高聳重型儲(chǔ)槽群樁筏基礎(chǔ)變形監(jiān)測和數(shù)值模擬研究

王國輝， 李友東， 劉雙晨， 王慶軍， 陳軍紅

(1.河北建設(shè)勘察研究院有限公司， 河北 石家莊 050031；2.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院， 北京 100044)

在我國現(xiàn)代化建設(shè)進(jìn)程中，城市規(guī)模的不斷發(fā)展需要很多工程項(xiàng)目不得不在復(fù)雜的地質(zhì)條件下進(jìn)行建設(shè)，軟土地層就是需要面對的復(fù)雜條件之一[1-2]。樁筏基礎(chǔ)因其能較好的控制軟土地層中的沉降，在軟土層中的地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案中得到廣泛應(yīng)用[3-4]。由于軟土層中的沉降較大，往往采用超長群樁形式對地基進(jìn)行加固[5]。很多學(xué)者[6-7]通過現(xiàn)場試驗(yàn)和理論分析超長群樁的受力特性與變形特征，獲得了許多具有重要價(jià)值的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，也為指導(dǎo)相應(yīng)地質(zhì)的超長樁加固設(shè)計(jì)提供了一定的理論基礎(chǔ)和經(jīng)驗(yàn)公式。此外，對于高聳建筑物群，往往伴隨著不均勻沉降的發(fā)生，長短樁作為復(fù)合地基的一種，既可以減少工程造價(jià)，又可以滿足工程在沉降和承載力方面的變化需求，在此類工程建設(shè)中有著廣泛的應(yīng)用[8]。因此，研究樁筏基礎(chǔ)工程的沉降理論和受力性狀對處理軟土地層有著巨大意義。

本文以信發(fā)集團(tuán)山西孝義種子分解槽項(xiàng)目為例，項(xiàng)目采用增加樁長以及采用長短樁結(jié)合的方法控制沉降和不均勻沉降。通過開展現(xiàn)場測試試驗(yàn)，測定實(shí)際工程中樁筏基礎(chǔ)以及地基土的沉降，并將實(shí)測數(shù)據(jù)與有限元分析軟件MIDAS/GTS的模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比，來分析高聳重型儲(chǔ)槽群樁筏基礎(chǔ)以及松軟土地基的沉降規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，對后期擬建項(xiàng)目進(jìn)行模擬計(jì)算，預(yù)測其沉降的分布規(guī)律，從而可為工程施工提供一定的指導(dǎo)。

1 工程概況

高聳重型儲(chǔ)槽群(種子分解槽)樁筏基礎(chǔ)施工位于山西省孝義市文峪新河西側(cè)，省道243東側(cè)，新安街北側(cè)。擬建建筑分布圖如圖1所示，建筑區(qū)總長323.2 m，寬48 m，其中圓圈代表種子分解槽，直徑16 m，高37 m，槽體靜荷載為13 600 t(最右邊兩個(gè)直徑14 m，槽體靜荷載12 000 t)，各槽中心點(diǎn)間距水平方向?yàn)?8 m，豎直方向?yàn)?4 m。白色區(qū)域代表已完成工程，其他為擬建工程。該建筑物采用樁筏基礎(chǔ)，其中筏板長35.2 m，寬23.6 m，厚度為2.5 m，基礎(chǔ)埋深2.8 m。左側(cè)筏板上下不連接，右側(cè)筏板采用上下整體連接的形式，筏板下均勻布置混凝土灌注樁，采用長短樁復(fù)合地基模式，內(nèi)側(cè)3排樁長為57.5 m，外側(cè)5排樁徑為47.5 m，樁距分別為3.0 m、3.3 m。筏板采用C35混凝土，樁身采用C30混凝土。場地的工程地質(zhì)狀況復(fù)雜，包含深厚軟弱土層，據(jù)現(xiàn)場鉆探測試資料及土工試驗(yàn)資料，場地地層主要以粉土、黏性土及粉細(xì)砂為主，具體地層參數(shù)見表1。其中，φ為內(nèi)摩擦角，C為黏聚力，v為泊松比，E為彈性模量。

