王道華

（江蘇省有色金屬華東地質(zhì)勘查局，江蘇 南京 210007）

1 概述

樁筏基礎(chǔ)是目前高層建筑中普遍采用的一種基礎(chǔ)形式,尤其是在軟土地區(qū)，地基沉降是設(shè)計中主要考慮的因素[1-2]。目前工程界廣泛采用的常規(guī)設(shè)計方法則是先把基礎(chǔ)的剛度視為無窮大,求出上部結(jié)構(gòu)在基礎(chǔ)頂面處的固端反力,再把該固端反力反向作用于基礎(chǔ),在考慮地基基礎(chǔ)共同作用的條件下計算基礎(chǔ)內(nèi)力和地基變形[3]。對地基沉降的真實情況不太清楚，同時對基礎(chǔ)的設(shè)計存在著估計不足或浪費。國內(nèi)外對框架核心筒—基礎(chǔ)—地基的研究主要集中在施工技術(shù)及工程應(yīng)用方面，而對其數(shù)值模擬優(yōu)化方面研究較少。

本文以江蘇某市某高層辦公樓為例，建立了軟土地區(qū)框架核心筒—基礎(chǔ)—地基共同作用有限元模型，對比了考慮共同作用與不考慮共同作用的地基沉降和樁筏基礎(chǔ)的內(nèi)力情況。同時，在此基礎(chǔ)之上，分析了改變樁長和樁徑對地基沉降和基礎(chǔ)內(nèi)力的影響。對軟土地區(qū)的建筑工程設(shè)計、施工具有一定的參考價值。

2 工程簡介

圖1 結(jié)構(gòu)平面布置圖（單位：mm）

工程位于蘇南，框架-核心筒結(jié)構(gòu)地上21層，地下1層。地下室和底層層高5.35m，標(biāo)準(zhǔn)層層高4m。上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)的混凝土強度等級均為C45，泊松比取0.2，混凝土容重取25kN/m3。核心筒外墻厚度為475mm，內(nèi)墻厚度為300mm。柱有3種截面形式：800mm×800mm、800mm×1200mm、1100mm×1200mm；主樓筏板厚2.05m，車庫防水板厚0.5m。結(jié)構(gòu)平面布置如圖1所示[4]，基礎(chǔ)采用樁筏基礎(chǔ)，樁長35m，樁徑800mm。

3 數(shù)值模擬

3.1 計算參數(shù)

模型斷面如圖1所示。本文梁、柱采用BEAM44單元，樓板和筒體墻采用SHELL63單元[5]。樁采用彈簧單元，筏基采用SHELL181單元。本文地基粘性土模型采用Drucker—Prager材料模型，砂土采用Mohr-Coulomb模型(MC)，MC模型有4個參數(shù)，即粘聚力c、內(nèi)摩擦角φ、泊松比ν和彈性模量E?；滓韵峦翆拥南嚓P(guān)參數(shù)見表1。本文地基土采用SOLID95單元[6]。

3.2 計算過程

表1 地基參數(shù)

建立模型，參考表1設(shè)置材料參數(shù)和計算參數(shù)，設(shè)置邊界條件，劃分網(wǎng)格，再開始設(shè)置分析步，完成后提交分析，分析過程分為2部分：第一部分是地基土地應(yīng)力平衡，通過geostatic分析步來實現(xiàn)；第二部分是將建筑物分為5個分析步逐次加載。

4 分析和討論

本文在不改變樁長樁徑下對比了不考慮共同作用與考慮共同作用地基沉降和基礎(chǔ)內(nèi)力分析。在此基礎(chǔ)之上，考慮上部結(jié)構(gòu)—基礎(chǔ)—地基共同作用，將該工程問題進(jìn)行優(yōu)化[7]，分別改變框架和核心筒下樁長與樁徑，分析了樁長與樁徑對地基沉降和基礎(chǔ)內(nèi)力的影響。具體討論情形如表2所示。

4.1 不考慮與考慮共同作用下地基沉降和基礎(chǔ)內(nèi)力分析

表2 對比分析情形

圖2為長度方向中心線地基加載結(jié)束后的沉降曲線，不考慮相互作用的情況下，最大沉降發(fā)生在核心筒中央，沉降量為118mm，最小沉降量發(fā)生在邊柱為52mm。而考慮相互作用后，核心筒中央沉降減小到99.8mm，但是邊柱沉降增大到73mm。2種方法的差異反映了結(jié)構(gòu)的“邊柱增載效應(yīng)”?？紤]共同作用后，邊柱軸力增大，導(dǎo)致其下部區(qū)域土體沉降增大，而中柱有卸載傾向，其下部土體的沉降要相對變小。從宏觀上講，由于上部結(jié)構(gòu)的剛度貢獻(xiàn)，考慮共同作用后基礎(chǔ)的差異沉降明顯減小，共同作用法得到的最大沉降差為26.8mm,而常規(guī)法為66mm。

圖3為長度方向中心線基礎(chǔ)加載結(jié)束后的彎矩響應(yīng)圖?？紤]相互作用和不考慮相互作用的彎矩分布完全不同，主要反映在核心筒附近，由于上部核心筒的剛度較大，核心筒處的地基彎矩非常大，達(dá)到了3000kN/m，而不考慮相互作用的情況下，核心筒中部的彎矩很小，沿長度方向的彎矩圖分布不均勻，而考慮共同作用，基礎(chǔ)整體彎矩分布趨于均勻，說明筏板由柔性變?yōu)閯傂?。不論是否考慮共同作用，彎矩存在反彎點，出現(xiàn)在有結(jié)構(gòu)物作用處，如柱、墻下；最大彎矩發(fā)生在框架和核心筒交界處。

