郭達(dá)文，余 瑜，李希鍇，陳 星，趙盈皓

（1、廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 廣州 510010；2、廣州大學(xué)工程抗震研究中心 廣州 510405；3、廣州建筑股份有限公司 廣州 510030）

0 引言

近年來(lái)，隨著軌道交通與城市高層建筑的融合，越來(lái)越多規(guī)劃都采用TOD（以公共交通為導(dǎo)向的開(kāi)發(fā)）模式，適用于車輛段上蓋建設(shè)的全框支剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生，發(fā)揮重大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益［1］。全框支結(jié)構(gòu)中，蓋上豎向結(jié)構(gòu)由蓋下巨型框架全部轉(zhuǎn)換，首層功能一般為軌道車輛通行及檢修，無(wú)地下室嵌固，目前研究多集中于結(jié)構(gòu)自身抗震性能研究［2-4］，當(dāng)場(chǎng)地的軟土層較厚時(shí)，水平作用下會(huì)引起較大的樁頂位移，對(duì)樁身及結(jié)構(gòu)影響不可忽視。本文針對(duì)軟土地區(qū)全框支結(jié)構(gòu)，建立土-結(jié)構(gòu)三維有限元模型，使用水泥攪拌樁的地基處理方法，探究不同置換率及加固深度在水平地震和風(fēng)作用下對(duì)減小樁頂位移的規(guī)律。

1 計(jì)算模型

選取一棟典型的地鐵車輛段上蓋，B級(jí)高度全框支剪力墻結(jié)構(gòu)，下蓋為巨柱框架，上蓋為剪力墻結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)布置及剖面示意如圖1、圖2 所示，首層層高12 m，2 層（轉(zhuǎn)換層）層高6.8 m，3 層層高6.2 m，4～35 層為標(biāo)準(zhǔn)層，層高2.9 m，總建筑結(jié)構(gòu)高度為120.7 m，框支柱尺寸為2 800 mm×2 000 mm，框柱尺寸為1 300 mm×1 300mm，框支梁尺寸為1500mm×2000mm和1200mm×2 000 mm，地梁的尺寸為500 mm×1 000 mm。使用年限為50 年，耐久性設(shè)計(jì)年限為100 年，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)。本項(xiàng)目抗震設(shè)防烈度為7 度（0.10g），設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場(chǎng)地類別為Ⅱ類。本工程屬于重點(diǎn)設(shè)防類。

圖1 平面示意圖Fig.1 The Plan View （mm）

圖2 剖面示意圖Fig.2 The Generalized Section （mm）

使用MIDAS GTS軟件對(duì)地基土進(jìn)行模擬，探究不同地基處理后，水平作用力下的樁頂位移情況，模型的基本情況如圖3所示，由地上全框支結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)樁和地基土層3 部分組成，其中土層為淤泥層厚20 m 和中風(fēng)化層厚15 m，并對(duì)建筑物裙房投影外擴(kuò)12 m 的范圍內(nèi)，對(duì)表層軟弱土層進(jìn)行地基處理，處理方法分為水泥攪拌樁的復(fù)合地基處理方法。對(duì)土層的四周和底面以及樁端進(jìn)行6個(gè)自由度的約束，并進(jìn)行X向及Y向的規(guī)范反應(yīng)譜分析［5］、及風(fēng)工況的彈性靜力分析。梁、柱、樁采用桿單元進(jìn)行模擬，剪力墻、樓板及框支轉(zhuǎn)換梁采用殼單元進(jìn)行模擬，土層采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬。混凝土和鋼筋采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī) 范：GB 50010—2010》附錄C的本構(gòu)方程［6］，樁混凝土等級(jí)為C30，鋼筋強(qiáng)度為HRB400，土層采用各向同性-莫爾-庫(kù)倫模型［7］，具體參數(shù)如表1所示。

圖3 模型示意圖Fig.3 The Analysis Model

表1 地基土參數(shù)Tab.1 Parameter of Foundation Soil

2 地基處理方法及分析結(jié)果

本文選用常規(guī)的水泥攪拌樁作地基處理方式，常用的水泥攪拌樁的布置形式［8］如圖4 所示，選用等邊三角形的布置方式，樁徑550 mm 的水泥攪拌樁，攪拌樁樁長(zhǎng)7.5 m，選取樁距為1.30 m、1.15 m、1.00 m 三組布置方式，進(jìn)行模型模擬，依次編號(hào)為2～4 組，第1 組為沒(méi)有進(jìn)行地基處理的空白對(duì)照組。

根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范：JGJ 79—2012》［9］第7.3.3節(jié)，取樁端端阻發(fā)揮系數(shù)0.5，樁身強(qiáng)度折減系數(shù)為0.25，樁身水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fcu取1.7 kPa，根據(jù)規(guī)范公式（7.3.3）計(jì)算單樁承載力特征值Ra為100.9 kPa，其余計(jì)算結(jié)果如表2 所示，由于土層的彈性模量較壓縮模量大，模型中是輸入?yún)?shù)為土層的彈性模量值，取復(fù)合土層彈性模量放大值為壓縮模量放大值ζ的1.2倍。

