李 軍 偉

(杭州傳化公路港建設(shè)有限公司，浙江 杭州 311200)

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輕質(zhì)材料消減高填土不利影響的應(yīng)用研究

李 軍 偉

(杭州傳化公路港建設(shè)有限公司，浙江 杭州 311200)

依托上海辰山植物園科研中心樓項(xiàng)目，以聚苯乙烯泡沫(EPS)輕質(zhì)材料為例，通過(guò)模型，計(jì)算分析了利用輕質(zhì)材料消減高填土對(duì)建筑不利影響的可行性，并闡述了具體的施工方案，為相關(guān)工程提供了參考。

輕質(zhì)材料，EPS，巖土工程，高填土

0 引言

擋土墻應(yīng)用十分普遍，回填土的重度決定了擋土墻后土壓力的大小。如果回填土重度越大，土壓力就越大，易對(duì)擋土墻產(chǎn)生破壞。輕質(zhì)材料作為擋土墻后的填料，可降低豎向荷載，減少沉降。同時(shí)輕質(zhì)材料是膠結(jié)材料，不產(chǎn)生側(cè)向荷載，減少處理費(fèi)用。本文以上海辰山植物園科研中心樓項(xiàng)目為依托，分析了高填土產(chǎn)生的較大土壓力對(duì)主體建筑的不利影響，并研究了采用輕質(zhì)材料消減該不利影響的可行性。

1 工程概況

上海辰山植物園的建設(shè)目標(biāo)是建成世界領(lǐng)先和國(guó)內(nèi)一流水平的國(guó)家植物園[1]，本工程綠環(huán)堆筑主要是通過(guò)堆土造坡，在山坡上種植草本植物，形成綠色帶狀臺(tái)地形人工山體。根據(jù)本工程綠環(huán)堆筑體的平面分布特征，擬建“科研中心樓”兩側(cè)堆土較高。堆土體與擬建建筑體緊密連接，若處理不當(dāng)，該區(qū)堆土易引起擬建建筑較大的附加沉降，使其樁基產(chǎn)生負(fù)摩阻力和水平推力作用，并使基礎(chǔ)產(chǎn)生較大的不均勻沉降，這是本工程地基處理的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

2 綠環(huán)堆筑區(qū)高填土對(duì)擬建科研中心樓的影響

根據(jù)本工程條件，可將堆土高度等效為天然土層厚度，那么擬建“科研中心樓”基礎(chǔ)埋深可等效為-10.5 m。填土達(dá)到一定高度后，土壓力隨填土高度成非線性增加，高填土造成的土壓力分布特征由填筑初期沉降差引起的“附加應(yīng)力”和后期的“土拱效應(yīng)”共同起作用綜合決定[3]，因此需要綜合考慮各種因素以分析高填土對(duì)建筑的不利影響。

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，堆土與建筑物兩側(cè)緊密銜接，兩側(cè)土體將對(duì)擬建科研中心樓產(chǎn)生較大的水平荷載，也會(huì)引起擬建科研中心樓兩側(cè)較大的附加沉降，從而引起樁側(cè)負(fù)摩阻力等一系列的巖土工程問(wèn)題[3]。

2.1 高填土引起的地基土水平附加應(yīng)力問(wèn)題

由于高填土地面堆載在地基土中產(chǎn)生了較大的附加應(yīng)力，也使地基土的水平應(yīng)力顯著增強(qiáng)并產(chǎn)生一定水平位移，根據(jù)有限元軟件模擬堆筑產(chǎn)生的影響，如圖1所示。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，靠近擬建物0 m～10 m左右范圍產(chǎn)生擠壓作用的水平位移，在10 m范圍之外產(chǎn)生反方向的水平位移。

由于高填土堆載會(huì)在擬建科研中心樁基上產(chǎn)生較大的水平剪力和彎矩，因此需對(duì)單樁的水平承載力進(jìn)行驗(yàn)算。在擬建物樁基不能滿足抗剪切強(qiáng)度要求時(shí)，可考慮采用輕質(zhì)堆筑材料以減小高填土堆載對(duì)地基土的不利影響。

