高層筏板基礎(chǔ)持力層軟硬不均勻沉降的解決方案

葉潤慶

（廣東弘業(yè)建筑設(shè)計有限公司 廣州 510030）

1 項目背景

1.1 工程背景

廣東佛山某高層住宅樓東西向長35.3 m，南北向?qū)?2.35 m，為2 梯4 戶住宅塔樓。工程地上32 層，地下1層，筏板基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深6.0 m，天然基礎(chǔ)持力層為強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，基礎(chǔ)施工開挖及按《巖土工程勘察規(guī)范：GB 5021—2001》［1］補勘后發(fā)現(xiàn)塔樓左上部分基底持力層為中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖厚夾層，右下角區(qū)域為強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，如圖1所示。

1.2 工程難點

為避免筏板基礎(chǔ)由于一邊落在強風(fēng)化軟地基而另一邊為中風(fēng)化硬地基所產(chǎn)生的不均勻沉降，擬采用方案為在靠中風(fēng)化一側(cè)沿基礎(chǔ)筏板邊布置孔徑200 mm鉆孔，中心距250 m，鉆孔穿過中風(fēng)化層進(jìn)入下一層強風(fēng)化巖層1 m，利用鉆孔將持力層以下的中風(fēng)化巖層打斷，成孔后采用粗砂填充鉆孔。

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范：GB 50007—2011》［2］、《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范：廣東省標(biāo)準(zhǔn)DBJ 15-31—2016》［3］及《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程：JGJ 3—2010》［4］要求，需要對筏板基礎(chǔ)進(jìn)行沉降計算，為模擬10#樓復(fù)雜的工程地質(zhì)條件以及采用鉆孔后的效果，使用邁達(dá)斯GTSnx 軟件進(jìn)行建模，計算上部結(jié)構(gòu)不均勻沉降。

2 建模計算分析

2.1 定義材料特性

在邁達(dá)斯GTSnx 中，巖土材料適用分析一般性彈塑性行為的摩爾-庫倫模型，結(jié)構(gòu)材料同時適用不考慮材料非線性的彈性模型。

根據(jù)勘測報告，得到簡化后的各土層變形模量以及結(jié)構(gòu)構(gòu)件上使用的材料，如表1所示。

表1 材料特性Tab.1 Material Properties

2.2 建立土層

將地塊樁孔柱狀圖，根據(jù)鉆孔坐標(biāo)以及各土層信息，簡化制成EXCEL表格，部分鉆孔數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 部分鉆孔柱狀圖數(shù)據(jù)（簡化后）Tab.2 Some Data from Drill Log（Simplified）

將土層信息輸入邁達(dá)斯GTSnx，得到土層界面模型，根據(jù)工程實際情況，將土層界面進(jìn)行分割、簡化，得到最后的土層界面模型。如圖2所示。

2.3 建立筏板模型

現(xiàn)需要將結(jié)構(gòu)筏板導(dǎo)入并且固定在土體中，步驟為：

⑴從CAD中繪制筏板外輪廓；

⑵將繪制成的筏板外輪廓導(dǎo)入邁達(dá)斯GTSnx，并將其移動到土體頂部；

⑶建立筏板面，根據(jù)筏板各部分板厚拓展成實體；

⑷將筏板實體與土體進(jìn)行差集運算，去除重疊部分實體。⑸將所有實體進(jìn)行重新連接，去除自由面。導(dǎo)入完成的模型如圖3所示。

2.4 建立網(wǎng)格

2.4.1 整體劃分網(wǎng)格

網(wǎng)格的形狀及劃分方式在有限元分析上非常重要，主要在基于壓縮、剪切變形的發(fā)生塑性破壞的巖土的情況下，三維以六面體為中心、二維以矩形為中心生成單元對穩(wěn)定性分析更有幫助。利用映射網(wǎng)格以及六面體中心的混合自動網(wǎng)格功能生成單元。

本項目模型根據(jù)精度要求以及計算機計算能力綜合實際考慮，取網(wǎng)格單元尺寸為1 m，將各土體按照不同材料特性來劃分網(wǎng)格，并保證節(jié)點之間耦合。劃分網(wǎng)格之后的土體如圖4所示。

2.4.2 生成界面

實際工程中，由于持力層為強風(fēng)化層，為了達(dá)到要求，將位于中風(fēng)化砂巖之上的筏板周圍地基進(jìn)行鉆孔處理，鉆孔孔徑為200 mm，孔中心距為250 mm。鉆孔鉆至強風(fēng)化巖層下1 m，利用鉆孔鉆除持力層以下的中風(fēng)化巖層，且鉆孔深度不小于1 m，成孔后采用粗砂填充鉆孔。

