地基支撐剛度變化對基礎沉降的影響

郭莉輝，張保坤，王軍生

(中國市政工程華北計研究總院有限公司，天津　300074)

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地基支撐剛度變化對基礎沉降的影響

郭莉輝，張保坤，王軍生

(中國市政工程華北計研究總院有限公司，天津300074)

運用ANASYS有限元分析軟件，構建地基基本的三維模型，地基支承剛度的空間改變是由地基變形模量的改變來體現(xiàn)的，研究地基支承剛度改變，基本的筏板厚度保持不變時，基本的沉降值線的散布規(guī)則，證明了地基變剛度對改善荷載傳遞體系、減少基礎沉降差、筏板內力和厚度、上部結構次應力的作用。

地基基礎工程；變剛度調平設計；數(shù)值分析

最近幾年，我們國家的高層建筑不斷的發(fā)展，新建的高層和超高層建筑也越來越多，而高層建筑的地基基礎是保證其正常使用和穩(wěn)定安全的根本，如果設計處理不當，將產生比一般建筑破壞更加嚴重的不良后果，給人民的生命財產安全帶來巨大損失，因此高層建筑地基基礎尤其是超高層建筑的地基基礎變形控制和預測已成為本行業(yè)研究的熱點。 地基變形特征表現(xiàn)為建筑物的沉降量、沉降差、傾斜和局部傾斜等,它們都不應大于地基的容許變形值,而這個值是根據(jù)上部結構對地基變形的適應能力和使用上的要求來確定的。新出臺的規(guī)范制度主要闡述了變形控制設置是針對長時間產生的通常設計來講的，變形控制設置的本意是采用以沉降變量為主要的控制目標，來探求科學、經(jīng)濟的地基基礎實施方案,達到控制工程投入的預期效果，實現(xiàn)節(jié)約工程投入的目的，是完善地基基礎設置的一種最佳的途徑，對于目前和將來的多種的復合地基、復合樁基設計產生重要的作用。沉降量控制把差異控制與平均沉降的控制都包含在內。而對于建筑結構尤其是高層、超高層建筑樁筏基礎的差異沉降變形控制設計方法也不斷的創(chuàng)新和發(fā)展，不斷有學者提出新的控制設計方法，并在工程實踐中得以應用實現(xiàn)。

宰金珉在文獻[1]中提出了對樁距較大的低承臺摩擦群樁中的單樁取用其極限承載力的方法，從而使樁基和土體共同作用并明確分擔上部荷載，并對其使用整體承載力和沉降量控制的雙重控制下的非線性設計方法。陳祥福在文獻[2]中提到了超高層建筑的空間變剛度等沉降樁法，它認為在高層和超高層建筑的地基基礎中，更應該考慮樁土共同作用的地基綜合剛度影響。此理論從群樁的應力、應變關系出發(fā)，考慮樁土的地基綜合剛度進而把群樁視為一個整體共同承擔上部傳來的荷載，從而達到減少基礎沉降或使沉降更加均勻，盡可能的減少對上部建筑結構的破壞，這就是超高層建筑的空間變剛度等沉降樁設計方法的原則，而這種方法主要用于摩擦樁和端承摩擦樁為主的復合地基基礎類型中。在文獻[1]樁土共同作用理念的基礎上，宰金珉又在文獻[3]中提出差異沉降變形控制是在控制地基總體沉降的基礎上發(fā)展起來的，而不均勻沉降是高層和超高層建筑的地基設計中的主要控制因素，文獻作者提出了符合樁基礎設計的主要理念是假定單樁的所承受的荷載達到或者接近其單樁承載力，對于大樁距的支承，可認為單樁已變成了類似塑性鉸的完全塑性支承，它始終可承擔極限承載力的荷載，其余的荷載則由承臺下及樁間土去承擔，從而形成樁土相互作用共同承擔上部荷載的沉降量控制設計方法，而這種復合樁基被稱為塑性支承樁-卸荷減沉樁。

設置相等的樁徑，相等的樁長以及相等的樁距已經(jīng)廣泛應用于現(xiàn)代高層建筑的樁基中，也就是說相同剛度的設計方式，實際測量顯示，即使樁數(shù)多，還是不能消除蝶形沉降[4][5]，尤其是在筒中筒、框-筒、框-剪的構造中更加顯著。該種蝶形沉降會造成上部結構次生力和基礎內力的上升，以及增加配筋和板厚。除了傳統(tǒng)的均勻布樁外，還有人主張對均勻布樁中的邊角樁進行加強，筏板的厚度在滿足抗沖切要求的基礎上隨著樓層增高成正比增加，但是蝶形差異沉降依然較為明顯，導致上部結構開裂破壞，從而影響建筑物的正常使用。