2.2 高填土引起的地基土附加沉降及擬建物樁基負(fù)摩阻力問(wèn)題

根據(jù)擬建場(chǎng)地的地層分布情況，擬建場(chǎng)地埋深20 m內(nèi)土層一般為中～高壓縮性，高填土產(chǎn)生地面超載會(huì)使堆筑區(qū)及中心區(qū)域的地基土層產(chǎn)生較大的壓縮變形，如圖2所示。

根據(jù)估算，在堆土10.5 m區(qū)土體最終沉降量最大值可達(dá)到0.9 m左右，如不采取相應(yīng)的地基加固措施，沉降量和差異沉降量都過(guò)大。由高填土產(chǎn)生的附加沉降易使建筑物樁基產(chǎn)生很大的負(fù)摩阻力，從而降低樁基承載力、增大樁基沉降，該影響在樁基設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮。

2.3 高填土引起的地基土體差異沉降問(wèn)題

從圖2估算成果可知，高填土產(chǎn)生的地面堆載對(duì)擬建科研中心樓區(qū)域地基土不同位置會(huì)產(chǎn)生不同的附加沉降，因此導(dǎo)致擬建科研中心區(qū)域的基礎(chǔ)差異沉降問(wèn)題，在樁基設(shè)計(jì)時(shí)要進(jìn)行考慮。

3 輕質(zhì)EPS材料+表層覆土方案分析

聚苯乙烯泡沫(Expanded Polystyrene簡(jiǎn)稱EPS)是一種輕型高分子聚合物[4-8]。一般EPS的密度只有普通土密度的1/70～1/50[7]，EPS泡沫板具有密度小抗腐蝕；當(dāng)荷載增加時(shí)，垂直變形較大，側(cè)向變形較小；價(jià)格便宜，便于加工等優(yōu)點(diǎn)。這些特性對(duì)高填土減載是十分有利的[8]。本工程綠環(huán)堆筑體可考慮采用局部輕質(zhì)EPS材料填充+表層覆土方案。本工程若使用3 m厚的EPS板填充+2.5 m覆土?xí)r可大大減輕綠環(huán)堆土體自重，從而極大程度減小堆土所產(chǎn)生的堆載，縮小了由堆載產(chǎn)生的附加沉降及不均勻沉降等不良影響；同時(shí)，由于EPS材料自立性強(qiáng)，采用EPS材料填充時(shí)，對(duì)擋墻產(chǎn)生的水平應(yīng)力較小，此時(shí)可簡(jiǎn)化擋土墻的設(shè)置，或采用混凝土薄板澆筑。EPS板可采用階梯形堆筑或三角形堆筑，以便于受力和減少造價(jià)。具體方案可通過(guò)經(jīng)濟(jì)技術(shù)比選確定。

3.1 計(jì)算模型建立

1)理論基礎(chǔ)。

本文采用有限元法計(jì)算分析，有限元方程為：

[K]{δ}={R}

(1)

其中，[K]為剛度矩陣；{δ}為位移列陣；{R}為荷載列陣。

二維有限元沉降計(jì)算采用變形模量，根據(jù)壓縮模量轉(zhuǎn)換，由如式(2)計(jì)算:

(2)

其中，E0為土體的壓縮模量，MPa；Es為土體的變形模量，MPa；v為土體的泊松比。

2)計(jì)算模型。

a.計(jì)算樁的受力。填土高度為11 m，填土頂部寬度為8 m，在土堆內(nèi)設(shè)置10 m寬的EPS板，EPS板上覆土高度分別按3 m，5 m計(jì)算，在基礎(chǔ)邊界設(shè)置擋墻，擋墻荷載為300 kN。同時(shí)按固結(jié)度為0，0.3，0.6分別計(jì)算。填土重度為γ=18 kN/m3,EPS板密度ρ=20 kg/m3。按平面應(yīng)變問(wèn)題計(jì)算，在基礎(chǔ)位置設(shè)置四排樁基礎(chǔ)，樁頂部設(shè)置筏板基礎(chǔ)，基礎(chǔ)的模量按樁基布置圖進(jìn)行等代轉(zhuǎn)化。樁長(zhǎng)44.8 m，1號(hào)樁，2號(hào)樁，3號(hào)樁，4號(hào)樁距填土邊界分別為1.3 m，2.6 m，7.8 m，14.3 m。

