張?jiān)品?(中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司,北京 100040)
大面積荷載作用下的地基沉降計(jì)算,現(xiàn)在工程設(shè)計(jì)時(shí)主要依據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50007-2011)第5.3節(jié)的相關(guān)規(guī)定。根據(jù)該規(guī)范相關(guān)公式計(jì)算某點(diǎn)的沉降還算可行,如果要確定整片區(qū)域的地基變形規(guī)律就比較困難了。本文利用常規(guī)軟件已有的功能模塊,設(shè)計(jì)出在大面積荷載作用下,軟土地基沉降計(jì)算的一種實(shí)用方法。該方法通過計(jì)算離散形成的獨(dú)立基礎(chǔ)底面中心的沉降變形,進(jìn)而確定整片區(qū)域的變形規(guī)律。
利用結(jié)構(gòu)離散化思想,把大面積的荷載作用區(qū)域離散為由較小面積的荷載作用區(qū)域(單元)組成的集合。計(jì)算每個(gè)單元的荷載作用下的地基沉降,并考慮各個(gè)單元作用區(qū)域的相互影響,得到每個(gè)單元區(qū)域中心點(diǎn)下地基的變形,進(jìn)而得到整個(gè)區(qū)域的地基變形規(guī)律。
具體來(lái)講,就是把整個(gè)大面積荷載作用區(qū)域ABCD(如圖1所示),離散成均勻的小方塊單元(如圖2所示的1234單元)。在每個(gè)小方塊單元的中點(diǎn)位置,布置柱下獨(dú)立基礎(chǔ),柱下獨(dú)立基礎(chǔ)的底面面積和小方形網(wǎng)格面積重合。柱下獨(dú)立基礎(chǔ)的基底附加壓力值應(yīng)等于大面積荷載作用區(qū)域的分布荷載值。
圖1 荷載作用區(qū)域
圖2 離散的方形網(wǎng)格
以盈建科軟件為例,介紹實(shí)用方法操作要點(diǎn)。
建立上部結(jié)構(gòu)計(jì)算模型主要是為了能利用已有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行地基沉降計(jì)算。在圖2所示小網(wǎng)格單元(1234)中點(diǎn)位置布置網(wǎng)格節(jié)點(diǎn),連接各個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)形成計(jì)算網(wǎng)格,節(jié)點(diǎn)處布置框架柱,網(wǎng)格上布置框架梁,生成樓板,形成一層框架結(jié)構(gòu)計(jì)算模型。
框架梁設(shè)置為兩端鉸接,樓板厚度取0,混凝土容重取0,鋼材容重取0,不考慮風(fēng)荷載,不考慮地震作用。施加柱頂節(jié)點(diǎn)豎向荷載P。
布置柱下獨(dú)立基礎(chǔ),獨(dú)立基礎(chǔ)寬高比不宜大于2.5,獨(dú)立基礎(chǔ)底面應(yīng)和小網(wǎng)格單元區(qū)域(如圖2的1234)重合,獨(dú)立基礎(chǔ)底面尺寸也可比小網(wǎng)格單元尺寸稍小,即獨(dú)立基礎(chǔ)間可以留有一定縫隙,縫隙寬度可以采用100mm。
相鄰荷載的水平面影響范圍,應(yīng)設(shè)置為不小于大面積荷載短邊尺寸。操作路徑:計(jì)算參數(shù)—沉降計(jì)算參數(shù)。
指定最小計(jì)算深度和指定計(jì)算土層厚度。操作路徑:基礎(chǔ)計(jì)算及結(jié)果輸出—計(jì)算參數(shù)—高級(jí)參數(shù)—沉降計(jì)算。
寶鋼多次大面積堆載試驗(yàn)表明,當(dāng)堆載重量60kPa~150kPa,樁長(zhǎng)60余米時(shí),地面總沉降量的75%是由地面以下22m深度范圍內(nèi)的淺層軟土壓縮引起的[4]。大面積荷載作用面積大,影響深度大,離散為較小底面積的獨(dú)立基礎(chǔ),根據(jù)自身底面尺寸所確定的壓縮層深度相對(duì)較小。采用盈建科軟件計(jì)算獨(dú)立基礎(chǔ)沉降時(shí),應(yīng)指定最小計(jì)算深度和計(jì)算土層厚度,一般不小于22m和大面積荷載作用區(qū)域的短邊寬度,以充分考慮相鄰獨(dú)立基礎(chǔ)間的相互影響。
軟件路徑:基礎(chǔ)計(jì)算及結(jié)果輸出—基礎(chǔ)沉降—基底附加壓力。使基底附加壓力大小等于大面積荷載作用區(qū)域的分布荷載值??梢酝ㄟ^調(diào)整建模時(shí),柱頂節(jié)點(diǎn)荷載P的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)。
上海市臨港新區(qū)某工程,兩層框架結(jié)構(gòu),中間為一層通高大廳,建筑平面長(zhǎng)約66.8m,寬約36m,建筑平面圖見圖3所示。
圖3 建筑平面圖
主體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)采用預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁基礎(chǔ),樁頂絕對(duì)標(biāo)高3.800m,樁端持力層為⑦1砂質(zhì)粉土。建筑±0.000對(duì)應(yīng)絕對(duì)標(biāo)高為5.700m,室內(nèi)外高差為900mm,室外天然地面絕對(duì)標(biāo)高為4.470m,施工完成后室外地面標(biāo)高4.800m。