所以，1999年到2000年宰金珉和劉金礪等學者指出以降低材料耗用和差異沉降為目的，人為地適當調節(jié)地基剛度的變形程度的變剛度調平設計理念[6][7]。變剛度調平設計理念考慮地基、基礎和上部結構的共同作用，通過對樁土支承剛度進行適當?shù)恼{節(jié)和分布，采取增強與弱化相結合的方法，通過增加部分沉降或減小部分沉降以使各個部分沉降趨于均勻，使基底反力分布與上部結構傳來的荷載分布相一致，減小筏板內部的的次內力，從而盡可能減小地基基礎的差異沉降和筏板的次內力內力，防止高層及超高層建筑上部結構的開裂和破壞。

一、地基基礎變剛度設計選型方法的數(shù)值分析

(一)模擬計算研究方法

變剛度調平設計理念需要根據(jù)上部結構和下部地基和基礎的具體情況進行支承剛度的具體調節(jié)，從而達到減小差異沉降的目的。本文選取變剛度調平設計中的一種，對模型進行計算機有限元模擬分析，采用ANSYS有限元計算程序，對于地基采用“內強外弱”的變剛度處理方式，建立地基基礎的三維模型，探索地基支承剛度空間改變，基本筏板厚度保持不變時的基本沉降的直線散布規(guī)則，從而為工程實踐提供更加精確詳細的理論參考依據(jù)。

(二)計算模型及參數(shù)選取

1.模型基本假定

由于基礎、上部結構以及地基組成成分的結構十分復雜，并且這種復雜不管是在模擬實驗過程還是實際工程操作過程都無法得到改善，因為對這三個因素所組成的系統(tǒng)所造成影響的因素太多，涉及面也十分廣，但是在計算中，人們往往為了簡單化的計算，在此系統(tǒng)中做一些合理的簡化，使其能夠基本真實有效的反映出具體實際情況，為工程實踐問題的探索提供合理的分析簡化模型。

(1)去掉上部構造剛度的因素，假設上部構造傳到基礎頂面的負荷在筏板上散布勻稱，Z軸的負方向和荷載的影響方向是一致的；

(2)筏板基礎是呈線彈性體的；

(3)為了對地基土能夠較好的分析，不但要分解出地基土的中心位置加固土體，也要分離出筏板下部的原狀土體，同時還要將四周的加固土體以及上部周圍的天然土體劃分出來。并用分離出的土體部分構成一個彈塑性的模型(Druker-Prager)。筏板下中心加固區(qū)面積取為筏板面積的1/4；

(4)加固土和周邊的土體、下部土體和筏板之間都是密切相連的；

(5)利用對稱性，取1/4實體進行運算。

2.計算模型的建立

計算分析首先要建立模型，對選中的對象進行單元化設置，本文分析的模型中，我們需要設定的單元不僅包括筏板邊緣加固區(qū)土體、筏板，還有筏板中心區(qū)域加固區(qū)土體、下部的原狀土以及、周圍上部天然土體。

本次模型中筏板選擇長為40米，寬為40米，高為2.5米的素材。加固區(qū)土體的底層和上部原狀土的底面在同一高度上，中心加固區(qū)大小取為長20米，寬20米，高20米，之所以選這個尺寸，是因為中心加固區(qū)剛度取值比邊緣加固區(qū)剛度大，最后，筏板下地基要分成兩部分進行加固。

圖1.1　加固地基的剛度分布圖

確定計算區(qū)域的方法與原則為，位移場的分布隨邊界的的外部擴張與模型的計算應力已經(jīng)不會表現(xiàn)出明顯的變化。文中的3B定為計算模型的影響寬度，整體加固區(qū)的上部結構作用到基礎頂面的荷載力假設為平均分布的荷載，取300kPa為數(shù)量值，3D為下部土體的影響深度。圖1.2為ANSYS建立的計算模型圖。

圖1.2　地基基礎計算模型示意圖

對已建立的計算模型進行計算單元網(wǎng)格劃分如圖1.3：

圖1.3　地基基礎計算模型網(wǎng)格劃分圖

對模型的模擬計算的各種材料參數(shù)見表1.1：

表1.1　模擬計算的材料參數(shù)

(三)數(shù)值模擬結果分析

采用ANSYS有限元程序進行數(shù)值模擬。根據(jù)地基剛度值的變化情況，本文共完成8個工況模型的模擬計算，結果如表1.2所示。

表1.2　計算結果

M5M6M7M8Esp1/MPaEsp2/MPaEsp1/MPaEsp2/MPaEsp1/MPaEsp2/MPaEsp1/MPaEsp2/MPa12050120601207012080最大沉降值(cm)21.899221.289420.818820.4442差異沉降值(cm)1.53921.66081.75181.8227

