復雜地質條件下的高層建筑地基處理研究

唐玉文,胡守營,王傳甲,王慶揚

復雜地質條件下的高層建筑地基處理研究

唐玉文1,胡守營2,王傳甲2,王慶揚2

1. 合肥職業技術學院, 安徽 合肥 238000 2. 奧意建筑工程設計有限公司, 廣東 深圳 518031

為探索復雜地質條件下高層建筑的地基處理問題，本文基于通用有限元軟件Abaqus，結合銅陵置地財富廣場一期高層住宅工程，完成了在復雜地質條件下的基礎分析及設計。在相同的上部荷載作用下，主要研究了四種地基狀態下基礎沉降及地基土的應力分布規律，據此篩選出最優地基處理方案，希冀為同類工程的地基施工提供參考。

高層建筑; 地基處理

由于受到技術手段的限制，對帶有溶洞地基的評價多是基于規范[1,2]要求的定性評價，對巖溶地基處理方法的評價多是經驗性的，故為了確保結構安全，對于落在建筑物范圍內的溶洞，大多數的場地巖土勘察報告都要求進行處理，勢必造成一定程度的浪費。目前，對溶洞的處理方法主要有填堵法、跨越法、注漿法、樁支撐法以及綜合法等[3-6]。為了保證溶洞處理措施的有效性，同時最大程度的減少浪費，如何快速確定地基處理方案是值得研究的。

當處理后地基的變形規律與無溶洞情況下地基變形規律及形態一致時，則認為地基處理的方法是有效和安全的。本文基于此思想，結合銅陵置地財富廣場一期高層住宅2#樓工程，根據其所處的場地溶洞的具體情況,建立三維空間模型，利用有限元法，考慮地基-基礎相互作用，研究地基處理方案及可靠性，為結構安全提供直觀、可靠的數據依據。

1 工程概況

銅陵置地財富廣場一期高層住宅2#樓為100 m高層剪力墻住宅，位于安徽省銅陵市。根據場地巖土工程勘察報告，在2#建筑下部地基土中⑤-1層灰巖中存在層厚1.40~7.50 m的溶洞或土洞，充填有泥漿、軟塑～流塑狀態的粘性土、松散砂及碎石等，灰巖洞存在溶洞（充填淤泥等）和軟弱土夾層，無灰巖頂板，溶洞是否封閉無法確定，溶洞和軟土夾層距箱基基底距離約為12.50~21.00 m。溶洞與2#樓的位置關系如圖1所示。此外，根據文獻[7]采取對溶洞進行局部處理的方案。

圖 1 鉆孔點、溶洞與主樓位置關系

在此種條件，經過對樁基礎、筏板基礎、箱型基礎等多種基礎方案的分析及討論，綜合考慮上部結構墻體分布及地下室功能情況，為保證結構的整體性、減小地基對上部結構的不利影響，確定采用整體剛度較大的箱型基礎。圖2~3給出了相關地質剖面。

圖 2 工程地質剖面圖（E-E’）

圖 3 工程地質剖面圖（F-F’）

2 有限元分析

基于通用有限元軟件Abaqus，考慮地基-基礎的相互作用，分別對四種地基情形的應力狀態、沉降變形進行了分析。下文分別描述。關于模型尺寸、荷載等基本計算參數選取如下：

（1）地基土模型尺寸為100×60×30 m（長×寬×高）；

（2）在一層的剪力墻上施加通過Jccad讀取的上部結構荷載，同時施加箱型基礎自重及其他地下室活荷載；

（3）地基土采用摩爾庫倫塑性模型，摩擦角、膨脹角和粘結力參考地勘報告的標準值[7]，各層地基土參數詳下表1。

表 1 各土層計算參數

2.1 不同地基土條件下的有限元模型

為了分析清地基土中溶洞對基礎的影響，考慮了四種地基土情況，在上部結構荷載作用下，分析地基土的應力狀態及基礎的沉降變形。圖4給出了四種地基土下整體模型，圖5給出了四種地基土的模型剖面圖，圖6給出了上部結構及基礎的模型。對用樁對溶洞進行加固處理的情況，沖孔樁直徑800 mm，樁的承載力設計值[8]為4000 kN，對應的沉降量分別考慮5 cm，即彈簧剛度1=8×107N/m。

a. 地基土中有溶洞 The karst cave in the foundation soil; b. 地基土中有溶洞填充淤泥等The karst cave filled with silt and so on in foundation soil; c. 地基土中無溶洞 No karst cave in the foundation soil; d. 有溶洞且補樁 The pile were applied to the karst cave.

a. 地基土中有溶洞 The karst cave in the foundation soil; b. 地基土中有溶洞填充淤泥等The karst cave filled with silt and so on in foundation soil; c. 地基土中無溶洞 No karst cave in the foundation soil; d. 有溶洞且補樁 The pile were applied to the karst cave.