室內(nèi)外高差簡(jiǎn)圖見圖4所示。
圖4 室內(nèi)外高差簡(jiǎn)圖
根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告,建設(shè)場(chǎng)地屬潮坪地帶。場(chǎng)地土層分布情況:第①1-1層素填土,第①1-2層吹填土,第①2層灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土,第②3層灰色砂質(zhì)粉土,第④層灰色淤泥質(zhì)粘土,第⑤1層灰色粘土,第⑤3-1層灰色粉質(zhì)粘土,第⑤3-2層灰色砂質(zhì)粉土,第⑤4層灰綠~灰黃色粉質(zhì)粘土,第⑦1層草黃~灰黃色砂質(zhì)粉土,第⑦2層灰黃~灰色粉砂。典型工程地質(zhì)剖面圖見圖5所示。各土層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)見表1所示。
圖5 典型工程地質(zhì)剖面圖
土層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)表 表1
按本文實(shí)用方法進(jìn)行計(jì)算,關(guān)鍵點(diǎn)(圖6中O點(diǎn))處地下土層附加應(yīng)力及壓縮量計(jì)算結(jié)果見表2所示,表2中數(shù)據(jù)未考慮沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。
圖6 基礎(chǔ)底面尺寸
附加應(yīng)力及壓縮量計(jì)算結(jié)果 表2
按《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50007-2011)第5.3節(jié),考慮到室內(nèi)采用分層壓實(shí)填土進(jìn)行換填時(shí),第①1-1層素填土需要挖除,分層壓實(shí)填土自身壓縮量較小,不考慮其自身壓縮量,近似的認(rèn)為覆土荷載直接作用到第①1-2層吹填土層頂。
根據(jù)填土厚度換算的基底附加壓力近似取為25kPa,按圖6所示平面尺寸對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)O處地基土層進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果見表3所示。
土層自重/附加應(yīng)力及沉降量 表3
對(duì)比表2和表3中O點(diǎn)處土層的附加應(yīng)力,可以發(fā)現(xiàn)兩種計(jì)算方法計(jì)算出的各土層附加應(yīng)力值比較接近。
從基礎(chǔ)底面的25kPa到距離基礎(chǔ)底面41.5m深處土層的11kPa,附加應(yīng)力值隨土層的深度衰減較慢,這是大面積荷載作用在軟土地基上的一個(gè)特點(diǎn)。
如果在圖6的O點(diǎn)布置一個(gè)獨(dú)立基礎(chǔ),不考慮其他獨(dú)立基礎(chǔ)的影響,計(jì)算結(jié)果見表2所示。比較可以發(fā)現(xiàn),單個(gè)獨(dú)立基礎(chǔ)下土層附加應(yīng)力隨土層深度衰減很快。
盈建科軟件計(jì)算獨(dú)立基礎(chǔ)下土層附加應(yīng)力時(shí),可以考慮基礎(chǔ)之間的互相影響,采用應(yīng)力疊加原理,如圖7所示[5]。
圖7 盈建科程序應(yīng)力計(jì)算
《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50007-2011)計(jì)算土層附加應(yīng)力主要根據(jù)長(zhǎng)寬比,深寬比查表計(jì)算。獨(dú)立基礎(chǔ)的長(zhǎng)寬比、深寬比與整個(gè)大面積荷載作用區(qū)域的長(zhǎng)寬比、深寬比二者數(shù)值不同,尤其是深寬比由于獨(dú)立基礎(chǔ)底邊寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于大面積荷載作用面積的平面寬度差別更大。
由于盈建科軟件考慮了基礎(chǔ)間的相互影響,應(yīng)力進(jìn)行了疊加,由表2、表3數(shù)據(jù)比較可見各土層附加應(yīng)力在兩種計(jì)算方法下差別不大,但是其附加應(yīng)力數(shù)值和影響土層深度比,僅在O點(diǎn)布置一個(gè)獨(dú)立基礎(chǔ)時(shí)有很大程度的增加。
由上述分析可見,單個(gè)獨(dú)立基礎(chǔ)基底附加壓力隨土層深度是逐漸衰減的,而且衰減的速度比較快,影響的土層深度較淺。而在大面積荷載作用下土層的附加應(yīng)力隨土層深度衰減較慢,影響深度變大,所以深部土層的壓縮量變大,深層有軟土?xí)r壓縮量更大。
