老黏土地區樁筏基礎沉降數值模擬與實測分析

孫曉凱 （安徽省建筑工程質量第二監督檢測站，安徽 合肥 233001）

1 引言

合肥地處江淮之間，區內分布著大量的老黏土，老黏土具有孔隙比和液性指數較小，液限較大，壓縮性低，強度較高，具有弱～中等膨脹等特性，其物理力學性質較好，在工程建設中可以作為良好的持力層。但是近年來隨著合肥的高速發展，越來越多的高層建筑物拔地而起，基礎上部的荷重不斷增大的同時，建筑物結構體型也愈加復雜[1]。因此，老粘土地基的沉降變形特性愈加受到人們的關注。樁筏基礎作為一種常見的復合型地基，通常用于有地下室且上部荷載較大的建筑物，目前國內外學者對于樁筏基礎沉降特點研究較少，故需要分析高層建筑物樁筏基礎地基沉降規律[2]。本文以安徽省建筑科學研究院檢測大廈為研究案例，對老黏土地區高層建筑物樁筏基礎地基沉降規律進行數值計算[3]，并與現場實測數據進行對比分析，為今后的研究提供一定參考。

2 筏板樁基礎模型參數選取及建立

2.1 工程概況

本工程為框架剪力墻結構，建筑高度87.90m，地下2層，地上23層，建筑面積共27829.23m2，基底面積約2960m2，基礎采用樁筏基礎。樁型為人工挖孔樁，樁長平均6.5m，共43根，樁底進入中風化層，上覆筏板，厚度0.5m，筏板位于地下2層，處于強風化層處。其中人工挖孔樁布置示意圖如圖1所示。

圖1 人工挖孔樁布置示意圖

根據巖土工程勘察報告，地層自上而下可分為5層，分別為：①素填土(Qml)；②1粘土（Q4al+pl）；②粘土（Q3al+pl）；③1強風化泥質砂巖（K）；④中風化泥質砂巖（K）。各土層的構成與特征詳見表1。

工程地質分層表 表1

2.2 計算參數的選取

為了簡化模擬難度，結合巖土工程勘察報告，現將地層簡化為3層。由于工程性質差異較小，將兩層黏土層歸并為上層黏土，中層強風化泥質粉砂巖和下層中風化泥質粉砂巖。上層的黏土選取修正劍橋模型來模擬，中層的強風化泥質粉砂巖和下層的中風化泥質粉砂巖選取摩爾庫倫模型來模擬，樁體、建筑物和筏板均采用C35混凝土，均選取彈性模型，換算整理后具體參數見表2所列。

數值模擬材料計算參數表 表2

2.3 模型建立

本文采用Midas GTS NX巖土軟件建立模型，采用1：1建模，大廈主體為框架剪力墻結構，高度為87.9m，如圖3所示。地層主要分為3層，從上到下依次為黏土、強風化泥質粉砂巖和中風化泥質粉砂巖。其中黏土層厚度平均為8m，強風化層平均厚度為4m，以下為中風化層，設置為8m。人工挖孔樁共43根，樁體直徑1.5m，樁身位于強風化和中風化層，筏板厚度0.5m，位于樁頂，處于強風化層，筏板二維示意圖如圖3所示，樁筏基礎三維結構示意圖如圖4所示。

圖2 安徽省建科院檢測大廈三維模型

圖3 筏板二維模型

圖4 樁筏基礎三維模型

3 地基沉降計算結果

本文對不同樁位附近的地基沉降量進行了分析，分別對大廈邊、角處的樁身周圍地基沉降進行分析，樁位及編號如圖5所示。

圖5 大廈邊、角處樁位及編號

3.1 樁筏基礎沉降規律

本文利用Midas GTS NX巖土有限元軟件，對建科大廈樁筏基礎進行沉降量計算，沉降量云圖如圖6所示。

圖6 樁筏基礎沉降量云圖

由圖6可知，該樁筏基礎沉降主要分布在樁體附近，其中大廈四周所在樁位附近的沉降量最大，沉降量為5.7 mm～6.7mm，平均沉降量為6.2mm。筏板四邊處沉降量較小，為1.6 mm～2.1mm，平均沉降量1.9mm。經計算后該樁筏基礎安全系數Fs=2.3125，安全系數較高，符合規范要求。

現對圖5所示樁位分別對大廈邊、角處的樁身周圍地基沉降進行沉降規律分析。圖7為樁筏基礎沉降量等值線圖，由圖7可知，該樁筏基礎左側沉降量總體較樁筏基礎右側沉降量大，樁筏基礎左側荷載較大。