圖1 種子分解槽的布置

表1 土層的物理力學(xué)指標(biāo)

2 有限元模擬分析

2.1 計(jì)算模型

地基土的長、寬取相應(yīng)方向基坑尺寸的3倍，深度方向取樁長的2.5倍來建立模型，采用材料屬性為摩爾-庫侖彈塑性模型的實(shí)體單元表示，合理的本構(gòu)模型是數(shù)值模擬的關(guān)鍵[9-11]。筏板采用材料屬性為Elastic各項(xiàng)同性彈性模型的實(shí)體單元表示[12]，用線模擬樁，如圖2所示。樁為混凝土灌注樁，直徑1.0 m，軸慣性矩IX=IY=0.49 m4，樁單元切向耦合彈簧單位剛度為1.3×1011N/m2，單位內(nèi)聚力為3×104N/m，摩擦角為10°；法向耦合彈簧單位剛度為1.3×1011N/m2，單位內(nèi)聚力為3×104N/m，摩擦角為0°；C30標(biāo)號混凝土，重度24.2 kN/m3，彈性模量32.5 GPa，泊松比為0.2。種子分解槽以均布荷載的形式施加到筏板上，總體模型圖見圖3。模型底面節(jié)點(diǎn)位移全部固定，垂直X軸的兩側(cè)面約束其X方向的位移，垂直Y軸的兩側(cè)面約束其Y方向的位移，模型頂面不做約束。通過約束Rz來約束樁在豎直方向上的旋轉(zhuǎn)。

圖2 樁筏幾何圖

圖3 總體幾何圖

模型計(jì)算結(jié)合實(shí)際的施工工況，并在相應(yīng)的工況結(jié)束后進(jìn)行一次計(jì)算，具體計(jì)算過程如下：(1) 求得在自重應(yīng)力作用下，地基土的初始地應(yīng)力場；(2) 進(jìn)行一次性開挖，計(jì)算求得基坑開挖后的地層位移場和應(yīng)力場；(3) 施做樁筏基礎(chǔ)；(4) 施加作用荷載。圖1左下部分已完工程為第一次施工過程，左上部分和右半部分為第二次施工過程，且右半部分的筏板上下整體連接。第一次施工結(jié)束后，由于為已完工程，沉降趨于穩(wěn)定，進(jìn)行一次位移清零。因此，可將施工階段分為初始自重；左下開挖；加筏板、加載；左上、右側(cè)開挖；加筏板、加載，五個(gè)階段。

數(shù)值模擬主要分析兩次施工結(jié)束后的沉降變化，其中第一次施工為已完工程(左下區(qū)域)，并有沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，可據(jù)此對數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行校正，并以此來模擬預(yù)測第二次施工(未建工程)的沉降特性。

2.2 已完工程的模擬

(1) 筏板及地基土沉降。圖4為第一次施工完成后，各筏板的沉降云圖，可以看出，筏板的最大沉降量為15.3 cm，筏板的沉降呈現(xiàn)出從中間向兩端逐漸減小的分布規(guī)律，并且筏板外側(cè)沉降較內(nèi)側(cè)要大，這就造成了基礎(chǔ)的不均勻沉降。這與長短樁的布置有關(guān)，內(nèi)側(cè)樁長57.5 m，外側(cè)樁長47.5 m。中間筏板主要是寬度方向的不均勻沉降，達(dá)到1 cm，兩邊筏板主要是長度方向的不均勻沉降，最高可達(dá)5 cm。這與長短樁的布樁形式所形成的筏板底部的豎向支撐剛度不同相對應(yīng)。