比較表2和表3可以發(fā)現(xiàn),采用本文實(shí)用計(jì)算方法與采用《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50007-2011)相關(guān)公式計(jì)算,O點(diǎn)下各土層壓縮量差別不大。對(duì)比本文實(shí)用計(jì)算方法與O點(diǎn)僅設(shè)置單個(gè)獨(dú)立基礎(chǔ)時(shí)的土層壓縮量(見表2)可以發(fā)現(xiàn),大面積覆土荷載作用區(qū)域內(nèi)各個(gè)獨(dú)立基礎(chǔ)聯(lián)合作用下的地基壓縮情況與僅有單個(gè)獨(dú)立基礎(chǔ)時(shí)的地基土層壓縮情況發(fā)生了本質(zhì)的改變。采用本文的實(shí)用方法計(jì)算的土層壓縮量考慮了平面區(qū)域內(nèi)布置的各個(gè)獨(dú)立基礎(chǔ)的相互影響和采用了合理的壓縮層計(jì)算深度,并且在關(guān)鍵點(diǎn)處各土層變形計(jì)算值與采用《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50007-2011)相關(guān)公式計(jì)算值一致。
結(jié)合圖4所示,本文實(shí)例地坪做法如采用房心土素土回填時(shí),雖然要求回填土分層夯實(shí),壓實(shí)系數(shù)不小于0.94,但這種做法僅是在地表形成一個(gè)表層硬殼,這個(gè)硬殼的本身壓縮不大。根據(jù)前文分析,外加大面積壓實(shí)填土產(chǎn)生的附加荷載對(duì)地層的附加應(yīng)力隨土層深度衰減較慢,也就是在很深的壓縮土層都有較大的附加應(yīng)力,地下土層又分布有較多的軟弱土層,其深層土壓縮量加大。較大的影響深度,較大的附加應(yīng)力,較小的土層壓縮模量,必將導(dǎo)致較大的沉降。本文實(shí)例如采用房心土壓實(shí)回填做法,將由于沉降較大造成一定的隱患,故實(shí)際地坪設(shè)計(jì)采用了其他方法。
根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50007-2011)沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)主要和基礎(chǔ)底面尺寸、基底附加壓力、地基壓縮層壓縮模量及壓縮土層的分布有關(guān),離散成的獨(dú)立基礎(chǔ)其底面尺寸與大面積荷載有較大差異,為此我們確定沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)時(shí),按大面積荷載的作用平面尺寸來(lái)確定。圖8所示沉降量為考慮沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)1.1后的結(jié)果。
圖8 實(shí)用計(jì)算方法整體沉降量
采用本文實(shí)用方法,對(duì)本文所述實(shí)例大面積覆土地坪沉降計(jì)算結(jié)果見圖8所示??梢园l(fā)現(xiàn),沉降量呈現(xiàn)中間大四周小的“鍋底狀”分布形式,四個(gè)角點(diǎn)處沉降量最小,四邊處短邊方向中間區(qū)域沉降量較四邊處長(zhǎng)邊方向中間區(qū)域小。
該“鍋底狀”沉降分布我們可以近似認(rèn)為由平均沉降和差異沉降組成,區(qū)域的平均沉降可以近似取為四個(gè)角點(diǎn)處的沉降平均值178mm,差異沉降近似取為區(qū)域中心最大沉降與角點(diǎn)沉降平均值的差值164mm。
對(duì)大面積荷載作用下的軟土地基平均沉降和差異沉降都有很大工程意義。差異沉降對(duì)應(yīng)區(qū)域沉降傾斜值,區(qū)域兩個(gè)方向傾斜值:164/18000=0.91%和164/33400=0.49%。該區(qū)域平均沉降及傾斜都很大,如直接采用素土分層壓實(shí)做首層地坪,可能產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。
如圖8所示,實(shí)用方法可以得到每個(gè)獨(dú)立基礎(chǔ)中心點(diǎn)的沉降值,聯(lián)合各個(gè)獨(dú)立基礎(chǔ)中心點(diǎn)的沉降值進(jìn)而描繪出整個(gè)區(qū)域的沉降分布規(guī)律,這對(duì)于分析大面積軟土地基的變形情況提供了方便。
①本文介紹的實(shí)用方法提供了一種利用常規(guī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件計(jì)算大面積荷載作用下軟土地基沉降的實(shí)用方法,并且可以描述大面積荷載區(qū)域的沉降分布規(guī)律。
②實(shí)用計(jì)算方法沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)宜按大面積荷載的作用平面尺寸確定。
③矩形區(qū)域中心關(guān)鍵點(diǎn)O處,采用本文實(shí)用方法計(jì)算的土層附加應(yīng)力與采用《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50007-2011)相關(guān)公式計(jì)算的結(jié)果差別不大。
④大面積荷載作用下軟土地基沉降計(jì)算的附加應(yīng)力,隨土層深度衰減慢,附加應(yīng)力影響深度大,深層軟土壓縮量大。
⑤上海市臨港新區(qū)軟土地基上多層框架結(jié)構(gòu)首層地坪,采用房心土壓實(shí)回填做法時(shí),應(yīng)根據(jù)地基土層分布情況及壓實(shí)填土的范圍大小,以及附加荷載確定是否需考察深部土層的變形特性,避免只處理表層土,卻忽略深層土的變形,出現(xiàn)的工程事故。
⑥矩形大面積荷載作用下軟土地基的沉降中間大四周小,呈“鍋底狀”分布形態(tài)。地坪設(shè)計(jì)時(shí)不但要考察平均沉降,還要考察差異沉降。