某工程软弱地基上高填方对相邻建筑物的影响数值模拟研究

卢亚杰吴 凯陈朝华

1贵阳建筑勘察设计有限公司（550081）2贵州省建筑设计研究院有限责任公司（550081）

0 前言

随着国民经济建设发展，工程建设遇到一些前所未有的问题，如深挖路堑、高填路堤、软弱地基处理及对相邻建构筑物的影响等问题[1]。因此，软弱地基上高填方路堤的稳定及其对相邻建筑物的作用，成为工程建设急需解决的关键问题。

1 工况概况

道路场地位于大方县某小区内Ⅴ号、Ⅵ号楼之间，道路两旁建筑物的主体结构已经完工。上部结构采用现浇框架混凝土结构，挖孔桩基础，原始地面高程为1 599.89 m，设计±0.00=1 619.10 m。拟建方案准备在两建筑物之间修建道路，路面在建筑物±0.00高程处，将形成近20 m的路堤高边坡[2]。

2 工程地质条件

工程场地位于岩溶浅切中山地貌单元，山盆期第二亚期台地前缘V型冲沟斜坡地带。场地原始地貌整体呈东高西低，场地最大高差达42.3 m。场地附近无大的断裂构造，下伏二叠系龙潭组地层单斜产出，产状为330°∠15°。

场地自上而下岩土构成为:杂填土、含角砾黏土、二叠系龙潭组灰岩。岩土参数见表1。

表1 岩土参数表

3 计算假定及本构模型

3.1 计算假定

在工程实际情况的基础上，为了使问题适当简化，假定:仅考虑重力荷载作用；土体在自重作用下的变形在路堤填筑前已经完成；整个地基为单一、均匀、连续的介质[3]。

3.2 参数选取

选取断面进行数值模拟:填方高达20 m，地基土层厚度为10.5 m，原始地面坡度为10°，基岩面为17°。

数值模拟时，分别按填筑高度为10 m、14 m、17.5 m、20 m，共计四个工况。

建筑物为框架结构、桩基础，混凝土强度等级为C30，桩径为1.5 m、框架柱为0.8 m×0.8 m，框架梁及连梁为0.4 m×0.8 m，楼板厚0.12 m。

3.3 本构模型

对相邻建筑物框架结构按线弹性材料考虑，弹性模量是3×104MPa、泊松比是0.2。地基土按弹塑性材料分析，采用D—P弹塑性本构模型，路堤土弹性模量为25.6 MPa、泊松比是0.31；碎石黏土弹性模量是20 MPa、泊松比是0.35；中风化灰岩弹性模量是2×104MPa、泊松比是0.26。

4 数值模拟分析

4.1 模型建立

建立三维有限元模型的长、宽、高几何尺寸为75 m×8 m×61.2 m，其中路堤尺寸为46.5 m×8 m×20 m，并按1∶1进行放坡。对于结构物，取一榀框架及相应的桩基础进行模拟。

对岩土体单元采用solid45单元模拟，桩基础及上部结构的框架梁柱采用Beam188单元模拟[4]。

4.2 未填筑路时桩、上部结构受力

第一根桩剪力最大约为158 kN，距第一根桩及第二根桩底部5 m处，弯矩最大约为420 kN·m，第一榀桩基第一根连梁中点弯矩最大值为144 kN·m，第二榀内第二根桩与第一根连梁交接处弯矩为89 kN·m。第3、4根桩，情形和前两根大致相同，只是数值比较小，上部结构、弯矩和剪力变化比较均匀，没有明显的变化（如图1、图2所示）。

图1 未填路堤结构剪力

图2 未填路堤结构弯矩图

4.3 填筑完成时地基、桩、上部结构分析

4.3.1 桩和上部结构水平位移

填筑路堤引起建筑物水平位移最大值基本上全是在桩基础第一榀连梁上及连梁上下3 m范围内的桩基上，最小值在桩基与岩石交接处。桩基和框架结构的最大水平位移为77 mm。从水平位移最大处向桩基底部及结构物顶部，位移值逐渐减小，均匀变化，呈整体偏移型（如图3所示）。