圖4 第一次施工完成后筏板沉降云圖

圖5為第一次施工完成后，筏板下地基土剖面的沉降云圖。可以看出，樁間土的總體沉降值較大，說明其壓縮量較小。在接近50 m處，即樁底端處壓縮量明顯增大，從0.5 mm增加到6 mm，樁底端下部20 m范圍內(nèi)的壓縮量可達(dá)10 cm。這說明地基土層壓縮主要發(fā)生在樁底端處，圖5可以明顯看出沉降值的變化，這也是造成基礎(chǔ)產(chǎn)生較大沉降的主要原因。

圖5 第一次施工完成后地基土剖面的沉降圖

(2) 沉降計(jì)算值與監(jiān)測值的對比。通過布置沉降管來監(jiān)測整個(gè)完整槽體及其基礎(chǔ)和地基的變形和沉降分布過程[13-15]。地層分層沉降管布置在槽體中心、槽體邊緣等處，深度設(shè)定超過樁基礎(chǔ)深度10 m。沉降管穿過地層頂部墊層和筏板基礎(chǔ)，以便于長期監(jiān)測。圖6為第一次施工完成兩年后的沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，其中1#—10#槽體對應(yīng)圖1中已完槽體部分從左到右的位置。每個(gè)槽體布置4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)(比如Z01/Z02/Z03/Z04)，監(jiān)測點(diǎn)上/下方標(biāo)注為沉降值。可以看出，兩端沉降值稍小，范圍為55 mm～90 mm，中間沉降較大，范圍為90 mm～101 mm，并且外側(cè)的沉降要比內(nèi)側(cè)的大(樁較短部位的沉降大)，差值范圍為4 mm～15 mm。中間4#—6#槽體的不均勻沉降較小，兩端1#—3#、7#—10#槽體的不均勻沉降較大。實(shí)測數(shù)據(jù)所顯示的規(guī)律與上述第一次施工所呈現(xiàn)出的沉降規(guī)律類似，基礎(chǔ)沉降從中間向兩端逐漸減小，而不均勻沉降則相反，且中間筏板的不均勻沉降主要沿寬度方向，而兩端筏板的不均勻沉降主要沿長度方向。

圖6 第一次施工完成兩年后的沉降監(jiān)測值

圖7給出了平均沉降值的監(jiān)測數(shù)據(jù)與模擬計(jì)算數(shù)值的對比。可以看出，總體變化規(guī)律基本一致，模擬計(jì)算的沉降值要比監(jiān)測值略大。一是由于數(shù)值模擬計(jì)算本身就有一定的誤差，二是由于數(shù)值模擬為計(jì)算的總的沉降，并沒有考慮時(shí)間效應(yīng)，而監(jiān)測值有時(shí)間效應(yīng)，隨著時(shí)間的增長，沉降值也會(huì)繼續(xù)增大。

圖7 沉降監(jiān)測值與計(jì)算值的對比

2.3 擬建工程的模擬預(yù)測

圖8給出第二次施工完成后(擬建工程)的總沉降云圖，可以看出，最大沉降出現(xiàn)在右半部分靠近中間的位置，最大沉降可達(dá)24.8 cm。整體也呈現(xiàn)出中間大，兩端小的現(xiàn)象。

圖8 第二次施工完成后總體沉降俯視云圖

(1) 左上筏板沉降分布。圖9給出第二次施工左上筏板沉降分布圖。可以看出，筏板最大沉降發(fā)生在右側(cè)部位，可達(dá)20.0 cm，呈現(xiàn)出右側(cè)向左側(cè)逐漸減小的分布規(guī)律。筏板主要發(fā)生長度方向的不均勻沉降，中間筏板沉降差約為0.5 cm，兩邊筏板沉降差達(dá)4 cm，寬度方向的沉降差約為1 cm。由于第一次施工已完成，沉降趨于穩(wěn)定，其下的土層參數(shù)也相應(yīng)增大，所以左上筏板內(nèi)側(cè)沉降較小。此外，施工位置是內(nèi)側(cè)樁較外側(cè)要長，也是造成內(nèi)側(cè)沉降較小的原因。可見，長短樁的布置有效控制了筏板的不均勻沉降。由于受右側(cè)筏板沉降的影響，左上筏板的沉降中心向右發(fā)生了偏移，在與右側(cè)筏板的相接處，仍產(chǎn)生較大沉降，約為20 cm，并呈現(xiàn)出明顯的長度方向的不均勻沉降。由于二者擬定同時(shí)施工，模擬時(shí)也進(jìn)行同時(shí)計(jì)算，造成左筏板沉降的偏移。

