复杂地质条件下的高层建筑地基处理研究

唐玉文,胡守营,王传甲,王庆扬

复杂地质条件下的高层建筑地基处理研究

唐玉文1,胡守营2,王传甲2,王庆扬2

1. 合肥职业技术学院, 安徽 合肥 238000 2. 奥意建筑工程设计有限公司, 广东 深圳 518031

为探索复杂地质条件下高层建筑的地基处理问题，本文基于通用有限元软件Abaqus，结合铜陵置地财富广场一期高层住宅工程，完成了在复杂地质条件下的基础分析及设计。在相同的上部荷载作用下，主要研究了四种地基状态下基础沉降及地基土的应力分布规律，据此筛选出最优地基处理方案，希冀为同类工程的地基施工提供参考。

高层建筑; 地基处理

由于受到技术手段的限制，对带有溶洞地基的评价多是基于规范[1,2]要求的定性评价，对岩溶地基处理方法的评价多是经验性的，故为了确保结构安全，对于落在建筑物范围内的溶洞，大多数的场地岩土勘察报告都要求进行处理，势必造成一定程度的浪费。目前，对溶洞的处理方法主要有填堵法、跨越法、注浆法、桩支撑法以及综合法等[3-6]。为了保证溶洞处理措施的有效性，同时最大程度的减少浪费，如何快速确定地基处理方案是值得研究的。

当处理后地基的变形规律与无溶洞情况下地基变形规律及形态一致时，则认为地基处理的方法是有效和安全的。本文基于此思想，结合铜陵置地财富广场一期高层住宅2#楼工程，根据其所处的场地溶洞的具体情况,建立三维空间模型，利用有限元法，考虑地基-基础相互作用，研究地基处理方案及可靠性，为结构安全提供直观、可靠的数据依据。

1 工程概况

铜陵置地财富广场一期高层住宅2#楼为100 m高层剪力墙住宅，位于安徽省铜陵市。根据场地岩土工程勘察报告，在2#建筑下部地基土中⑤-1层灰岩中存在层厚1.40~7.50 m的溶洞或土洞，充填有泥浆、软塑～流塑状态的粘性土、松散砂及碎石等，灰岩洞存在溶洞（充填淤泥等）和软弱土夹层，无灰岩顶板，溶洞是否封闭无法确定，溶洞和软土夹层距箱基基底距离约为12.50~21.00 m。溶洞与2#楼的位置关系如图1所示。此外，根据文献[7]采取对溶洞进行局部处理的方案。

图 1 钻孔点、溶洞与主楼位置关系

在此种条件，经过对桩基础、筏板基础、箱型基础等多种基础方案的分析及讨论，综合考虑上部结构墙体分布及地下室功能情况，为保证结构的整体性、减小地基对上部结构的不利影响，确定采用整体刚度较大的箱型基础。图2~3给出了相关地质剖面。

图 2 工程地质剖面图（E-E’）

图 3 工程地质剖面图（F-F’）

2 有限元分析

基于通用有限元软件Abaqus，考虑地基-基础的相互作用，分别对四种地基情形的应力状态、沉降变形进行了分析。下文分别描述。关于模型尺寸、荷载等基本计算参数选取如下：

（1）地基土模型尺寸为100×60×30 m（长×宽×高）；

（2）在一层的剪力墙上施加通过Jccad读取的上部结构荷载，同时施加箱型基础自重及其他地下室活荷载；

（3）地基土采用摩尔库伦塑性模型，摩擦角、膨胀角和粘结力参考地勘报告的标准值[7]，各层地基土参数详下表1。

表 1 各土层计算参数

2.1 不同地基土条件下的有限元模型

为了分析清地基土中溶洞对基础的影响，考虑了四种地基土情况，在上部结构荷载作用下，分析地基土的应力状态及基础的沉降变形。图4给出了四种地基土下整体模型，图5给出了四种地基土的模型剖面图，图6给出了上部结构及基础的模型。对用桩对溶洞进行加固处理的情况，冲孔桩直径800 mm，桩的承载力设计值[8]为4000 kN，对应的沉降量分别考虑5 cm，即弹簧刚度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. 地基土中无溶洞 No karst cave in the foundation soil; d. 有溶洞且补桩 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. 地基土中无溶洞 No karst cave in the foundation soil; d. 有溶洞且补桩 The pile were applied to the karst cave.

