軟巖復合地基與樁基礎動力響應特征對比分析

羅 萍， 鐘 靜,2， 胡 熠

(1. 中國建筑西南勘察設計研究院有限公司, 四川成都 610052; 2. 西南交通大學, 四川成都 610031)

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軟巖復合地基與樁基礎動力響應特征對比分析

羅 萍1， 鐘 靜1,2， 胡 熠1

(1. 中國建筑西南勘察設計研究院有限公司, 四川成都 610052; 2. 西南交通大學, 四川成都 610031)

為了分析軟巖復合地基與樁基礎在地震荷載作用下的動力響應特征，文章以成都龍湖世紀城工程為背景，分別按照復合地基方案和樁—筏基礎方案建立有限差分模型，采用非線性動力反應分析方法，對地震荷載作用下復合地基與樁基礎的受力變形特性進行了分析。分析結(jié)果表明，在地震荷載作用下，復合地基較樁基礎能更好地阻礙地震加速度向上部結(jié)構(gòu)傳遞，減少上部結(jié)構(gòu)自重所產(chǎn)生的地震荷載。同時在復合地基中的大直徑樁樁頂水平荷載也遠小于樁基礎中樁頂水平荷載，后者產(chǎn)生的最大水平荷載為644 kPa，約為前者的11.7倍。

復合地基； 樁基礎； 地震； 動力響應

1 背景工程介紹

龍湖世紀城項目位于成都市高新區(qū)天府大道旁，建筑物包括十棟超高層住宅建筑，其中世紀城一期工程為兩座45層的超高層建筑，建筑基礎埋深-13.6 m，設計基底壓力約915 kPa。場地內(nèi)基礎直接持力層為砂卵石層，基礎以下地層依次為砂卵石層、強泥巖、中風化巖。由于建筑對基地承載力的要求較高，若采用筏板基礎以密實卵石作基礎持力層，地基很難滿足承載力要求，因此根據(jù)現(xiàn)場情況制定出復合地基和樁筏基礎兩套方案。其中，復合地基方案采用大直徑素混凝土挖孔樁復合地基，設計樁徑為1.5 m，樁長約12 m，樁間距3 m，共布置621根素混凝土樁，褥墊層厚度為0.2 m，樁身混凝土強度為C20，要求處理后復合地基承載力不小于900 kPa；樁筏基礎方案中塔樓部分筏板厚度為2.2 m，筏板混凝土強度等級為C30，筏板下基樁采用人工挖孔灌注樁，樁徑1.5 m，樁長約17 m，樁間距為4.0 m，樁身混凝土等級為C30，護壁混凝土強度等級為C20，單樁承載力特征值為4 500 kPa，共布置198根人工挖孔灌注樁。

2 模型建立及參數(shù)選取

2.1 建立模型

建立的模型長×寬×高為90 m×48 m×170 m，筏板基礎尺寸為60 m×24 m。模型中樁徑樁間距等尺寸與制定的復合地基及樁筏基礎方案完全一致。考慮到整個結(jié)構(gòu)在受到地震作用下的相互變形影響關系，因此復合地基的上部設計荷載不能直接通過施加靜荷載的方式來等效代替，在動力響應分析中建立了實體建筑上部結(jié)構(gòu)單元，上部結(jié)構(gòu)單元產(chǎn)生的自重荷載大小與實際荷載情況一致，同時重心位置和長寬比與實際建筑相同。地基中巖土層從上自下分別為卵石土層、強風化泥巖和中風化泥巖，厚度分別為19.35 m、6 m、8 m，其中有12 m高的實體單元埋置在卵石土層中，為建筑物地面以下部分。建立的復合地基模型如圖1所示，為了能展示出地基中各部分結(jié)構(gòu)，在示意圖中將模型下部地層剖開。

圖1 建立復合地基模型示意

2.2 物理力學參數(shù)設置

模型中不同地層的物理力學指標按照 《成都龍湖世紀城項目巖土工程詳細勘察報告》中的巖土物理力學推薦值進行取值，模型中動彈性模量按照彈性模量的1.4倍取值，各層的力學參數(shù)見表1。

2.3 地震荷載取值

在進行地震動荷載分析時，以汶川地震為動荷載原型。考慮到龍湖世紀城所在的成都地區(qū)在汶川地震時位于烈度7度區(qū)，因此保持地震加速度時程曲線波形不變，依據(jù)7度區(qū)最大加速度振幅0.1g對汶川地震臥龍加速度時程曲線進行折減，折減后的地震加速度時程曲線如圖2所示。從圖中可以看出，地震加速度時程包括三個方向，分別是水平EW方向、水平NS方向和豎直方向。第20 s后加速度振幅開始逐漸增大，其中水平EW方向最大加速度為0.957 m/s2，水平NS最大加速度為0.652 m/s2，豎直最大加速度為0.948 m/s2，第35 s后加速度開始逐漸趨于平緩。數(shù)值模擬時以折減后20～35 s的加速度時程曲線來定義動荷載。動荷載施加在模型最底面的平面上，其中X方向輸入水平EW方向的加速度時程，Y方向輸入水平NS方向的加速度時程，Z方向輸入豎直方向加速度時程。

表1 模型地層力學參數(shù)

圖2 汶川地震臥龍加速度時程曲線

2.4 模型邊界設置

在實際情況中建筑物地基部分為一個空間半無限體，為了使得地震波在模型邊界上不會產(chǎn)生反射，在模型中采用自由場邊界(free-field boundary)對模型巖土體四周進行約束。自由場邊界在模型四周生成網(wǎng)格和單元，主體網(wǎng)格的側(cè)邊界通過阻尼器與自由場網(wǎng)格進行耦合，自由場網(wǎng)格的不平衡力施加到主體網(wǎng)格的邊界上，為模型提供與無限場地相同的效果。