圖2 長度方向中心線地基沉降

圖3 長度方向中心線基礎(chǔ)彎矩

4.2 優(yōu)化設(shè)計

從圖2和圖3的結(jié)果可以看出，考慮相互作用之后，計算得到的不均勻沉降值明顯降低，彎矩分布均勻性得到改善，但是實際基礎(chǔ)的整體彎矩偏大?？紤]該工程的不均勻沉降仍然偏大，以及基礎(chǔ)的內(nèi)力分布形式不均勻，現(xiàn)將基礎(chǔ)進(jìn)行優(yōu)化，主要考慮到2個方面：

（1）核心筒下的彎矩偏大，可以考慮增加核心筒下的樁長，并減小框架柱的樁長。

（2）核心筒下的沉降偏大，可以考慮增加核心筒下的樁徑，并減小框架柱的樁徑。

（3）具體的分析參數(shù)見表2，下面分別進(jìn)行分析。

4.3 樁長對地基沉降和基礎(chǔ)內(nèi)力的影響[8]

圖4為樁長改變對地基沉降的影響，增加核心筒樁長到38m、41m和44m時，位于核心筒中間處的最大沉降減小至94mm、86mm和82mm。而減小框架柱下的樁長僅使得框架邊柱處的基礎(chǔ)沉降值略微增加。并且，當(dāng)增加核心筒部分樁長不僅可以減小最大沉降，而且基礎(chǔ)變形趨于均勻。

圖4 樁長對地基沉降的影響

圖5為樁長改變對基礎(chǔ)內(nèi)力的影響，隨著增加核心筒部分樁長，基礎(chǔ)最大彎矩減小，反彎矩逐漸消失，彎矩分布趨于均勻。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因主要是樁長分布改變后，基礎(chǔ)和地基作用力發(fā)生改變，中間部位的反力增大，邊緣部位的反力減小，彎矩圖發(fā)生變化。從圖4和圖5我們可以得到，改變核心筒下基礎(chǔ)樁長，可以有效地減小總沉降并使基礎(chǔ)彎矩分布均勻。

圖5 樁長對基礎(chǔ)內(nèi)力的影響

4.4 樁徑對地基沉降和基礎(chǔ)內(nèi)力的影響

圖6為樁徑改變對地基沉降的影響，增加核心筒樁徑到850mm、900mm和950mm時，位于核心筒中間處的最大沉降減小至86mm、82mm和80mm?？梢娫黾雍诵耐蔡幍臉稄降?00mm時就可以達(dá)到增加樁長到41mm的效果，并且沉降差相比增加樁長顯著減小?？梢哉J(rèn)為，增加樁徑相比較增加樁長，樁體剛度的提升更加明顯，基礎(chǔ)的整體剛度增加，沉降差減小。

圖7為樁徑改變對基礎(chǔ)內(nèi)力的影響。隨著增加核心筒部分樁徑，基礎(chǔ)最大彎矩有所增加，核心筒處彎矩分布趨于均勻，但是框架下的基底彎矩分布隨著樁徑的改變不是很明顯，依然在靠近核心筒處產(chǎn)生突變。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因主要是樁徑增大后，核心筒處的基底剛度變大，承受的彎矩變大。

圖6 樁徑對地基沉降的影響

圖7 樁徑對基礎(chǔ)內(nèi)力的影響

5 結(jié)論與建議

本文以實際工程為例，分析了不考慮共同作用與考慮共同作用地基沉降和基礎(chǔ)內(nèi)力[9]，以及改變框架和核心筒和框架柱下樁長與樁徑對地基沉降和基礎(chǔ)內(nèi)力的影響。主要得出以下結(jié)論：

（1）由于上部結(jié)構(gòu)的剛度貢獻(xiàn)，考慮共同作后，基礎(chǔ)最大彎矩減小，內(nèi)力分布趨于均勻；地基最大沉降減小，且沉降分布趨于均勻。

（2）增加中心區(qū)域樁的長度和直徑，基礎(chǔ)的彎矩和地基沉降可進(jìn)一步減小，且其分布均區(qū)域均勻。故在地基沉降允許范圍內(nèi)，可以適當(dāng)調(diào)整樁長或樁徑，以優(yōu)化基礎(chǔ)設(shè)計。

[1]周正茂,趙福興,侯學(xué)淵.樁筏基礎(chǔ)設(shè)計方法的改進(jìn)及其經(jīng)濟(jì)價值[J].巖土工程學(xué)報,1998(06).

[2]趙錫宏.上海高層建筑樁筏與樁箱基礎(chǔ)設(shè)計理論[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,1989.

[3]宰金岷,宰金璋.高層建筑基礎(chǔ)分析與設(shè)計——土與結(jié)構(gòu)物共同作用理論與應(yīng)用[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1993.

[4]趙雪娟,孫中任.斷面圖繪制過程中的地形改正[J].物探與化探,2011.

[5]張波,盛和太.ANSYS有限元數(shù)值分析原理與工程應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005.

[6]俞茂宏.巖土類材料的統(tǒng)一強度理論及其應(yīng)用[J].巖土工程學(xué)報,1994(02).

[7]潘向軍,王守君,張靜芳.某超高層建筑結(jié)構(gòu)選型及設(shè)計[J].河南科學(xué),2012.

[8]樊敬亮,程知言,胡光云,等.建(構(gòu))筑物下管樁長度檢測方法[J].物探與化探,2007.

[9]董建國,趙敏宏.高層建筑地基基礎(chǔ)—共同作用理論與實踐[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,1997.