b.計(jì)算填土對(duì)地基變形影響。填土高度為11 m，填土頂部寬度為8 m，在土堆內(nèi)設(shè)置10 m寬的EPS板，EPS板上覆土高度為3 m。不設(shè)置樁基礎(chǔ)。在基礎(chǔ)邊界處打水泥土攪拌樁，攪拌樁寬為4 m，深度為12 m。分別按打水泥土攪拌樁和不打水泥土攪拌樁情況計(jì)算，同時(shí)考慮固結(jié)度為0和0.6的工況。

計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分圖如圖3和圖4所示。

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

1)樁力計(jì)算結(jié)果。以設(shè)置EPS板覆土高度3 m、固結(jié)度為0的工況為例，利用ANSYS軟件分析得到樁基的剪力和彎矩圖如圖5和圖6所示。

通過(guò)模型計(jì)算分析各工況下的樁剪力、彎矩，計(jì)算結(jié)果匯總后如表1和表2所示。

表1 不同工況下樁基最大剪力統(tǒng)計(jì)表

表2 不同工況下樁基最大彎矩統(tǒng)計(jì)表

2)地基沉降計(jì)算結(jié)果。設(shè)置EPS板板寬10 m，覆土高度為3 m，在基礎(chǔ)邊界處打水泥土攪拌樁，攪拌樁寬為4 m，深度為14 m，計(jì)算工況考慮固結(jié)度為0和0.6兩種工況。利用ANSYS軟件分析得到沉降位移情況如圖7和圖8所示。

各樁位置處地表沉降情況如表3所示。

表3 樁基位置處地表沉降統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析可以發(fā)現(xiàn)，采用EPS板替代部分土體后，建筑物的樁基受力和地基沉降都大大減小，提高了建筑物的安全性，降低了施工難度和施工成本。采用輕質(zhì)局部EPS輕質(zhì)材料+表層覆土方案可以有效解決堆筑體由于堆土高、離建筑體較近，易使鄰近建筑體樁基產(chǎn)生較大的附加沉降、明顯的不均勻沉降及樁基負(fù)摩阻力等問(wèn)題。

EPS材料具有較大的蠕變性，其長(zhǎng)期強(qiáng)度遠(yuǎn)小于短期強(qiáng)度[9]。因此當(dāng)用于地基處理，尤其是對(duì)地基強(qiáng)度要求較高時(shí)，存在很大的局限性，但當(dāng)其應(yīng)用于堆筑體、回填土處理時(shí)便可充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。本文可以為類(lèi)似的建筑工程提供參考。

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[5] 熊志遠(yuǎn).聚苯乙烯泡沫(EPS)力學(xué)行為的實(shí)驗(yàn)研究[D].湘潭:湘潭大學(xué),2007.

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The application research on the adverse effects of lightweight material reduction on high filling

Li Junwei

(HangzhouTransfarRoad-PortConstructionCo.,Ltd,Hangzhou311200,China)

Based on the research center building project of Shanghai Chenshan Botanical Garden, taking Expanded Polystyrene(EPS) lightweight material for example, through the model analyzed and calculated the feasibility using lightweight materials reduction on the adverse effects of high filling to building, and elaborated specific construction plan, provided reference for related engineering.

lightweight material, EPS, rock and soil engineering, high filling

1009-6825(2016)28-0069-03

2016-07-26

李軍偉(1976- )，男，高級(jí)工程師

TU432

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