門懋進(jìn)

（山東科技大學(xué)安全與環(huán)境工程學(xué)院，山東 青島 266590）

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，國家對于煤炭資源的需求仍居高不下，而除建構(gòu)筑物下、水體下以及鐵路公路下覆壓煤炭資源還未開采外，其他賦存及開采條件較好的煤炭資源所剩無幾[1]。

覆壓煤炭資源的開采會導(dǎo)致上部建筑的變形，為此，針對采動作用下樁筏基礎(chǔ)對高層建筑的研究變得十分重要。王偉、陳停偉[2]等研究了煤礦采空區(qū)上建筑筏板基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)類型，提出了一種新型抗變形筏板基礎(chǔ)；劉尊平、王浩[3]針對超高層建筑抗震設(shè)計要求，借助FLAC3D數(shù)值模擬軟件計算了地震工況下基礎(chǔ)的變形；譚樹增、胡榮華[4]針對淺部采空區(qū)上擬建的高層建筑，研究了其地基穩(wěn)定性，并對采空區(qū)是否活化進(jìn)行定量分析；趙宇[5]針對老采空區(qū)上部大型建筑筏板基礎(chǔ)進(jìn)行內(nèi)力與變形分析，研究了不同板厚、地表曲率、柱距對筏板的影響；葛鑫[6]對樁筏基礎(chǔ)厚度進(jìn)行優(yōu)化分析，提出基于樁筏相對剛度的筏板厚度確定方法；蔣云斌[7]考慮上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)以及地基共同作用，研究了基礎(chǔ)筏板厚度、基礎(chǔ)強(qiáng)度以及基礎(chǔ)筏板懸挑長度對基礎(chǔ)的影響；Ilizar Mirsayapov[8]采用不同計算模型對高層建筑地基沉降進(jìn)行了數(shù)值研究，建立了三軸壓縮條件下的地應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)解析圖，通過預(yù)計發(fā)現(xiàn)與監(jiān)測數(shù)據(jù)吻合度高；Kim, Hyunwoo[9]介紹了超高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計特點(diǎn)，列舉了韓國高層建筑的基礎(chǔ)類型以及世界建筑的樁筏基礎(chǔ)。

基于國內(nèi)外學(xué)者對高層建筑樁筏組合基礎(chǔ)的研究，其中分析高層建筑樁基對建筑的影響有樁基筏板厚度、基礎(chǔ)強(qiáng)度、樁數(shù)量、樁長以及地基土強(qiáng)度等因素。本文基于國內(nèi)外學(xué)者研究的基礎(chǔ)上，采用正交試驗(yàn)方法，借助FLAC3D數(shù)值模擬軟件，分析樁筏組合基礎(chǔ)自身基筏板厚度、樁數(shù)量、樁長以及基礎(chǔ)強(qiáng)度對上部建筑的影響以及對影響因素進(jìn)行重要度判斷，從而為后續(xù)煤礦開采地表高層建筑修建以及預(yù)防提供借鑒。正交試驗(yàn)是可以利用少量有代表的試驗(yàn)來反映整體的方法，而且正交試驗(yàn)大大減少了試驗(yàn)次數(shù)，降低了工作難度，通過極差分析以及方差分析確定影響因素中主次關(guān)系以及最優(yōu)組合[10]。

1 工程地質(zhì)概況

所研究高層建筑位于濟(jì)寧某礦區(qū)采掘范圍內(nèi)，與工作面距離200 m 的高層住宅建筑。該建筑地上17 層，地下一層儲藏室，首層高度為4 m，其余樓層高度為3 m，建筑總高度55 m?；A(chǔ)采用樁筏組合基礎(chǔ)，筏板尺寸：44 m×14 m×1.5 m，上部結(jié)構(gòu)為框架-剪切墻。標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置如圖1。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置圖（mm）

2 正交數(shù)值模擬試驗(yàn)