圖9 第二次施工完成后左上筏板沉降云圖

(2) 不同形式右筏板的沉降分布。右側(cè)筏板給出兩種不同形式的連接方式，分為上下連接和上下不連接的情形。圖10給出第二次施工右側(cè)筏板上下連接情形的沉降分布圖。可以看出，筏板最大沉降發(fā)生在中間偏左部位，可達(dá)24.8 cm，總體上中間沉降較兩邊要大，呈中間大四周小的盆狀分布。受左上筏板沉降的影響，右側(cè)筏板沉降向左發(fā)生偏移，筏板主要是寬度方向的不均勻沉降，中間筏板沉降差達(dá)1 cm，兩邊筏板沉降差達(dá)6 cm。

圖10 第二次施工完成后右側(cè)筏板沉降云圖

圖11為右側(cè)筏板采用上下不連接方式的沉降圖。與上述右側(cè)筏板上下連接情形的沉降對比，可以看出，最大沉降的范圍相對變小，較為扁平，也呈中間向四周擴(kuò)散，最大沉降值約為26 cm。中間筏板的最大不均勻沉降主要為寬度方向，為4 cm。兩邊筏板最大不均勻沉降主要為長度方向，為5 cm～6 cm。因此可以看出，若右側(cè)筏板采用上下不連接的方式，總的沉降以及不均勻沉降都相對增大。

圖11 上下不連接情況右筏板沉降圖

(3) 地基土分布沉降。圖12給出了第二次施工完成后，筏板下地基土剖面的沉降圖。規(guī)律與第一次施工相似，樁間土壓縮量較小，樁底端處土層壓縮量較大，樁底端20 m范圍內(nèi)的沉降達(dá)18 cm，約占總沉降量的75%。

圖12 第二次施工完成后地基土剖面的沉降圖

(4) 擬建工程對已完工程的影響。圖13為第二次施工完成后，已完工程筏板(左下)的附加沉降云圖。可以看出，離第二次施工位置處附近的沉降較大，也就是圖13中的右邊緣，所引起的筏板的沉降接近16 cm，距離右側(cè)筏板位置越遠(yuǎn)(圖13左端)，其影響越小。不均勻沉降為筏板寬度方向，為5 cm～6 cm，內(nèi)側(cè)沉降較外側(cè)大。由于第一次施工時(shí)，內(nèi)側(cè)沉降要比外側(cè)小，這在一定程度上抵消了一部分不均勻沉降，這也是長短樁布置的合理之處。

圖13 第二次施工完成后已建工程筏板(左下)的沉降

3 結(jié) 論

(1) 高聳重型儲(chǔ)槽群條形不連續(xù)樁筏基礎(chǔ)沉降規(guī)律的模擬計(jì)算與實(shí)測數(shù)據(jù)相符，總沉降量一般表現(xiàn)為中間大，四周小的“盆形分布”。中間筏板的不均勻沉降主要為寬度方向，而兩端筏板則主要為長度方向，右側(cè)上下整體連接筏板的不均勻沉降主要是寬度方向。

(2) 高聳重型儲(chǔ)槽群的基礎(chǔ)沉降引起的樁間土壓縮量很小，地基土壓縮主要集中在樁端以下20 d(樁徑)范圍內(nèi)的土層，其壓縮量約占基礎(chǔ)總沉降量的70%～80%。

(3) 采用長短樁的布樁形式以及筏板的整體連接形式(大筏板)可有效控制總體的沉降以及不均勻沉降。