表2 水泥攪拌樁規(guī)范公式計(jì)算Tab.2 The Calculation of Standard Formula for Cement Mixing Pile

水泥攪拌樁的布置方式除了規(guī)范提供的矩形布置和三角形布置外，還有如圖4?的套打方式，可提高水泥攪拌樁的面積置換率，獲得更強(qiáng)的復(fù)合地基承載力。以圖4?示意的水泥灌注樁的布置方式為例，進(jìn)行第5 組的模型分析，水泥灌注樁的樁徑為600 mm，套打重疊寬度為150 mm，樁長(zhǎng)7.5 m，計(jì)算的面積置換率為0.64，復(fù)合地基承載力特征值為278 kPa，復(fù)合地基土層壓縮模量放大值ζ為4.63。

圖4 水泥攪拌樁布置Fig.4 The Layout of Cement Mixing Pile （mm）

EX+工況下水泥攪拌樁面積置換率為0.16、0.21、0.27、0.64模型的單樁位移情況如圖5所示。由圖5可知隨著水泥攪拌樁面積置換率的提高，樁頂水平位移逐漸減小。EX+工況下水泥攪拌樁面積置換率為0.16、0.21、0.27、0.64模型的單樁位移情況如圖6所示，由圖6可知，隨著水泥攪拌面積置換率的提高，樁的力的嵌固深度逐漸減小，在淤泥與中風(fēng)化土層中彎矩值也逐漸減小。由于復(fù)合地基土層壓縮模量放大值ζ 較小，最大為4.63，因此在復(fù)合地基土層和原淤泥土層未形成有效的嵌固作用，該處的彎矩值突變不明顯。

圖5 EX+工況下不同水泥攪拌樁面積置換率的單樁位移情況Fig.5 The Displacement of Single Pile of Different Replacement Rate Model under the EX+ Response Spectrum

圖6 EX+工況下不同水泥攪拌樁面積置換率模型的單樁彎矩情況Fig.6 The Bending Moment of Single Pile of Different Replacement Rate Model under the EX+ Response Spectrum

水平工況下5個(gè)模型的樁頂最大位移-置換率關(guān)系如圖7 所示，使用水泥攪拌樁的地基處理方法可以有效減小樁頂?shù)奈灰?，在相同的水泥攪拌樁處理深度下，提高水泥攪拌樁面積置換率，可減小樁頂位移和轉(zhuǎn)角位移，置換率從0.21 提高至0.27，減少樁頂位移效率開(kāi)始降低，面積置換率從0.27 提高至0.64，樁頂位移的減小百分率從14.38%提到至26.82%。

圖7 水平工況下樁最大位移-水泥攪拌樁面積置換率關(guān)系Fig.7 The Relationship between Maximum Displacement of Pile and Replacement Rate of the Cement Mixing Pile under the Horizontal Load Cases

在使用三角形布置，間距為1.0 m 的水泥攪拌樁的基礎(chǔ)模型上，考慮深度為2.5 m、5.0 m、7.5 m、10.0 m、15.0 m 水泥攪拌樁的地基處理模型，探究地基處理深度對(duì)樁頂位移的減小作用。 水平工況下6 個(gè)模型的樁頂最大位移如圖8 所示，使用水泥攪拌樁的地基處理方法可以有效減小樁頂?shù)奈灰?。在地震工況下，攪拌樁深度在7.5 m 后的樁頂位移減小效率，比攪拌樁深度在7.5 m前的樁頂位移減小效率大，在使用水泥攪拌樁對(duì)地面進(jìn)行地基處理時(shí)，建議水泥攪拌樁的樁長(zhǎng)不小于7.5 m，可提高水泥攪拌樁的利用效率。

圖8 水平工況下樁最大位移-攪拌樁長(zhǎng)關(guān)系Fig.8 The Relationship between Maximum Displacement of Pile and the Length of the Cement Mixing Pile under the Horizontal Load Cases

3 結(jié)論

通過(guò)上述分析，本文可得出如下結(jié)論：

⑴對(duì)地基軟弱土層采用水泥攪拌樁等地基處理的方法，可有效減小水平作用下樁頂位移。

⑵提高水泥攪拌樁面積置換率，可減小樁頂位移和轉(zhuǎn)角位移，置換率從0.21 開(kāi)始，抑制樁頂位移效率開(kāi)始降低，結(jié)合經(jīng)濟(jì)性，建議置換率可以控制在0.2～0.3。

⑶采用水泥攪拌樁法進(jìn)行地基處理，建議水泥攪拌樁的樁長(zhǎng)不小于7.5 m，可有效提高減小樁頂位移的效率，同樣樁長(zhǎng)的水泥攪拌樁，提高置換率可以明顯減小地震作用下樁身的彎矩。