小,主要由地基土承擔(dān)荷載;進(jìn)入第二階段后,樁頂反力迅速增大,后續(xù)荷載主要由端承型樁承擔(dān)。
(2)兩階段變剛度復(fù)合樁基礎(chǔ)的沉降呈現(xiàn)兩階段特性,基礎(chǔ)沉降主要發(fā)生在第一階段,第二階段沉降量相對(duì)較小,基礎(chǔ)變形呈“碟形”。
(3)兩階段變剛度復(fù)合樁基礎(chǔ)基底反力的分布呈現(xiàn)邊端大、中部小的“馬鞍形”分布規(guī)律。
(4)兩階段變剛度復(fù)合樁基礎(chǔ)的工作機(jī)理決定其樁側(cè)必然會(huì)受到負(fù)摩阻力的作用。樁身上部一定范圍處于負(fù)摩阻力狀態(tài),應(yīng)引起注意。
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