深厚软土地基上建筑物沉降控制方法

尹玉，尹长权

深厚软土地基上建筑物沉降控制方法

尹玉1，尹长权2

（1.天津港圣瀚石化码头有限公司，天津300457；2.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津300222）

真空预压、刚性基础、筏板基础和桩筏基础是软基处理中较常用的形式，不同形式对建筑物基础沉降的影响亟待研究。应用岩土大型有限元软件PLAXIS分析比较不同基础形式以及真空预压前后对建筑物沉降影响。未经过真空预压情况下，桩筏基础的沉降量是刚性基础沉降量的1/7左右，是筏板基础沉降量的1/2左右。同为刚性基础，经过真空预压处理后基础沉降量减少了80%左右，筏板基础沉降量减少了60%，桩筏基础沉降量减少了40%。

软土地基；基础形式；沉降控制

0　引言

软土地基承载力低，压缩性大，强度增长缓慢，加载后易变形且不均匀，变形速率大且稳定时间长，具有渗透性小、触变性及流变性大的特点，不易满足建筑物地基设计要求，故需进行处理。软土地基有五种处理方法，分别是桩基法、换土法、灌浆法、排水固结法和加筋法，而这些方法中应用最广的是真空预压排水固结法和桩基法。真空预压法适用于大面积软基处理，工艺设备简单，易操作，但处理时间稍长，使其推广受到时效性的影响。当软土层厚度超过40 m时，深层处理效果难以保证，可采用打入桩处理，也可以采用灌注桩。各种软基处理方法各有利弊，如何才能发挥各自优势而又具有良好的经济效益，将成为研究的热点[1]。

本文以天津滨海新区某项目为例，从不同地基处理形式出发，在同一软土基础上，研究建筑物拟采用的真空预压、刚性基础、筏板基础和桩筏基础进行应力应变分析[2]，以明确不同地基处理方式和基础形式对建筑物沉降的影响。

1　工程概况

本项目位于天津滨海新区，拟建工程包括5层办公楼，整体一层地下室，地下室埋深2.0 m。该场地埋深60 m深度范围内，地基土按成因年代可分为人工填土层（Qml）、全新统中组海相沉积层（Q42m）、全新统下组沼泽相沉积层（Q4lh）、全新统下组陆相冲积层（Q4lal）、上更新统第五组陆相冲积层（Q3eal）、上更新统第四组滨海潮汐带沉积层（Q3dmc）、上更新统第三组陆相冲积层（Q3eal）七层，由于黏土参数差异较小，故采用均值代表黏土性能参数。勘察期间测得场地初见水位埋深1.50～1.80 m，静止水位埋深0.50～0.80 m。表层地下水属潜水类型，主要由大气降水补给，以蒸发形式排泄，水位随季节有所变化，一般年变幅在0.50～1.00m左右。

由于工程处于软基上，虽然各种地基处理方式和基础形式都具有明显优势和特点，但可以对地基和基础形式进行仿真模拟，以明确投资与建筑物沉降的关系。由此选取刚性基础、筏板基础和桩筏基础三种基础形式，以及采用真空预压和不采用真空预压后刚性基础沉降量为研究目标，对建筑物的基础开挖和建造过程进行有限元模拟仿真。

2　基本参数

选用大型岩土工程有限元分析软件PLAXIS 3D对建筑物和基础相互作用进行仿真分析。取基础黏土深度40m，长和宽分别为150 m的正方体进行模拟，地基范围取建筑物长和宽分别为18 m，上部结构自重按照面荷载施加。为节省计算时间，取建筑物和基础1/4部分构建模型，沿对称线施加对称边界条件。计算分为三种工况，分别是刚性基础、梁板式基础和桩筏式基础，结构自重采用作用在梁板上的等效荷载模拟，基础中所打设的桩采用Embedded桩模拟[3]。重力加速度取9.81m/s2，计算所用材料参数如表1所示。

表1　模型材料参数统计表Table 1 Statistical table of model material parameters

3　仿真分析比较

3.1未经真空预压处理地基

3.1.1桩筏式基础

桩筏基础是桩基和筏板基础的合称，是由桩和连接桩顶的承台组成的深基础。桩基不是结构，是人工地基，而筏板是结构的组成部分，对于有地下室的建筑经常采用筏板基础，如果地基土的承载力不能满足承载力要求或者沉降要求，常采用这种地基处理方式。桩基具有承载力高、沉降量小而较均匀的特点，几乎可以应用于各种工程地质条件和各种类型的工程，尤其适用于建筑在软弱地基上的重型建（构）筑物。

根据工程实际情况对桩筏式基础建模如图1所示。

图1　桩筏式基础沉降建模Fig.1 Settlement model of piled raft foundation

在此工况用Embedded桩模拟钻孔桩，桩长20 m，直径1.5m，总共创建4根桩。

桩筏基础由50 cm厚的混凝土板和混凝土梁组成，地下室混凝土墙厚为30 cm，在底板上布设有梁单元，上部楼层荷载通过柱子和地下室墙传到底板上再传给基础，柱子承受11 650 kN荷载，地下室墙承担385 kN/m的线荷载，地下室底板上分布有5.3 kPa的均布荷载，为更好地考虑实际情况，黏土层刚度随深度加深而增大，深度每增大1m，刚度增大500 kPa。