图5地基土有限元模型中的椭圆洞代表溶洞，椭圆填充部分代表淤泥，宽16 m，高7 m，长度方向贯通整个模型。

图 6 基础及上部结构有限元模型

2.2 分析结果

2.2.1 基础沉降图7给出了基础底面沉降分布图。从图中可以看出，地基中存在溶洞、且不对溶洞进行任何处理时，基础的沉降分布规律一致，均在有溶洞一侧沉降较大。地基土中不存在溶洞时，基础沉降分布比较规律，沉降呈现中间大周边逐渐减小的分布趋势。当对地基土中的溶洞进行加桩处理后，基础沉降分布规律与地基土不存在溶洞类似，区别在于结构沉降变形略偏向上部结构的一侧。图8结构平面中间处土体沉降剖面，进一步证明了这个规律。

图 7 底板平面沉降分布图

图 8 基础剖面沉降分布图（沿中间平面纵向剖面）

2.2.2 地基土应力分布图9给出了四种情况下结构平面中间剖面处土体压应力的分布情况。图示结果表明，地基土中存在溶洞时，溶洞阻断了土体压应力的有效传递，即便溶洞中充满淤泥等强度较低的填充物时，亦受到了较为明显的影响。因此，溶洞的稳定性及上部荷载有效的传递对结构沉降变形有着重要意义，故应选用加固地基土中溶洞的方案。此外，从基础的变形规律可以看出，采用桩对溶洞局部加固后地基的变形规律相似，因此选取对溶洞进行局部加固的方案即可。

2.2.3 加固地基土中溶洞方案的进一步优化为了使使基础沉降更为均匀，对溶洞补桩的方案进行进一步优化，即：调整桩刚度，使基底沉降更为趋于均匀，因此，对冲孔桩的线刚度进行调整。冲孔桩直径800 mm，桩的承载力设计值为4000 kN，对应的沉降量分别考虑5 cm和8 cm两种情况，即弹簧刚度1=8×107N/m和2=5×107N/m。计算后，两种情况下的沉降及应力对比如图10~13。

图 9 基础剖面竖向应力分布图（沿中间平面纵向剖面）

图 10 底板平面沉降分布图

图 11 基础剖面沉降分布图（沿中间平面纵向剖面）

图 12 基础剖面塑性应变分布图

图 13 基础剖面竖向应力分布图（沿中间平面纵向剖面）

从图示结果可以看出，降低桩刚度后，基础的沉降特点更趋于地基土中无溶洞的情况，而对土体的应力分布、土体可能出现塑性区无明显影响。

2.3 最终地基处理方案

根据上述计算分析研究，选择溶洞区域进行补桩的方案，控制桩身有效刚度，确保结构沉降的均匀性。最终地基处理方案详图14所示。

图 14 最终基础方案

3 结论

（1）针对本工程的特点，保证溶洞周边土（岩）体不垮塌是处理溶洞的关键。故对四种地基情况进行了地基-基础-上部结构相互作用分析，研究上部荷载用下各情况地基的变形和应力的规律。分析结果表明，采用补桩对溶洞加固的地基，其变形规律与无溶洞地基变形规律一致，对溶洞进行局部加固的方案是可行的；

（2）基于通用有限元软件Abaqus进行地基-基础共同作用分析，弥补了常规设计软件无法分析的缺点，其分析结果的直观表达为工程人员提供了判断的便利性；

（3）根据溶洞情况，合理的选择基础方案，可以较大程度降低地基处理的难度。

[1] 中华人民共和国建设部,国家质量监督检验检疫总局.GB50021-2001岩土工程勘察设计规范[S].北京:中国建筑工 业出版社,2009

[2] 中华人民共和国建设部,国家质量监督检验检疫总局.GB50007-2002建筑地基基础设计规范[S].北京:中国建筑工 业出版社,2002

[3] 张伟,赵海燕,宫浩.桩基溶洞的勘探及处理方式[J].山东交通科技,2014(4):90-92

[4] 刘之葵.岩溶区溶洞及土洞对建筑地基影响的研究[D].长沙:中南大学,2004

[5] 金瑞玲,李献民,周建普.岩溶地基处理方法[J].湖南交通科技,2002,28(1):10-12

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

[7] 肖飞,李霆,王颢.某高层建筑群建址区溶洞物探普查及地基基础设计[J].华中建筑,2011(5):62-65

[8] 中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ94-2008建筑桩基技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社,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

安徽省自然科学重点研究项目(KJ2017A711)

唐玉文(1962-),男,本科,副教授,研究方向:土木工程结构设计与施工. E-mail:694266427@qq.com