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        高層筏板基礎(chǔ)持力層軟硬不均勻沉降的解決方案

        2022-10-15 08:58:46葉潤(rùn)慶
        廣東土木與建筑 2022年9期
        關(guān)鍵詞:界面

        葉潤(rùn)慶

        (廣東弘業(yè)建筑設(shè)計(jì)有限公司 廣州 510030)

        1 項(xiàng)目背景

        1.1 工程背景

        廣東佛山某高層住宅樓東西向長(zhǎng)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(qiáng)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(bǔ)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?yàn)閺?qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖,如圖1所示。

        1.2 工程難點(diǎn)

        為避免筏板基礎(chǔ)由于一邊落在強(qiáng)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(guò)中風(fēng)化層進(jìn)入下一層強(qiáng)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(jì)規(guī)范:GB 50007—2011》[2]、《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)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(duì)筏板基礎(chǔ)進(jìn)行沉降計(jì)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(jì)算上部結(jié)構(gòu)不均勻沉降。

        2 建模計(jì)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(kù)倫模型,結(jié)構(gòu)材料同時(shí)適用不考慮材料非線性的彈性模型。

        根據(jù)勘測(cè)報(bào)告,得到簡(jiǎn)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(jiǎn)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(jiǎn)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(shí)際情況,將土層界面進(jìn)行分割、簡(jiǎn)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(dòng)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(shí)體;

        ⑷將筏板實(shí)體與土體進(jìn)行差集運(yùn)算,去除重疊部分實(shí)體。⑸將所有實(shí)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(duì)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(dòng)網(wǎng)格功能生成單元。

        本項(xiàng)目模型根據(jù)精度要求以及計(jì)算機(jī)計(jì)算能力綜合實(shí)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(lái)劃分網(wǎng)格,并保證節(jié)點(diǎn)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(shí)際工程中,由于持力層為強(qiáng)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(qiáng)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(huì)傳到下強(qiáng)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(shí)立刻在相應(yīng)位置上自動(dòng)分離連接的節(jié)點(diǎn),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(gè)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(dòng)設(shè)置的重力加速度后自動(dòng)計(jì)算。輸入基于方向的比例因子可以簡(jiǎn)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(jì)算得出上部結(jié)構(gòu)荷載,將其簡(jiǎn)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(chǎng)地分析,先完成土體的自重沉降,并將位移清零,以便接下來(lái)計(jì)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(yùn)行。

        2.7 計(jì)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?yàn)楹诵耐仓車奢d大,荷載分布集中;筏板基礎(chǔ)周邊沉降值基本一致,說(shuō)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(qiáng)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(jì)

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

        ⑴采用地錨機(jī)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(jí)配砂石墊層,增加該區(qū)域壓縮沉降,減小與基底強(qiáng)風(fēng)化巖區(qū)域的沉降差。

        ⑶加大基底強(qiáng)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(qiáng)筏板沉降協(xié)調(diào)能力。

        4 沉降觀測(cè)結(jié)果

        本項(xiàng)目已于2018年竣工驗(yàn)收,最終沉降觀測(cè)結(jié)果如圖10 所示,由結(jié)果可知:計(jì)算結(jié)果與沉降觀測(cè)結(jié)果基本一致,證明了數(shù)值分析的正確性,同時(shí)說(shuō)明本項(xiàng)目采用設(shè)計(jì)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(jì)的關(guān)鍵,沉降的計(jì)算的準(zhǔn)確性就顯得尤為重要。通過(guò)邁達(dá)斯GTSnx 建?;究梢阅M實(shí)體巖土的狀態(tài)和邊界條件,沉降計(jì)算結(jié)果基本符合實(shí)際。對(duì)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(shí)候,通過(guò)采用地錨機(jī)鉆孔切斷夾層的設(shè)計(jì)施工方案即經(jīng)濟(jì)又高效,能從根本上有效解決沉降差的問題。

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