图2　桩筏式基础沉降应力应变云图Fig.2 Settlement stress and strain of piled raft foundation

计算结果如图2所示。为直观认识建筑物沉降，在此只显示Z方向上的沉降和应力[4]。

由计算云图可知，桩筏式基础压应力最大值为1 320 kPa，压应力最小值为-5 255 kPa；总沉降的最大值为0.142 7 m，发生在桩筏基础的桩身位置。

3.1.2筏板式基础

筏板基础由底板、梁等整体组成，是把柱下独立基础或者条形基础全部用联系梁联系起来，下面再整体浇筑底板，由底板、梁等整体组成。建筑物荷载较大，地基承载力较弱，常采用混凝土底板，其整体性好，能很好的抵抗地基不均匀沉降。

根据工程实际情况对筏板式基础建模。

由计算结果可以得知，筏板式基础压应力最大值为833.2 kPa，压应力最小值为-4 999 kPa；总沉降的最大值为0.242 5 m，发生在筏板基础的下缘。

3.1.3刚性基础

刚性基础指用砖、石、灰土、混凝土等抗压强度大而抗弯、抗剪强度小的材料做基础，常用的有砖、灰土、混凝土、三合土、毛石等，用于地基承载力较好、压缩性较小的中小型民用建筑。

根据工程实际情况对刚性基础建模。

由计算结果可知，刚性基础压应力最大值为104.3 kPa，压应力最小值为-719.5 kPa，总沉降的最大值为1.018m，发生在刚性基础的下缘。

3.2真空预压处理后地基

真空预压法是在软黏土中设置竖向塑料排水带或砂井，上铺砂层，再覆盖薄膜封闭，抽气使膜内排水带、砂层等处于部分真空状态，排除土中的水分，使土预先固结以减少地基后期沉降的一种地基处理方法。

3.2.1桩筏式基础

由计算云图3可以得知，桩筏式基础压应力最大值为1 318 kPa，最小值为-5 271 kPa。总沉降的最大值为0.083 4m，发生在桩筏基础的桩身位置。

3.2.2筏板式基础

由计算结果可知，筏板式基础压应力最大值为837.1 kPa，压应力最小值为-5 029 kPa；总沉降的最大值为0.102 9m，发生在筏板基础的下缘。

3.2.3刚性基础

由计算结果可知，刚性基础压应力最大值为95.84 kPa，压应力最小值为-854.2 kPa；总沉降的最大值为0.205 9 m，发生在刚性基础的下缘。

图3　真空预压处理后桩筏基础沉降应力应变云图Fig.3 Settlement stress and strain of piled raft foundation after vacuumpreloading treatment

3.3计算结果比较分析

各种基础处理方式最大应力和沉降量仿真计算结果见表2，根据仿真分析结果可知，真空预压前后不同形式基础的应力最大位置基本相同，但经过真空预压处理后的基础沉降量明显减小，在两种地基情况条件下，基础沉降规律一致，沉降量从大到小分别是刚性基础、筏板基础以及桩筏基础。未经过真空预压情况下，桩筏基础的沉降量是刚性基础沉降量的1/7左右，是筏板基础沉降量的1/2左右。同为刚性基础，经过真空预压处理后基础沉降量减少了80%左右，筏板基础沉降量减少了60%，桩筏基础沉降量减少了40%。

表2　应力应变计算结果汇总表Table 2 Summary of stress and strain calculation results

4　结语

根据软基基础上的不同地基形式建筑物有限元仿真分析结果显示由仿真结果可见，建筑物自重以及荷载由筏板式基础的筏板、桩筏式基础的桩承担，桩筏式基础沉降量最少；在未经过真空预压处理的地基，桩筏式基础沉降量只有刚性基础沉降量的14%；经过真空预压处理后的地基基础沉降减小趋势明显，桩筏式基础沉降量减少了40%。

如果资金和施工时间允许的情况下，建议首选真空预压对建筑物地基进行处理。如果工期要求紧张，在充分模拟仿真情况下，优选桩筏基础作为未经处理地基的基础形式，减少建筑物施工后的不均匀沉降量以保证建筑物安全。

[1]董建国，赵锡宏.桩箱（筏）基础沉降计算新方法[J].岩土工程学报，1996（1）：80-84. DONG Jian-guo,ZHAOXi-hong.A newmethod forcalculating the foundation settlementofpilebox[J].Chinese JournalofGeotechnical Engineering,1996(1):80-84.

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Control method of building subsidence on thick-layer soft soil foundation

YIN Yu1,YIN Chang-quan2
（1.Tianjin PortShenghan Petrochemical TerminalCo.,Ltd.,Tianjin 300457,China; 2.Tianjin Port Engineering Institute Co.,Ltd.,Tianjin 300222,China）

Vacuum preloading,rigid foundation,raft foundation and piled raft foundation aremore commonly foundation forms used in soft foundation treatment.The influence of different forms on the building foundation subsidence needs to be studied urgently.PLAXIS is large finite element software of rock and soil,which can simulate and compare the influence of different foundation formsand vacuum preloading on the building subsidence.The settlementof the piled raft foundation is about1/7 of the rigid foundation settlement,and it is the 1/2 of the raft foundation settlementwithout vacuum preloading.The same as the rigid foundation,after the vacuum preloading treatment,the foundation settlement is reduced by 80%,the raft foundation settlement is reduced by 60%,and the pile raft foundation settlement is reduced by 40%.

soft soil foundation;foundation form;subsidence control

U655.54；TU472.33

A

2095-7874（2016）04-0039-04

10.7640/zggw js201604010

2015-10-30

2015-12-16

尹玉（1979—），男，河北深州市人，工程师，从事海岸与近海工程方面的研究和管理工作。E-mail：18701255706@126.com