大面积荷载作用下软土地基沉降计算的一种实用方法

2022-04-01张云峰中铁建设集团有限公司北京100040

安徽建筑 2022年3期

张云峰（中铁建设集团有限公司，北京 100040）

1 引言

大面积荷载作用下的地基沉降计算，现在工程设计时主要依据《建筑地基基础设计规范》（GB 50007-2011）第5.3节的相关规定。根据该规范相关公式计算某点的沉降还算可行，如果要确定整片区域的地基变形规律就比较困难了。本文利用常规软件已有的功能模块，设计出在大面积荷载作用下，软土地基沉降计算的一种实用方法。该方法通过计算离散形成的独立基础底面中心的沉降变形，进而确定整片区域的变形规律。

2 实用方法计算原理

利用结构离散化思想，把大面积的荷载作用区域离散为由较小面积的荷载作用区域（单元）组成的集合。计算每个单元的荷载作用下的地基沉降，并考虑各个单元作用区域的相互影响，得到每个单元区域中心点下地基的变形，进而得到整个区域的地基变形规律。

具体来讲，就是把整个大面积荷载作用区域ABCD（如图1所示），离散成均匀的小方块单元（如图2所示的1234单元）。在每个小方块单元的中点位置，布置柱下独立基础，柱下独立基础的底面面积和小方形网格面积重合。柱下独立基础的基底附加压力值应等于大面积荷载作用区域的分布荷载值。

图1 荷载作用区域

图2 离散的方形网格

3 实用方法操作要点

以盈建科软件为例，介绍实用方法操作要点。

3.1 上部结构模型

建立上部结构计算模型主要是为了能利用已有结构设计软件进行地基沉降计算。在图2所示小网格单元（1234）中点位置布置网格节点，连接各个网格节点形成计算网格，节点处布置框架柱，网格上布置框架梁，生成楼板，形成一层框架结构计算模型。

框架梁设置为两端铰接，楼板厚度取0，混凝土容重取0，钢材容重取0，不考虑风荷载，不考虑地震作用。施加柱顶节点竖向荷载P。

3.2 基础建模

布置柱下独立基础，独立基础宽高比不宜大于2.5，独立基础底面应和小网格单元区域(如图2的1234)重合，独立基础底面尺寸也可比小网格单元尺寸稍小，即独立基础间可以留有一定缝隙，缝隙宽度可以采用100mm。

3.3 基础计算参数设置

相邻荷载的水平面影响范围，应设置为不小于大面积荷载短边尺寸。操作路径：计算参数—沉降计算参数。

指定最小计算深度和指定计算土层厚度。操作路径：基础计算及结果输出—计算参数—高级参数—沉降计算。

宝钢多次大面积堆载试验表明，当堆载重量60kPa～150kPa，桩长60余米时，地面总沉降量的75%是由地面以下22m深度范围内的浅层软土压缩引起的[4]。大面积荷载作用面积大，影响深度大，离散为较小底面积的独立基础，根据自身底面尺寸所确定的压缩层深度相对较小。采用盈建科软件计算独立基础沉降时，应指定最小计算深度和计算土层厚度，一般不小于22m和大面积荷载作用区域的短边宽度，以充分考虑相邻独立基础间的相互影响。

3.4 基底附加压力

软件路径：基础计算及结果输出—基础沉降—基底附加压力。使基底附加压力大小等于大面积荷载作用区域的分布荷载值。可以通过调整建模时，柱顶节点荷载P的大小来实现。

4 计算实例

4.1 工程概况

上海市临港新区某工程，两层框架结构，中间为一层通高大厅，建筑平面长约66.8m，宽约36m，建筑平面图见图3所示。

图3 建筑平面图

主体结构基础采用预应力高强混凝土管桩基础，桩顶绝对标高3.800m，桩端持力层为⑦1砂质粉土。建筑±0.000对应绝对标高为5.700m，室内外高差为900mm，室外天然地面绝对标高为4.470m，施工完成后室外地面标高4.800m。

室内外高差简图见图4所示。

图4 室内外高差简图

4.2 工程地质概况

根据岩土工程勘察报告，建设场地属潮坪地带。场地土层分布情况：第①1-1层素填土，第①1-2层吹填土，第①2层灰色淤泥质粉质粘土，第②3层灰色砂质粉土，第④层灰色淤泥质粘土，第⑤1层灰色粘土，第⑤3-1层灰色粉质粘土，第⑤3-2层灰色砂质粉土，第⑤4层灰绿～灰黄色粉质粘土，第⑦1层草黄～灰黄色砂质粉土，第⑦2层灰黄～灰色粉砂。典型工程地质剖面图见图5所示。各土层物理力学性质参数见表1所示。

