高耸重型储槽群桩筏基础变形监测和数值模拟研究

2020-08-27王国辉李友东刘双晨王庆军陈军红

水利与建筑工程学报 2020年4期

王国辉，李友东，刘双晨，王庆军，陈军红

(1.河北建设勘察研究院有限公司，河北石家庄 050031；2.北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044)

在我国现代化建设进程中，城市规模的不断发展需要很多工程项目不得不在复杂的地质条件下进行建设，软土地层就是需要面对的复杂条件之一[1-2]。桩筏基础因其能较好的控制软土地层中的沉降，在软土层中的地基基础设计方案中得到广泛应用[3-4]。由于软土层中的沉降较大，往往采用超长群桩形式对地基进行加固[5]。很多学者[6-7]通过现场试验和理论分析超长群桩的受力特性与变形特征，获得了许多具有重要价值的试验数据，也为指导相应地质的超长桩加固设计提供了一定的理论基础和经验公式。此外，对于高耸建筑物群，往往伴随着不均匀沉降的发生，长短桩作为复合地基的一种，既可以减少工程造价，又可以满足工程在沉降和承载力方面的变化需求，在此类工程建设中有着广泛的应用[8]。因此，研究桩筏基础工程的沉降理论和受力性状对处理软土地层有着巨大意义。

本文以信发集团山西孝义种子分解槽项目为例，项目采用增加桩长以及采用长短桩结合的方法控制沉降和不均匀沉降。通过开展现场测试试验，测定实际工程中桩筏基础以及地基土的沉降，并将实测数据与有限元分析软件MIDAS/GTS的模拟计算结果进行对比，来分析高耸重型储槽群桩筏基础以及松软土地基的沉降规律。在此基础上，对后期拟建项目进行模拟计算，预测其沉降的分布规律，从而可为工程施工提供一定的指导。

1 工程概况

高耸重型储槽群(种子分解槽)桩筏基础施工位于山西省孝义市文峪新河西侧，省道243东侧，新安街北侧。拟建建筑分布图如图1所示，建筑区总长323.2 m，宽48 m，其中圆圈代表种子分解槽，直径16 m，高37 m，槽体静荷载为13 600 t(最右边两个直径14 m，槽体静荷载12 000 t)，各槽中心点间距水平方向为18 m，竖直方向为24 m。白色区域代表已完成工程，其他为拟建工程。该建筑物采用桩筏基础，其中筏板长35.2 m，宽23.6 m，厚度为2.5 m，基础埋深2.8 m。左侧筏板上下不连接，右侧筏板采用上下整体连接的形式，筏板下均匀布置混凝土灌注桩，采用长短桩复合地基模式，内侧3排桩长为57.5 m，外侧5排桩径为47.5 m，桩距分别为3.0 m、3.3 m。筏板采用C35混凝土，桩身采用C30混凝土。场地的工程地质状况复杂，包含深厚软弱土层，据现场钻探测试资料及土工试验资料，场地地层主要以粉土、黏性土及粉细砂为主，具体地层参数见表1。其中，φ为内摩擦角，C为黏聚力，v为泊松比，E为弹性模量。

图1 种子分解槽的布置

表1 土层的物理力学指标

2 有限元模拟分析

2.1 计算模型

地基土的长、宽取相应方向基坑尺寸的3倍，深度方向取桩长的2.5倍来建立模型，采用材料属性为摩尔-库仑弹塑性模型的实体单元表示，合理的本构模型是数值模拟的关键[9-11]。筏板采用材料属性为Elastic各项同性弹性模型的实体单元表示[12]，用线模拟桩，如图2所示。桩为混凝土灌注桩，直径1.0 m，轴惯性矩IX=IY=0.49 m4，桩单元切向耦合弹簧单位刚度为1.3×1011N/m2，单位内聚力为3×104N/m，摩擦角为10°；法向耦合弹簧单位刚度为1.3×1011N/m2，单位内聚力为3×104N/m，摩擦角为0°；C30标号混凝土，重度24.2 kN/m3，弹性模量32.5 GPa，泊松比为0.2。种子分解槽以均布荷载的形式施加到筏板上，总体模型图见图3。模型底面节点位移全部固定，垂直X轴的两侧面约束其X方向的位移，垂直Y轴的两侧面约束其Y方向的位移，模型顶面不做约束。通过约束Rz来约束桩在竖直方向上的旋转。