注：Esp1——中心區(qū)域加固區(qū)土體模量，Esp2——筏板邊緣加固區(qū)土體模量

其中部分模型的沉降等值線分布云圖如圖1.4-圖1.9所示。

圖1.4　M1的沉降等值線分布云圖

圖1.5　M1筏板下土體沉降等值線分布云圖

圖1.6　M2的沉降等值線分布云圖

圖1.7　M2 筏板下土體沉降等值線分布云圖

圖1.9　M5 筏板下土體沉降等值線分布云圖

二、結論

通過對以上模擬計算數(shù)據(jù)及等值線分布云圖結果分析，可以得出以下結論：

其一， 由上文中的沉降等值線分布圖中可以得出，模擬結果很好的吻合了邊緣沉降小、中間沉降大的變化原則。同時可以得出沉降的最大值不是只產生在筏板中心下，而是在中間的一定的范圍內。

其二，在中心地區(qū)加固土體模量保持不變時，在筏板周邊加固土體模量上升時，沉降最大值將隨其不斷的變小，此時差異沉降值不斷的上升。當筏板周圍的加固區(qū)土體模量在保持不變的狀態(tài)下中心區(qū)域的加固土體模量表現(xiàn)出上升趨勢，基礎沉降最大值將隨其不斷的減小，此時差異沉降不斷的下降，這表明了筏板下部中心地方支承剛度可以對沉降產生降低的作用。

其三，本文根據(jù)“內強外弱”加固方式建立的計算模型，加固深度取為20m。沉降最大值達22.2293cm，但最大差異沉降值是2.0792cm(M4的差異沉降值)，還不到差異沉降點距離的1%(2.0792/2828.43=0.074%),說明加固筏板下中心區(qū)土體可以有效減小差異沉降；

其四，本次計算筏板厚度取為2.5m，可能對基礎的差異沉降的實際分布規(guī)律有一定影響，但總體規(guī)律是符合實際工程檢測成果的。

三、結語

第一，ANSYS有限元分析表明：地基變剛度有改善荷載傳遞體系、減少基礎沉降差、筏板內力和厚度、上部結構次應力的作用。當?shù)鼗С袆偠缺３植蛔儠r，基本的沉降直線的散布規(guī)則：在中心地方加固土體模量保持不變時，當筏板周邊的加固土體模量上升，沉降的最大值將隨其不斷降低，此時差異沉降值也不斷的上升；沉點的最大值下降的條件是中間地方加固土體模量升高，并且在此同時筏板周邊加固土體保持不上升也不下降。所以我們可以得出結論：筏板下中心地方的支承剛度的升高會對差異沉降產生積極的作用。

第二，本文在數(shù)值研究過程中去掉了上部構造剛度的因素，并對地基支承進行了一定的簡化，用地基模量的改變來描述地基支承剛度的變化。對于如何實現(xiàn)加固區(qū)以及加固區(qū)的范圍，沒有給出詳細的解答。由于時間的關系，本文只是較粗糙的選取了筏板面積的1/4。對于加固區(qū)范圍如何選取，需要更進一步的研究；

第三，沉降曲線的分布與地基土的性質、上部結構的剛度、基礎筏板的剛度、支承剛度、有關，但文中只對地基支承剛度的變化做了沉降曲線的分布，應該對影響差異沉降的各種因素綜合討論，實現(xiàn)基礎的優(yōu)化選型。

[1]宰金珉.樁土明確分擔荷載的復合樁基及其設計方法[J].建筑結構學報,1995，(04).

[2]陳祥福.超高層建筑深基礎沉降理論和工程應用研究[D].同濟大學,2000.

[3]宰金珉.塑性支承樁——卸荷減沉樁的概念及其工程應用[J].巖土工程學報,2001,(23).

[4]烏家蘭．關于土地基在均布荷載下變形特性的討論[J]．住宅科技，2001，(12).

[5]熊茂利，原彩霞．祁臨高速公路南段軟土地基處理及施工[J]．交通科技，2002，(05).

[6]宰金珉．地基剛度的人為調整及其工程應用．中國土木工程學會第八屆土力學及巖土工程學術會議論文集[M].北京：萬國學術出版社，1999.

[7]劉金礪，遲鈴泉．樁土變形計算模型和變剛度調平設計[J]．巖土工程學報，2000，(22)

Influence of Ground Foundation Support Rigidity on Foundation Settlement

GUO Li-hui, ZHANG Bao-kun, WANG Jun-sheng

(NorthChinaMunicipalEngineeringDesign&ResearchInstituteCo.,Ltd.,Tianjin300074)

By use of ANASYS software of finite element analysis, basic 3D model of ground foundation is built, and space change of ground foundation support rigidity is reflected by the change of foundation deformation modulus, and through the research on distribution rule of basic sedimentation value line when basic raft thickness is kept unchanged in order to study the change of foundation support rigidity, it has proved the effect of variable rigidity of foundation on improving the load transfer system, reducing the differential foundation settlement, internal force and thickness of raft, as well as secondary stress of upper structure.

Ground foundation engineering; variable rigidity design; numerical analysis

2016-04-15

郭莉輝(1982-)，女，天津人，工程師，中南大學土木工程本科學歷，主要從事城市燃氣熱力工程設計工作。

TU47

A

1673-582X(2016)06-0112-07