圖5地基土有限元模型中的橢圓洞代表溶洞，橢圓填充部分代表淤泥，寬16 m，高7 m，長度方向貫通整個模型。

圖 6 基礎及上部結構有限元模型

2.2 分析結果

2.2.1 基礎沉降圖7給出了基礎底面沉降分布圖。從圖中可以看出，地基中存在溶洞、且不對溶洞進行任何處理時，基礎的沉降分布規律一致，均在有溶洞一側沉降較大。地基土中不存在溶洞時，基礎沉降分布比較規律，沉降呈現中間大周邊逐漸減小的分布趨勢。當對地基土中的溶洞進行加樁處理后，基礎沉降分布規律與地基土不存在溶洞類似，區別在于結構沉降變形略偏向上部結構的一側。圖8結構平面中間處土體沉降剖面，進一步證明了這個規律。

圖 7 底板平面沉降分布圖

圖 8 基礎剖面沉降分布圖（沿中間平面縱向剖面）

2.2.2 地基土應力分布圖9給出了四種情況下結構平面中間剖面處土體壓應力的分布情況。圖示結果表明，地基土中存在溶洞時，溶洞阻斷了土體壓應力的有效傳遞，即便溶洞中充滿淤泥等強度較低的填充物時，亦受到了較為明顯的影響。因此，溶洞的穩定性及上部荷載有效的傳遞對結構沉降變形有著重要意義，故應選用加固地基土中溶洞的方案。此外，從基礎的變形規律可以看出，采用樁對溶洞局部加固后地基的變形規律相似，因此選取對溶洞進行局部加固的方案即可。

2.2.3 加固地基土中溶洞方案的進一步優化為了使使基礎沉降更為均勻，對溶洞補樁的方案進行進一步優化，即：調整樁剛度，使基底沉降更為趨于均勻，因此，對沖孔樁的線剛度進行調整。沖孔樁直徑800 mm，樁的承載力設計值為4000 kN，對應的沉降量分別考慮5 cm和8 cm兩種情況，即彈簧剛度1=8×107N/m和2=5×107N/m。計算后，兩種情況下的沉降及應力對比如圖10~13。

圖 9 基礎剖面豎向應力分布圖（沿中間平面縱向剖面）

圖 10 底板平面沉降分布圖

圖 11 基礎剖面沉降分布圖（沿中間平面縱向剖面）

圖 12 基礎剖面塑性應變分布圖

圖 13 基礎剖面豎向應力分布圖（沿中間平面縱向剖面）

從圖示結果可以看出，降低樁剛度后，基礎的沉降特點更趨于地基土中無溶洞的情況，而對土體的應力分布、土體可能出現塑性區無明顯影響。

2.3 最終地基處理方案

根據上述計算分析研究，選擇溶洞區域進行補樁的方案，控制樁身有效剛度，確保結構沉降的均勻性。最終地基處理方案詳圖14所示。

圖 14 最終基礎方案

3 結論

（1）針對本工程的特點，保證溶洞周邊土（巖）體不垮塌是處理溶洞的關鍵。故對四種地基情況進行了地基-基礎-上部結構相互作用分析，研究上部荷載用下各情況地基的變形和應力的規律。分析結果表明，采用補樁對溶洞加固的地基，其變形規律與無溶洞地基變形規律一致，對溶洞進行局部加固的方案是可行的；

（2）基于通用有限元軟件Abaqus進行地基-基礎共同作用分析，彌補了常規設計軟件無法分析的缺點，其分析結果的直觀表達為工程人員提供了判斷的便利性；

（3）根據溶洞情況，合理的選擇基礎方案，可以較大程度降低地基處理的難度。

[1] 中華人民共和國建設部,國家質量監督檢驗檢疫總局.GB50021-2001巖土工程勘察設計規范[S].北京:中國建筑工 業出版社,2009

[2] 中華人民共和國建設部,國家質量監督檢驗檢疫總局.GB50007-2002建筑地基基礎設計規范[S].北京:中國建筑工 業出版社,2002

[3] 張偉,趙海燕,宮浩.樁基溶洞的勘探及處理方式[J].山東交通科技,2014(4):90-92

[4] 劉之葵.巖溶區溶洞及土洞對建筑地基影響的研究[D].長沙:中南大學,2004

[5] 金瑞玲,李獻民,周建普.巖溶地基處理方法[J].湖南交通科技,2002,28(1):10-12

[6] 任振甲.巖溶地基土洞的處理[J].建筑工人,2000(12):10-11

[7] 肖飛,李霆,王顥.某高層建筑群建址區溶洞物探普查及地基基礎設計[J].華中建筑,2011(5):62-65

[8] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.JGJ94-2008建筑樁基技術規范[S].北京:中國建筑工業出版社,2008

Study on the Foundation Treatment of High-rise Building under Complicated Geological Conditions

TANG Yu-wen1, HU Shou-ying2, WANG Chuan-jia2, WANG Qing-yang2

1.238000,2.518031,

To explore for a foundation treatment of high-rise building under complicated geological conditions, this paper completed the foundation analysis and design for Land and Fortune Plaza in Tongling under complicated geological conditions based on Finite Element Software Abaqus. The laws of subsoil subsidence in four states and stress distribution were studied mainly with the same upper loads to screen out an optimal foundation treatment scheme so as to provide a reference for a similar project.

High-rise building; foundation treatment

TU97;TU4

A

1000-2324(2019)01-0052-05

10.3969/j.issn.1000-2324.2019.01.011

2018-01-23

2018-03-05

安徽省自然科學重點研究項目(KJ2017A711)

唐玉文(1962-),男,本科,副教授,研究方向:土木工程結構設計與施工. E-mail:694266427@qq.com