老黏土地區(qū)樁筏基礎(chǔ)沉降數(shù)值模擬與實測分析

孫曉凱 （安徽省建筑工程質(zhì)量第二監(jiān)督檢測站，安徽 合肥 233001）

1 引言

合肥地處江淮之間，區(qū)內(nèi)分布著大量的老黏土，老黏土具有孔隙比和液性指數(shù)較小，液限較大，壓縮性低，強度較高，具有弱～中等膨脹等特性，其物理力學(xué)性質(zhì)較好，在工程建設(shè)中可以作為良好的持力層。但是近年來隨著合肥的高速發(fā)展，越來越多的高層建筑物拔地而起，基礎(chǔ)上部的荷重不斷增大的同時，建筑物結(jié)構(gòu)體型也愈加復(fù)雜[1]。因此，老粘土地基的沉降變形特性愈加受到人們的關(guān)注。樁筏基礎(chǔ)作為一種常見的復(fù)合型地基，通常用于有地下室且上部荷載較大的建筑物，目前國內(nèi)外學(xué)者對于樁筏基礎(chǔ)沉降特點研究較少，故需要分析高層建筑物樁筏基礎(chǔ)地基沉降規(guī)律[2]。本文以安徽省建筑科學(xué)研究院檢測大廈為研究案例，對老黏土地區(qū)高層建筑物樁筏基礎(chǔ)地基沉降規(guī)律進行數(shù)值計算[3]，并與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行對比分析，為今后的研究提供一定參考。

2 筏板樁基礎(chǔ)模型參數(shù)選取及建立

2.1 工程概況

本工程為框架剪力墻結(jié)構(gòu)，建筑高度87.90m，地下2層，地上23層，建筑面積共27829.23m2，基底面積約2960m2，基礎(chǔ)采用樁筏基礎(chǔ)。樁型為人工挖孔樁，樁長平均6.5m，共43根，樁底進入中風(fēng)化層，上覆筏板，厚度0.5m，筏板位于地下2層，處于強風(fēng)化層處。其中人工挖孔樁布置示意圖如圖1所示。

圖1 人工挖孔樁布置示意圖

根據(jù)巖土工程勘察報告，地層自上而下可分為5層，分別為：①素填土(Qml)；②1粘土（Q4al+pl）；②粘土（Q3al+pl）；③1強風(fēng)化泥質(zhì)砂巖（K）；④中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖（K）。各土層的構(gòu)成與特征詳見表1。

工程地質(zhì)分層表 表1

2.2 計算參數(shù)的選取

為了簡化模擬難度，結(jié)合巖土工程勘察報告，現(xiàn)將地層簡化為3層。由于工程性質(zhì)差異較小，將兩層黏土層歸并為上層黏土，中層強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖和下層中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。上層的黏土選取修正劍橋模型來模擬，中層的強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖和下層的中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖選取摩爾庫倫模型來模擬，樁體、建筑物和筏板均采用C35混凝土，均選取彈性模型，換算整理后具體參數(shù)見表2所列。

數(shù)值模擬材料計算參數(shù)表 表2

2.3 模型建立

本文采用Midas GTS NX巖土軟件建立模型，采用1：1建模，大廈主體為框架剪力墻結(jié)構(gòu)，高度為87.9m，如圖3所示。地層主要分為3層，從上到下依次為黏土、強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖和中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。其中黏土層厚度平均為8m，強風(fēng)化層平均厚度為4m，以下為中風(fēng)化層，設(shè)置為8m。人工挖孔樁共43根，樁體直徑1.5m，樁身位于強風(fēng)化和中風(fēng)化層，筏板厚度0.5m，位于樁頂，處于強風(fēng)化層，筏板二維示意圖如圖3所示，樁筏基礎(chǔ)三維結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖2 安徽省建科院檢測大廈三維模型

圖3 筏板二維模型

圖4 樁筏基礎(chǔ)三維模型

3 地基沉降計算結(jié)果

本文對不同樁位附近的地基沉降量進行了分析，分別對大廈邊、角處的樁身周圍地基沉降進行分析，樁位及編號如圖5所示。

圖5 大廈邊、角處樁位及編號

3.1 樁筏基礎(chǔ)沉降規(guī)律

本文利用Midas GTS NX巖土有限元軟件，對建科大廈樁筏基礎(chǔ)進行沉降量計算，沉降量云圖如圖6所示。

圖6 樁筏基礎(chǔ)沉降量云圖

由圖6可知，該樁筏基礎(chǔ)沉降主要分布在樁體附近，其中大廈四周所在樁位附近的沉降量最大，沉降量為5.7 mm～6.7mm，平均沉降量為6.2mm。筏板四邊處沉降量較小，為1.6 mm～2.1mm，平均沉降量1.9mm。經(jīng)計算后該樁筏基礎(chǔ)安全系數(shù)Fs=2.3125，安全系數(shù)較高，符合規(guī)范要求。

現(xiàn)對圖5所示樁位分別對大廈邊、角處的樁身周圍地基沉降進行沉降規(guī)律分析。圖7為樁筏基礎(chǔ)沉降量等值線圖，由圖7可知，該樁筏基礎(chǔ)左側(cè)沉降量總體較樁筏基礎(chǔ)右側(cè)沉降量大，樁筏基礎(chǔ)左側(cè)荷載較大。

