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桩—土—筏共同作用下的沉降特性研究

2010-11-05杨兴安

山西建筑 2010年7期
关键词:筏板长径整体

杨兴安

1 工程概况及工程、水文地质条件

该工程为19层框架剪力墙结构,高58.8 m,地下室1层,预计埋深3 m,属于一级高层建筑,建筑物等级为一级,另主楼有一层裙楼,建筑物等级为二级。本模型建模采用全模型,土体边界采用5倍的筏板尺寸,桩采用摩擦桩或端承摩擦桩分别模拟,土体厚度40 m,按1层或2层划分。

2 ANSYS模拟分析

2.1 ANSYS软件

ANSYS是一套功能十分强大的有限元分析软件,能实现多场及多场耦合分析,是实现前后处理、求解及多场分析统一数据库的一体化大型FEA软件。土体及混凝土桩均采用Solid45单元,土体与桩之间采用粘合接触,即桩周节点与土具有相同的变形。

本文首先采用单桩模拟,对地勘资料中的主要参数进行模拟拟合,通过单桩模拟计算确定最终群桩模拟计算各参数。

2.2 桩筏基础与土共同作用的弹塑性分析

本计算土体材料采用D—P材料计算土体的弹塑性变形,施加荷载采用上部结构的传递荷载。

3 各参数对沉降量的影响

3.1 筏板弹性模量对整体沉降量的影响

筏板虽然作为弹性材料进行模拟,但是其强度并非无穷大,所以其对整体沉降也具有一定的影响。通过改变筏板弹性模量,对具有典型的筏板上沉降量进行统计分析,得出如图1所示曲线。

从图1可以看出,当筏板弹性模量为1E10 Pa时,小于正常混凝土材料弹性模量,筏板上角、边、中上各个节点沉降差很大,中点沉降量达到了34.8 mm,角点沉降量为22.4 mm,沉降差达到了12.4 mm,说明此时筏板相对柔性较大,其传递给桩和桩间土荷载不均匀。随着筏板弹性模量的逐渐增大,中点沉降减小,边点和角点的沉降相对增大,当筏板弹性模量达到25E+10(即普通筏板弹性模量10倍)时,筏板上中点的沉降量减小到25.3 mm,角点沉降增加到25.1 mm,差异沉降只有0.2 mm,说明此时筏板基本可以看作为绝对刚体,本身刚度极大,向下均匀传递荷载,各桩受力比较均匀,差异沉降很小。说明筏板弹性模量越大,差异沉降越小,但是筏板弹性模量增大是以增加钢筋含量为代价的,而且根据规范的相应规定,具有一定的差异沉降是允许的,只要控制在允许范围之内即可。

3.2 筏板厚度对基础沉降的影响

从图2可看出,随着筏板厚度的增加,基础的沉降不断减少,但减少速度降低,当筏板厚度从0.8 m增加到1.6 m时,基础沉降由46.1 mm减少到35.2 mm,厚度由3.2 m增加至4 m时,基础沉降量由28.6 mm减少到27.1 mm。即当筏板厚度达到一定程度时,利用增加筏板厚度来减小基础沉降的方法效果并不明显。

3.3 土体弹性模量和筏板长宽比对整体沉降的影响

本有限元模型计算中,土体材料采用的是D—P模型,该模型主要参数为土体弹性模量和泊松比,土体弹性模量取值一般采用地基土在自重作用和附加应力作用下土体的压缩模量,从图3可以看出,土体的弹性模量对整体桩筏基础的最大沉降量影响比较大,伴随着土体弹性模量的增大,整体的沉降值大量减小,特别明显的是当土体的弹性模量由10 MPa增大到30 MPa时,其最大沉降量由86.3 mm减小到17 mm左右,从筏板不同长宽比来看,正方形筏板在相同的荷载作用下沉降量相对比较大,在数值上大23 mm左右,其他非正方形筏板相差较小,即其他普通矩形筏板的长宽比值对沉降量影响不大。由此可以得出一个结论:通过对地基土进行改良,比如反复夯实、对软土进行置换等都可以大大减小沉降量。同时建筑物筏板尽量不设计为等尺寸。

3.4 筏板与土的弹性模量比对沉降量的影响

本文计算中将土体弹性模量确定,筏板弹性模量分别按照均匀数量级递增,计算整体最大沉降量的变化趋势,分析见图4。

从图4可以看出,将土的弹性模量确定后,取E0=28.7 MPa,筏板的弹性模量分别取其10倍,100倍,1 000倍,10 000倍和100 000倍,计算其最大沉降值。通过图4中筏土弹性模量比可以看出,当1≤lgEt/E0≤3时,其沉降量随着上部筏板弹性模量增大而减小,由 121.3 mm降低到25.2 mm,当 3≤lg Et/E0≤4(该比值为实际中最可能比值)时,沉降量由25.2 mm减小到21.3 mm,减小不明显,可见,适当增大上部筏板的弹性模量可以减小沉降,当下层土体为软弱土层时,进行适量的土体置换,即可以大大减小沉降。

3.5 桩长径比和距径比对整体沉降量的影响

从图5可以看出,很明显桩的距径比对最终沉降量影响很大,在该模型中,发现桩的距径比从7~5的过程中,最大沉降量从120 mm降到20 mm左右,但是在3倍桩径到5倍桩径之间沉降量变化不大。同时对于桩长径比来说,对于桩型,特别是摩擦桩或者端承摩擦桩来说对最终沉降量影响比较大,长径比越大,最终沉降量越小,同样,长径比在50,60,70中,变化不是很大,这就是说并不是越大越好,在设计过程中应该根据规范规定的允许变形量和经济性综合考虑的基础上进行合理的选择。

3.6 筏板下整体沉降量曲线

从图6可以更加明显看出,也印证了实际观测数据中的特征,筏板作为整体受力,其产生的沉降不一致,具有一定的差异沉降,中间节点的沉降量最大,向两侧逐渐减小。其差异沉降量为3.5 mm。

4 结语

1)筏板的钢筋含有量对整个建筑的不均匀沉降具有很大的影响,其钢筋含有量越高,刚度越大,其对整个建筑产生的不均匀影响越小。2)筏板下土体的特性对整个建筑的沉降影响较大,土的特性越好,产生的整体沉降越小。3)桩基础特别是摩擦型桩,其依靠周围土体与桩之间的摩擦力传递荷载,桩长和桩间距对整体沉降和差异沉降影响较大,但是桩间距过小,容易造成群桩效益,使得沉降偏大,本工程桩间距为5倍桩径,通过计算,其比较合理。4)通过对该建筑进行模拟分析,该建筑基础设计是比较好的,基础沉降量和差异沉降均符合规范的要求,甚至部分参数大大小于规范的允许值。5)上部和筏板的整体刚度对最终建筑物的沉降量影响比较大,适当增大上部筏板的弹性模量可以减小沉降,当下层土体为软弱土层时,进行适量的土体置换,即可以大大减小沉降。也就是说,上部结构和筏板的整体刚度越大,土体的弹性模量越大,沉降量越小,但不是无限度减小。从桩的长径比和距径比来看,减小桩间距比增长桩更加有利于减小整体沉降量。

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