利用邁達(dá)斯GTS 中的界面模擬基礎(chǔ)筏板西北面中風(fēng)化土層切斷情況。界面的作用是將兩側(cè)的中風(fēng)化土層進(jìn)行分割切斷，使得土層間只保留法向剛度，剪切剛度大幅減弱，由此結(jié)構(gòu)的荷載只會傳到下強風(fēng)化砂巖層。

界面就是模擬巖土之間的分離行為生成的三維界面單元，界面單元在生成的同時立刻在相應(yīng)位置上自動分離連接的節(jié)點，是在其之間按法向和切向生成具有特征剛性單元的概念。生成界面如圖5所示。

2.5 生成約束、荷載

2.5.1 整體約束

整體約束是模擬土體環(huán)境的一個約束條件，邁達(dá)斯假設(shè)土體邊界所受結(jié)構(gòu)荷載的影響足夠小以至可以忽略，以此將周圍土體邊界的側(cè)向位移，以及底部土體的豎向位移約束為0。

2.5.2 基礎(chǔ)邊界條件

為了將基礎(chǔ)和土體區(qū)分開，要設(shè)置基礎(chǔ)邊界條件。

2.5.3 自重

巖土、結(jié)構(gòu)構(gòu)件上輸入的單位重量乘以自動設(shè)置的重力加速度后自動計算。輸入基于方向的比例因子可以簡單設(shè)置，重力方向按照默認(rèn)值。

2.5.4 等效荷載

用盈建科計算得出上部結(jié)構(gòu)荷載，將其簡化后等效作用在基礎(chǔ)筏板之上。

自重，整體約束、基礎(chǔ)邊界以及等效荷載的設(shè)置如圖6所示。

2.6 輸出設(shè)置

進(jìn)行原場地分析，先完成土體的自重沉降，并將位移清零，以便接下來計算結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的土體沉降。

選擇輸出應(yīng)力、位移后，激活所有荷載單元以及邊界條件，建立靜力分析，并運行。

2.7 計算結(jié)果

基礎(chǔ)筏板的沉降分布云圖如圖7 所示，結(jié)構(gòu)中部核心筒部分沉降最大，因為核心筒周圍荷載大，荷載分布集中；筏板基礎(chǔ)周邊沉降值基本一致，說明將基地以下的中風(fēng)化巖與周邊聯(lián)系切斷，可以將結(jié)構(gòu)主要的荷載傳導(dǎo)至底部強風(fēng)化土層，結(jié)構(gòu)地基剛度趨于均勻，有效解決了軟硬基礎(chǔ)沉降差較大的問題。

3 施工圖設(shè)計

參考王后舉等人［6-10］的研究，結(jié)合計算數(shù)據(jù)對筏板進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，為解決持力層的差異沉降采取以下3個設(shè)計措施，如圖8、圖9所示。

⑴采用地錨機鉆孔切斷基底中風(fēng)化夾層與周邊巖體連接。

⑵基底中風(fēng)化區(qū)域增設(shè)300 mm 級配砂石墊層，增加該區(qū)域壓縮沉降，減小與基底強風(fēng)化巖區(qū)域的沉降差。

⑶加大基底強風(fēng)化區(qū)域的筏板外挑，減小基底反力，減少沉降量，加大板厚加強筏板沉降協(xié)調(diào)能力。

4 沉降觀測結(jié)果

本項目已于2018年竣工驗收，最終沉降觀測結(jié)果如圖10 所示，由結(jié)果可知：計算結(jié)果與沉降觀測結(jié)果基本一致，證明了數(shù)值分析的正確性，同時說明本項目采用設(shè)計方案，可以有效解決軟硬基礎(chǔ)的不均勻沉降。

5 結(jié)論

如何控制沉降差一直是筏板基礎(chǔ)設(shè)計的關(guān)鍵，沉降的計算的準(zhǔn)確性就顯得尤為重要。通過邁達(dá)斯GTSnx 建?；究梢阅M實體巖土的狀態(tài)和邊界條件，沉降計算結(jié)果基本符合實際。對于基底存在中微風(fēng)化等厚夾層使基底持力層出現(xiàn)半邊土半邊巖的時候，通過采用地錨機鉆孔切斷夾層的設(shè)計施工方案即經(jīng)濟又高效，能從根本上有效解決沉降差的問題。