圖7 樁筏基礎(chǔ)沉降量等值線圖

3.1.1 大廈四角樁周筏板處土體沉降分析

現(xiàn)分別對圖5所示1#～4#樁位進行沉降量分析，1#～4#樁分別位于大廈四角，樁周筏板處土體沉降量與離樁心距離變化規(guī)律如圖8所示。

由圖8可知，1#～4#樁樁周筏板處的土體隨著離樁心距離的增大，沉降量逐漸減小，且呈線性關(guān)系，大廈四角處1#～4#樁樁周筏板處的土體沉降變化較均勻，離樁心最近處的土體沉降量最大，沉降量為5.7 mm～6.7mm，離1#～4#樁樁心最遠處即筏板四角處的土體沉降量最小，沉降量為2.3mm～2.6mm。

圖8 大廈四角樁周筏板處土體沉規(guī)律

3.1.2 大廈四邊樁周筏板處土體沉降分析

分別對圖5所示5#～8#樁位進行沉降量分析，5#～8#樁分別位于大廈四邊，樁周土體沉降量與離樁心距離變化規(guī)律如圖9所示。由圖9可知，5#～8#樁樁周筏板處的土體隨著離樁心距離的增大，沉降量同樣呈減小的趨勢，且呈線性關(guān)系。大廈四邊處5#～8#樁樁周筏板處的土體沉降變化均勻，離樁心最近處的土體沉降量最大，沉降量為5.9 mm～6.5mm，離5#～8#樁樁心最遠處即筏板四邊處的土體沉降量最小，沉降量為1.6 mm～2.1mm，且筏板邊緣處土體沉降量有明顯降低的趨勢，分析可知筏板邊緣處受大廈自重影響受力膨脹，導(dǎo)致筏板邊緣處土體略微隆起，導(dǎo)致筏板邊緣處沉降量呈現(xiàn)明顯降低的趨勢。

圖9 大廈四邊樁周筏板處土體沉降規(guī)律

3.2 現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)

為了有效地控制建筑物的沉降[4]，根據(jù)規(guī)范要求和實際工程需要，本工程共設(shè)置6個沉降觀測點，沉降觀測點布置如圖10所示。主體結(jié)構(gòu)封頂后，2個月觀測一次，共觀測6次。沉降觀測結(jié)果如表3所示。

圖10 沉降觀測點布置示意圖

主樓沉降觀測統(tǒng)計表 表3

根據(jù)沉降觀測結(jié)果，主體結(jié)構(gòu)封頂一年后基礎(chǔ)沉降逐步穩(wěn)定。第6次沉降觀測，基礎(chǔ)最大沉降為8.7mm，最小沉降為6.7mm，平均沉降7.9mm，基礎(chǔ)實際沉降與數(shù)值計算沉降相近。其中2#、3#、4#測點位于大廈東側(cè)，沉降量為7.9 mm～8.7mm，平均沉降量8.4mm；1#、5#、6#測點位于大廈西側(cè)，沉降量為6.7 mm～8.2mm，平均沉降量7.5mm，與數(shù)值計算結(jié)果基本吻合。對照《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB5007-2011）中建筑物的地基變形允許值要求，該大樓基礎(chǔ)沉降值在規(guī)范允許值范圍內(nèi)。從而說明，該樁筏基礎(chǔ)在老黏土地區(qū)控制建筑物沉降上取到了良好的效果。

4 結(jié)論

本文以安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計院檢測大廈樁筏基礎(chǔ)為例，利用Midas GTS NX巖土有限元軟件對老黏土地區(qū)高層建筑物樁筏基礎(chǔ)地基沉降規(guī)律進行數(shù)值計算，并與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行對比分析，由上述研究可以得出以下結(jié)論：

①該樁筏基礎(chǔ)沉降主要分布在樁體附近，其中大廈四周所在樁位附近土體的沉降量最大，平均沉降量為6.2mm。筏板四邊處沉降量較小，平均沉降量1.9mm。樁筏基礎(chǔ)左側(cè)沉降量總體較樁筏基礎(chǔ)右側(cè)沉降量大。經(jīng)計算后該樁筏基礎(chǔ)安全系數(shù)Fs=2.3125，安全系數(shù)較高，符合規(guī)范要求；

②1#～4#樁樁周筏板處的土體隨著離樁心距離的增大，沉降量逐漸減小，且呈線性關(guān)系，大廈四角處1#～4#樁樁周筏板處的土體沉降變化較均勻，離樁心最近處的土體沉降量最大，沉降量為5.7 mm～6.7mm，離1#～4#樁樁心最遠處即筏板四角處的土體沉降量最小，沉降量為2.3 mm～2.6mm；

③5#～8#樁樁周筏板處的土體隨著離樁心距離的增大，沉降量同樣呈減小的趨勢，且呈線性關(guān)系，大廈四邊處5#～8#樁樁周筏板處的土體沉降變化均勻，離樁心最近處的土體沉降量最大，沉降量為5.9 mm～6.5mm，離5#～8#樁樁心最遠處即筏板四邊處的土體沉降量最小，沉降量為1.6 mm～2.1mm，且筏板邊緣處土體沉降量有明顯降低的趨勢；

④根據(jù)沉降觀測結(jié)果，主體結(jié)構(gòu)封頂一年后基礎(chǔ)沉降逐步穩(wěn)定。第6次沉降觀測，基礎(chǔ)平均沉降7.9mm，基礎(chǔ)實際沉降與數(shù)值計算沉降相近。其中2#、3#、4#測點位于大廈東側(cè)，平均沉降量8.4mm。1#、5#、6#測點位于大廈西側(cè)，平均沉降量7.5mm，觀測值與數(shù)值計算基本吻合。