图2 桩筏几何图

图3 总体几何图

模型计算结合实际的施工工况，并在相应的工况结束后进行一次计算，具体计算过程如下：(1) 求得在自重应力作用下，地基土的初始地应力场；(2) 进行一次性开挖，计算求得基坑开挖后的地层位移场和应力场；(3) 施做桩筏基础；(4) 施加作用荷载。图1左下部分已完工程为第一次施工过程，左上部分和右半部分为第二次施工过程，且右半部分的筏板上下整体连接。第一次施工结束后，由于为已完工程，沉降趋于稳定，进行一次位移清零。因此，可将施工阶段分为初始自重；左下开挖；加筏板、加载；左上、右侧开挖；加筏板、加载，五个阶段。

数值模拟主要分析两次施工结束后的沉降变化，其中第一次施工为已完工程(左下区域)，并有沉降监测数据，可据此对数值模拟的结果进行校正，并以此来模拟预测第二次施工(未建工程)的沉降特性。

2.2 已完工程的模拟

(1) 筏板及地基土沉降。图4为第一次施工完成后，各筏板的沉降云图，可以看出，筏板的最大沉降量为15.3 cm，筏板的沉降呈现出从中间向两端逐渐减小的分布规律，并且筏板外侧沉降较内侧要大，这就造成了基础的不均匀沉降。这与长短桩的布置有关，内侧桩长57.5 m，外侧桩长47.5 m。中间筏板主要是宽度方向的不均匀沉降，达到1 cm，两边筏板主要是长度方向的不均匀沉降，最高可达5 cm。这与长短桩的布桩形式所形成的筏板底部的竖向支撑刚度不同相对应。

图4 第一次施工完成后筏板沉降云图

图5为第一次施工完成后，筏板下地基土剖面的沉降云图。可以看出，桩间土的总体沉降值较大，说明其压缩量较小。在接近50 m处，即桩底端处压缩量明显增大，从0.5 mm增加到6 mm，桩底端下部20 m范围内的压缩量可达10 cm。这说明地基土层压缩主要发生在桩底端处，图5可以明显看出沉降值的变化，这也是造成基础产生较大沉降的主要原因。

图5 第一次施工完成后地基土剖面的沉降图

(2) 沉降计算值与监测值的对比。通过布置沉降管来监测整个完整槽体及其基础和地基的变形和沉降分布过程[13-15]。地层分层沉降管布置在槽体中心、槽体边缘等处，深度设定超过桩基础深度10 m。沉降管穿过地层顶部垫层和筏板基础，以便于长期监测。图6为第一次施工完成两年后的沉降监测数据，其中1#—10#槽体对应图1中已完槽体部分从左到右的位置。每个槽体布置4个监测点(比如Z01/Z02/Z03/Z04)，监测点上/下方标注为沉降值。可以看出，两端沉降值稍小，范围为55 mm～90 mm，中间沉降较大，范围为90 mm～101 mm，并且外侧的沉降要比内侧的大(桩较短部位的沉降大)，差值范围为4 mm～15 mm。中间4#—6#槽体的不均匀沉降较小，两端1#—3#、7#—10#槽体的不均匀沉降较大。实测数据所显示的规律与上述第一次施工所呈现出的沉降规律类似，基础沉降从中间向两端逐渐减小，而不均匀沉降则相反，且中间筏板的不均匀沉降主要沿宽度方向，而两端筏板的不均匀沉降主要沿长度方向。