圖7 樁筏基礎沉降量等值線圖

3.1.1 大廈四角樁周筏板處土體沉降分析

現分別對圖5所示1#～4#樁位進行沉降量分析，1#～4#樁分別位于大廈四角，樁周筏板處土體沉降量與離樁心距離變化規律如圖8所示。

由圖8可知，1#～4#樁樁周筏板處的土體隨著離樁心距離的增大，沉降量逐漸減小，且呈線性關系，大廈四角處1#～4#樁樁周筏板處的土體沉降變化較均勻，離樁心最近處的土體沉降量最大，沉降量為5.7 mm～6.7mm，離1#～4#樁樁心最遠處即筏板四角處的土體沉降量最小，沉降量為2.3mm～2.6mm。

圖8 大廈四角樁周筏板處土體沉規律

3.1.2 大廈四邊樁周筏板處土體沉降分析

分別對圖5所示5#～8#樁位進行沉降量分析，5#～8#樁分別位于大廈四邊，樁周土體沉降量與離樁心距離變化規律如圖9所示。由圖9可知，5#～8#樁樁周筏板處的土體隨著離樁心距離的增大，沉降量同樣呈減小的趨勢，且呈線性關系。大廈四邊處5#～8#樁樁周筏板處的土體沉降變化均勻，離樁心最近處的土體沉降量最大，沉降量為5.9 mm～6.5mm，離5#～8#樁樁心最遠處即筏板四邊處的土體沉降量最小，沉降量為1.6 mm～2.1mm，且筏板邊緣處土體沉降量有明顯降低的趨勢，分析可知筏板邊緣處受大廈自重影響受力膨脹，導致筏板邊緣處土體略微隆起，導致筏板邊緣處沉降量呈現明顯降低的趨勢。

圖9 大廈四邊樁周筏板處土體沉降規律

3.2 現場實測數據

為了有效地控制建筑物的沉降[4]，根據規范要求和實際工程需要，本工程共設置6個沉降觀測點，沉降觀測點布置如圖10所示。主體結構封頂后，2個月觀測一次，共觀測6次。沉降觀測結果如表3所示。

圖10 沉降觀測點布置示意圖

主樓沉降觀測統計表 表3

根據沉降觀測結果，主體結構封頂一年后基礎沉降逐步穩定。第6次沉降觀測，基礎最大沉降為8.7mm，最小沉降為6.7mm，平均沉降7.9mm，基礎實際沉降與數值計算沉降相近。其中2#、3#、4#測點位于大廈東側，沉降量為7.9 mm～8.7mm，平均沉降量8.4mm；1#、5#、6#測點位于大廈西側，沉降量為6.7 mm～8.2mm，平均沉降量7.5mm，與數值計算結果基本吻合。對照《建筑地基基礎設計規范》（GB5007-2011）中建筑物的地基變形允許值要求，該大樓基礎沉降值在規范允許值范圍內。從而說明，該樁筏基礎在老黏土地區控制建筑物沉降上取到了良好的效果。

4 結論

本文以安徽省建筑科學研究設計院檢測大廈樁筏基礎為例，利用Midas GTS NX巖土有限元軟件對老黏土地區高層建筑物樁筏基礎地基沉降規律進行數值計算，并與現場實測數據進行對比分析，由上述研究可以得出以下結論：

①該樁筏基礎沉降主要分布在樁體附近，其中大廈四周所在樁位附近土體的沉降量最大，平均沉降量為6.2mm。筏板四邊處沉降量較小，平均沉降量1.9mm。樁筏基礎左側沉降量總體較樁筏基礎右側沉降量大。經計算后該樁筏基礎安全系數Fs=2.3125，安全系數較高，符合規范要求；

②1#～4#樁樁周筏板處的土體隨著離樁心距離的增大，沉降量逐漸減小，且呈線性關系，大廈四角處1#～4#樁樁周筏板處的土體沉降變化較均勻，離樁心最近處的土體沉降量最大，沉降量為5.7 mm～6.7mm，離1#～4#樁樁心最遠處即筏板四角處的土體沉降量最小，沉降量為2.3 mm～2.6mm；

③5#～8#樁樁周筏板處的土體隨著離樁心距離的增大，沉降量同樣呈減小的趨勢，且呈線性關系，大廈四邊處5#～8#樁樁周筏板處的土體沉降變化均勻，離樁心最近處的土體沉降量最大，沉降量為5.9 mm～6.5mm，離5#～8#樁樁心最遠處即筏板四邊處的土體沉降量最小，沉降量為1.6 mm～2.1mm，且筏板邊緣處土體沉降量有明顯降低的趨勢；

④根據沉降觀測結果，主體結構封頂一年后基礎沉降逐步穩定。第6次沉降觀測，基礎平均沉降7.9mm，基礎實際沉降與數值計算沉降相近。其中2#、3#、4#測點位于大廈東側，平均沉降量8.4mm。1#、5#、6#測點位于大廈西側，平均沉降量7.5mm，觀測值與數值計算基本吻合。