3 水平方向地震動力響應分析

在地震作用過程中，地震荷載加速度由模型底部傳遞至筏板基礎上。因此模型中存在EW和NS兩個方向的地震水平力作用，由于EW方向的振幅更大，因此以EW方向的地基加速度為例進行說明。計算得到兩模型中筏板基礎上部EW方向的加速度時程曲線如圖3、圖4所示。從圖中可以看出，復合地基模型中伐板基礎水平方向加速度峰值約為1.1 m/s2，樁基礎模型中筏板基礎水平方向最大加速度約為1.4 m/s2，復合地基模型計算得出的水平方向地震加速度要小于樁基礎模型，復合地基較樁基小約27.27 %。

圖3 復合地基模型筏板上方水平方向加速度時程曲線

圖4 樁基礎模型筏板上方水平方向加速度時程曲線

復合地基中素混凝土樁沒有與筏板基礎剛性連接，因此在水平地震荷載作用下，素混凝土樁沒有直接承受上部結(jié)構(gòu)傳遞下來的水平荷載，而樁基礎模型中樁基礎與筏板間為剛性連接，將直接承受上部結(jié)構(gòu)傳遞下來的水平荷載。兩模型中樁頂EW方向的水平應力時程曲線如圖5、圖6所示。從圖中可以看出，復合地基模型中樁頂應力變化始終處于一個比較小的范圍內(nèi)，出現(xiàn)的最大瞬時應力也只有55 kPa，而樁基礎模型中樁頂水平應力遠大于復合地基模型，出現(xiàn)的最大瞬時應力為644 kPa，后者為前者的11.7倍。

圖5 復合地基模型樁頂水平應力時程曲線

圖6 樁基礎模型樁頂水平應力時程曲線

4 豎直方向地震動力響應分析

在不同的模型中，豎直方向地震加速度傳遞特性相比水平方向受結(jié)構(gòu)差異影響更小，因此在對不同模型數(shù)值方向地震動力響應分析時，主要通過不同模型中樁頂豎向應力來進行分析。不同模型計算得到地震動荷載作用下，樁頂豎直方向的應力時程曲線如圖7、圖8所示。從圖中可以看出，復合地基模型中樁頂初始豎向應力約為4.4 MPa，地震荷載施加后樁頂瞬時最大豎向應力為5.54 MPa，增大約25.9 %；樁基礎模型中樁頂初始豎向應力約為5.5 MPa，地震荷載施加后樁頂瞬時最大豎向應力為6.97 MPa，增大約26.7 %。因此可以認為兩種地基基礎形式在豎直方向的地震動力響應差異并不大。

圖7 復合地基模型樁頂豎向應力時程曲線

圖8 樁基礎模型樁頂豎向應力時程曲線

5 地基巖土破壞特征分析

分析地震荷載作用下，建筑周邊巖土體塑性區(qū)分布情況，復合地基模型和樁基礎模型中巖土體塑性區(qū)分布如圖9、圖10所示。從圖中可以看出，兩種地基基礎模型的巖土體塑性區(qū)分布特征基本相同，當計算結(jié)束時，復合地基模型中建筑物上部結(jié)構(gòu)四周地面部分土體、墊層、樁頂和樁底周圍部分巖土體仍處于塑性區(qū)，樁基礎模型同樣也是上部結(jié)構(gòu)四周地面部分土體、樁頂和樁底周圍有較少巖土體仍處于塑性區(qū)。從塑性區(qū)分布特征中可以看出，采用不同的地基基礎形式對地震作用下建筑周邊巖土體的影響較小，但當采用復合地基模型時，由于下部沒有實體基礎與建筑結(jié)構(gòu)直接連接，因此需要注意地震作用下建筑結(jié)構(gòu)在水平運動過程中周邊巖土的支撐情況。

圖9 復合地基模型塑性區(qū)分布

5 結(jié) 論

圖10 樁基礎模型塑性區(qū)分布

(1)采用復合地基加筏板基礎的模型較采用樁基礎的模型在地震來臨時能更好的阻礙地震荷載傳播至上部結(jié)構(gòu)，減少上部結(jié)構(gòu)自重所產(chǎn)生的地震荷載。

(2)在地震作用下上部結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生較大的水平荷載，采用復合地基的模型在樁頂產(chǎn)生的水平荷載要遠小于較采用樁基礎的模型，后者產(chǎn)生的最大水平荷載約為644 kPa，約為前者的11.7倍。

(3)復合地基與樁基礎相比，由于下部沒有實體基礎與建筑結(jié)構(gòu)直接連接，地震作用時建筑結(jié)構(gòu)在水平運動過程中需要周邊巖土體提供更大的水平支撐，在建筑抗震設計中應當重視。

[1] 毛尚禮, 余湘娟. 地基隔震減震機理研究[J]. 華南地震, 2010, 30(3): 75-81.

[2] 王彬, 丁海平. 地基基礎隔震系統(tǒng)整體地震響應有限元分析[J]. 中國安全科學學報, 2008, 15 (8)：12-16.

中建股份科技研發(fā)課題(項目編號:CSCEC-2015-Z-22)

羅萍，女，工程師，主要從事巖土工程方面的工作。

TU470

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[定稿日期]2017-02-20