图3 桩和上部结构水平位移（放大100倍）

4.3.2 填筑路堤时路堤和地基受力分析

填方路堤施工，地基水平应力基本上呈层状分布，从上向下压应力逐渐增大，但在各自的施工工序中均出现了拉应力。路堤填筑完毕，在整个路堤的左上方出现水平拉应力，最大达到57 kPa。在放坡路堤右上方也出现了水平拉应力，约为20 kPa。

4.3.3 填筑时桩和上部结构受力分析

填方路堤施工，桩基础的弯矩随着填方路堤荷载的增大逐渐增大，呈正相关关系（如图4所示）。弯矩在第一根桩距离桩底5 m处弯矩最大，第二、三根桩在距离桩底5 m处亦达到该桩弯矩最大值。连梁的弯矩在第一榀内，第一根连梁中点达到最大值。第二榀内，第二根桩与第一根连梁的交接处，弯矩也较大。对于上部框架结构，由填方路堤引起的弯矩变化较小，基本上没有明显的突变。

图4 桩和上部结构弯矩

第一根桩弯矩最大值为1 680 kN·m，第二根桩弯矩最大值为1 370 kN·m，第一榀桩基、第一根连梁中点弯矩最大值为1 050 kN·m。第二榀内，第二根桩与第一根连梁的交接处1 050 kN·m。

填方路堤施工，桩基础的剪力随着填方路堤荷载的增大逐渐增大，呈正相关关系（如图5所示），框架的剪力有少许变化，但是变化的幅度比较小。剪力在各桩桩底部、第一根连梁与各桩交接处、各榀桩基与第一根连梁的交接处较大。

图5 桩和上部结构剪力

在第一根桩上，桩底剪力为439 kN，与第一根连梁交接处剪力为287 kN。在第一榀桩基内，连梁与第一根桩基交接处剪力为1 530 kN，连梁与第二根桩基交接处剪力为1 740 kN。

4.3.4 填筑路堤对结构物影响分析

从数值模拟结果可见，由于路堤的填筑，结构物中剪力变化最大的是第一榀桩基内（如图6、图7所示）。在第一根连梁与第二根桩基相连接处的连梁上，约为1 640 kN，增加了1 576%。在第一榀桩基内，在第一根连梁与第一根桩基相连接处的连梁上，约为1 430kN。结构物中弯矩变化最大的在距离第一根桩底部约5 m处，弯矩变化值约为1 260 kN·m，增加了300%。

图6 各工况下桩基弯矩曲线

图7 各工况下桩基剪力曲线

5 结语

在实际工程的基础上建立有限元模型，重点分析了路堤填筑施工引起的桩基、地基，结构的应力、位移变化，桩基和框架结构的弯矩、剪力的变化。由数值模拟结果可知:

1）路堤填筑使地基沿着场地顺坡向产生较大的位移，推动桩基在桩顶产生较大的位移，靠近填方路堤一侧的桩基顶部最大水平位移达7.7 cm，同时带动上部结构产生较大的水平位移，远远超出了结构物对水平位移的允许限制；

2）路堤填筑使建筑物桩基弯矩急剧增加，弯矩最大增量超出原来弯矩的300%，最大弯矩已经超出桩基抗弯承载能力，桩基结构发生损坏。

3）路堤填筑使建筑物桩基连梁及上部结构弯矩增大，其增量比桩基弯矩增量小得多，但亦超出了其承载能力。

4）路堤填筑使建筑物桩基连梁剪力急剧增大，超出连梁的承载能力，导致桩基连梁发生承载能力极限状态损坏。

5）该工程路堤填筑使建筑物处于不安全状态，不能进行路堤填筑。如要填筑，需对地基进行处理，且对路堤采用其他的方式进行支护。