图5 典型工程地质剖面图

土层物理力学性质参数表表1

5 计算结果

5.1 本文实用方法

按本文实用方法进行计算，关键点（图6中O点）处地下土层附加应力及压缩量计算结果见表2所示，表2中数据未考虑沉降计算经验系数。

图6 基础底面尺寸

附加应力及压缩量计算结果表2

5.2 按《建筑地基基础设计规范》（GB 50007-2011）相关公式计算

按《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）第5.3节，考虑到室内采用分层压实填土进行换填时，第①1-1层素填土需要挖除,分层压实填土自身压缩量较小，不考虑其自身压缩量，近似的认为覆土荷载直接作用到第①1-2层吹填土层顶。

根据填土厚度换算的基底附加压力近似取为25kPa，按图6所示平面尺寸对关键点O处地基土层进行计算。计算结果见表3所示。

土层自重/附加应力及沉降量表3

6 大面积填土区域中心位置计算结果分析

6.1 土层附加应力

对比表2和表3中O点处土层的附加应力，可以发现两种计算方法计算出的各土层附加应力值比较接近。

从基础底面的25kPa到距离基础底面41.5m深处土层的11kPa，附加应力值随土层的深度衰减较慢，这是大面积荷载作用在软土地基上的一个特点。

如果在图6的O点布置一个独立基础，不考虑其他独立基础的影响，计算结果见表2所示。比较可以发现，单个独立基础下土层附加应力随土层深度衰减很快。

盈建科软件计算独立基础下土层附加应力时，可以考虑基础之间的互相影响，采用应力叠加原理，如图7所示[5]。

图7 盈建科程序应力计算

《建筑地基基础设计规范》（GB 50007-2011）计算土层附加应力主要根据长宽比，深宽比查表计算。独立基础的长宽比、深宽比与整个大面积荷载作用区域的长宽比、深宽比二者数值不同，尤其是深宽比由于独立基础底边宽度远远小于大面积荷载作用面积的平面宽度差别更大。

由于盈建科软件考虑了基础间的相互影响，应力进行了叠加，由表2、表3数据比较可见各土层附加应力在两种计算方法下差别不大，但是其附加应力数值和影响土层深度比，仅在O点布置一个独立基础时有很大程度的增加。

由上述分析可见，单个独立基础基底附加压力随土层深度是逐渐衰减的，而且衰减的速度比较快，影响的土层深度较浅。而在大面积荷载作用下土层的附加应力随土层深度衰减较慢，影响深度变大，所以深部土层的压缩量变大，深层有软土时压缩量更大。

6.2 土层压缩量

比较表2和表3可以发现，采用本文实用计算方法与采用《建筑地基基础设计规范》（GB 50007-2011）相关公式计算，O点下各土层压缩量差别不大。对比本文实用计算方法与O点仅设置单个独立基础时的土层压缩量（见表2）可以发现，大面积覆土荷载作用区域内各个独立基础联合作用下的地基压缩情况与仅有单个独立基础时的地基土层压缩情况发生了本质的改变。采用本文的实用方法计算的土层压缩量考虑了平面区域内布置的各个独立基础的相互影响和采用了合理的压缩层计算深度，并且在关键点处各土层变形计算值与采用《建筑地基基础设计规范》（GB 50007-2011）相关公式计算值一致。

结合图4所示，本文实例地坪做法如采用房心土素土回填时，虽然要求回填土分层夯实，压实系数不小于0.94，但这种做法仅是在地表形成一个表层硬壳，这个硬壳的本身压缩不大。根据前文分析，外加大面积压实填土产生的附加荷载对地层的附加应力随土层深度衰减较慢，也就是在很深的压缩土层都有较大的附加应力，地下土层又分布有较多的软弱土层，其深层土压缩量加大。较大的影响深度，较大的附加应力，较小的土层压缩模量，必将导致较大的沉降。本文实例如采用房心土压实回填做法，将由于沉降较大造成一定的隐患，故实际地坪设计采用了其他方法。

6.3 沉降计算经验系数

根据《建筑地基基础设计规范》（GB 50007-2011）沉降计算经验系数主要和基础底面尺寸、基底附加压力、地基压缩层压缩模量及压缩土层的分布有关，离散成的独立基础其底面尺寸与大面积荷载有较大差异，为此我们确定沉降计算经验系数时，按大面积荷载的作用平面尺寸来确定。图8所示沉降量为考虑沉降计算经验系数1.1后的结果。