图6 第一次施工完成两年后的沉降监测值

图7给出了平均沉降值的监测数据与模拟计算数值的对比。可以看出，总体变化规律基本一致，模拟计算的沉降值要比监测值略大。一是由于数值模拟计算本身就有一定的误差，二是由于数值模拟为计算的总的沉降，并没有考虑时间效应，而监测值有时间效应，随着时间的增长，沉降值也会继续增大。

图7 沉降监测值与计算值的对比

2.3 拟建工程的模拟预测

图8给出第二次施工完成后(拟建工程)的总沉降云图，可以看出，最大沉降出现在右半部分靠近中间的位置，最大沉降可达24.8 cm。整体也呈现出中间大，两端小的现象。

图8 第二次施工完成后总体沉降俯视云图

(1) 左上筏板沉降分布。图9给出第二次施工左上筏板沉降分布图。可以看出，筏板最大沉降发生在右侧部位，可达20.0 cm，呈现出右侧向左侧逐渐减小的分布规律。筏板主要发生长度方向的不均匀沉降，中间筏板沉降差约为0.5 cm，两边筏板沉降差达4 cm，宽度方向的沉降差约为1 cm。由于第一次施工已完成，沉降趋于稳定，其下的土层参数也相应增大，所以左上筏板内侧沉降较小。此外，施工位置是内侧桩较外侧要长，也是造成内侧沉降较小的原因。可见，长短桩的布置有效控制了筏板的不均匀沉降。由于受右侧筏板沉降的影响，左上筏板的沉降中心向右发生了偏移，在与右侧筏板的相接处，仍产生较大沉降，约为20 cm，并呈现出明显的长度方向的不均匀沉降。由于二者拟定同时施工，模拟时也进行同时计算，造成左筏板沉降的偏移。

图9 第二次施工完成后左上筏板沉降云图

(2) 不同形式右筏板的沉降分布。右侧筏板给出两种不同形式的连接方式，分为上下连接和上下不连接的情形。图10给出第二次施工右侧筏板上下连接情形的沉降分布图。可以看出，筏板最大沉降发生在中间偏左部位，可达24.8 cm，总体上中间沉降较两边要大，呈中间大四周小的盆状分布。受左上筏板沉降的影响，右侧筏板沉降向左发生偏移，筏板主要是宽度方向的不均匀沉降，中间筏板沉降差达1 cm，两边筏板沉降差达6 cm。

图10 第二次施工完成后右侧筏板沉降云图

图11为右侧筏板采用上下不连接方式的沉降图。与上述右侧筏板上下连接情形的沉降对比，可以看出，最大沉降的范围相对变小，较为扁平，也呈中间向四周扩散，最大沉降值约为26 cm。中间筏板的最大不均匀沉降主要为宽度方向，为4 cm。两边筏板最大不均匀沉降主要为长度方向，为5 cm～6 cm。因此可以看出，若右侧筏板采用上下不连接的方式，总的沉降以及不均匀沉降都相对增大。

图11 上下不连接情况右筏板沉降图

(3) 地基土分布沉降。图12给出了第二次施工完成后，筏板下地基土剖面的沉降图。规律与第一次施工相似，桩间土压缩量较小，桩底端处土层压缩量较大，桩底端20 m范围内的沉降达18 cm，约占总沉降量的75%。

图12 第二次施工完成后地基土剖面的沉降图

(4) 拟建工程对已完工程的影响。图13为第二次施工完成后，已完工程筏板(左下)的附加沉降云图。可以看出，离第二次施工位置处附近的沉降较大，也就是图13中的右边缘，所引起的筏板的沉降接近16 cm，距离右侧筏板位置越远(图13左端)，其影响越小。不均匀沉降为筏板宽度方向，为5 cm～6 cm，内侧沉降较外侧大。由于第一次施工时，内侧沉降要比外侧小，这在一定程度上抵消了一部分不均匀沉降，这也是长短桩布置的合理之处。