2.1 數(shù)值模型建立

通過FLAC3D建立概化模型，地層模型尺寸為800 m×600 m×210 m，地層及其物理力學(xué)參數(shù)見表1，在模擬過程中不考慮構(gòu)造應(yīng)力對巖層的影響。地下巖層以及地基土層采用彈塑性Mohr-Coulomb模型，高層建筑采用彈性Elasticity 模型[11]。數(shù)值模擬計算模型如圖2。

圖2 數(shù)值模擬方案圖

表1 地層物理力學(xué)參數(shù)

2.2 試驗(yàn)設(shè)計

為研究采動作用下樁筏組合基礎(chǔ)中筏板厚度、樁數(shù)量、樁長度以及基礎(chǔ)強(qiáng)度對高層建筑的影響程度，針對4 個影響因素，每個因素取4 水平，試驗(yàn)因素以及水平取值見表2，假設(shè)各影響因素之間互不交互，建立L16（44）=16 的正交試驗(yàn)，見表3。

表2 試驗(yàn)因素及水平

表3 正交試驗(yàn)方案及模擬結(jié)果

3 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)正交試驗(yàn)方案，采用數(shù)值模擬軟件進(jìn)行分析，通過記錄判定指標(biāo)，即高層建筑下沉值以及傾斜值進(jìn)行分析，分析方法選用極差分析以及方差分析。模擬結(jié)果見表3。

3.1 極差分析

極差分析是判斷影響因素對指標(biāo)影響程度大小的一種方法[12]。表4 即為影響因素極差分析。通過綜合分析各影響因素對高層建筑變形（下沉值、傾斜值）的影響，發(fā)現(xiàn)樁數(shù)量＞基礎(chǔ)強(qiáng)度＞筏板厚度＞樁長度。為更直觀分析各影響因素對高層建筑變形的影響，以各影響因素為橫坐標(biāo)，下沉值、傾斜值為縱坐標(biāo)，繪制影響因素與高層建筑變形的關(guān)系圖，如圖3 所示。通過圖3 可以看出，高層建筑下沉量與各影響因素之間成負(fù)相關(guān)，但是各影響因素之間斜率不盡相同，樁數(shù)量斜率最大，其次為基礎(chǔ)強(qiáng)度；建筑的傾斜值與各影響因素之間成負(fù)相關(guān)，且從傾斜程度也能看出樁數(shù)量以及基礎(chǔ)強(qiáng)度對高層建筑的影響大。

表4 影響因素極差分析

圖3 影響因素與高層建筑變形關(guān)系

3.2 方差分析

通過正交試驗(yàn)結(jié)果，利用SPSS 將所得結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析，分析結(jié)果見表5、表6。從表5 以及表6 結(jié)果中可以看出，在影響高層建筑變形因素中，筏板厚度、基礎(chǔ)強(qiáng)度以及樁數(shù)量對應(yīng)顯著性都小于0.05，為顯著性影響因素；而樁長度顯著性大于0.05，可以認(rèn)定樁長度對高層建筑影響不明顯。表5 以及表6 中對各因素對高層建筑變形影響程度與極差分析一致，都是樁數(shù)量＞基礎(chǔ)強(qiáng)度＞筏板厚度＞樁長度。

表5 主體間效應(yīng)檢驗(yàn)（因變量：下沉值）

表6 主體間效應(yīng)檢驗(yàn)（因變量：傾斜值）

4 結(jié)論

基于FLAC3D數(shù)值模擬軟件對正交試驗(yàn)進(jìn)行模擬，并對結(jié)果進(jìn)行極差分析以及方差分析，可以得到以下結(jié)論：

（1）各影響因素對高層建筑變形影響程度劃分大小為：樁數(shù)量＞基礎(chǔ)強(qiáng)度＞筏板厚度＞樁長度。

（2）通過分析各影響因素，根據(jù)主體間效應(yīng)檢驗(yàn)：樁數(shù)量、基礎(chǔ)強(qiáng)度、筏板厚度為顯著性影響因素，樁長度顯著性不明顯。