基于正交试验的高层建筑变形影响因素分析

门懋进

（山东科技大学安全与环境工程学院，山东 青岛 266590）

近年来，随着经济高速发展，国家对于煤炭资源的需求仍居高不下，而除建构筑物下、水体下以及铁路公路下覆压煤炭资源还未开采外，其他赋存及开采条件较好的煤炭资源所剩无几[1]。

覆压煤炭资源的开采会导致上部建筑的变形，为此，针对采动作用下桩筏基础对高层建筑的研究变得十分重要。王伟、陈停伟[2]等研究了煤矿采空区上建筑筏板基础的结构类型，提出了一种新型抗变形筏板基础；刘尊平、王浩[3]针对超高层建筑抗震设计要求，借助FLAC3D数值模拟软件计算了地震工况下基础的变形；谭树增、胡荣华[4]针对浅部采空区上拟建的高层建筑，研究了其地基稳定性，并对采空区是否活化进行定量分析；赵宇[5]针对老采空区上部大型建筑筏板基础进行内力与变形分析，研究了不同板厚、地表曲率、柱距对筏板的影响；葛鑫[6]对桩筏基础厚度进行优化分析，提出基于桩筏相对刚度的筏板厚度确定方法；蒋云斌[7]考虑上部结构、基础以及地基共同作用，研究了基础筏板厚度、基础强度以及基础筏板悬挑长度对基础的影响；Ilizar Mirsayapov[8]采用不同计算模型对高层建筑地基沉降进行了数值研究，建立了三轴压缩条件下的地应力-应变状态解析图，通过预计发现与监测数据吻合度高；Kim, Hyunwoo[9]介绍了超高层建筑基础设计特点，列举了韩国高层建筑的基础类型以及世界建筑的桩筏基础。

基于国内外学者对高层建筑桩筏组合基础的研究，其中分析高层建筑桩基对建筑的影响有桩基筏板厚度、基础强度、桩数量、桩长以及地基土强度等因素。本文基于国内外学者研究的基础上，采用正交试验方法，借助FLAC3D数值模拟软件，分析桩筏组合基础自身基筏板厚度、桩数量、桩长以及基础强度对上部建筑的影响以及对影响因素进行重要度判断，从而为后续煤矿开采地表高层建筑修建以及预防提供借鉴。正交试验是可以利用少量有代表的试验来反映整体的方法，而且正交试验大大减少了试验次数，降低了工作难度，通过极差分析以及方差分析确定影响因素中主次关系以及最优组合[10]。

1 工程地质概况

所研究高层建筑位于济宁某矿区采掘范围内，与工作面距离200 m 的高层住宅建筑。该建筑地上17 层，地下一层储藏室，首层高度为4 m，其余楼层高度为3 m，建筑总高度55 m。基础采用桩筏组合基础，筏板尺寸：44 m×14 m×1.5 m，上部结构为框架-剪切墙。标准层结构平面布置如图1。

图1 标准层结构平面布置图（mm）

2 正交数值模拟试验

2.1 数值模型建立

通过FLAC3D建立概化模型，地层模型尺寸为800 m×600 m×210 m，地层及其物理力学参数见表1，在模拟过程中不考虑构造应力对岩层的影响。地下岩层以及地基土层采用弹塑性Mohr-Coulomb模型，高层建筑采用弹性Elasticity 模型[11]。数值模拟计算模型如图2。

图2 数值模拟方案图

表1 地层物理力学参数

2.2 试验设计

为研究采动作用下桩筏组合基础中筏板厚度、桩数量、桩长度以及基础强度对高层建筑的影响程度，针对4 个影响因素，每个因素取4 水平，试验因素以及水平取值见表2，假设各影响因素之间互不交互，建立L16（44）=16 的正交试验，见表3。

表2 试验因素及水平

表3 正交试验方案及模拟结果

3 正交试验结果分析

根据正交试验方案，采用数值模拟软件进行分析，通过记录判定指标，即高层建筑下沉值以及倾斜值进行分析，分析方法选用极差分析以及方差分析。模拟结果见表3。

3.1 极差分析

极差分析是判断影响因素对指标影响程度大小的一种方法[12]。表4 即为影响因素极差分析。通过综合分析各影响因素对高层建筑变形（下沉值、倾斜值）的影响，发现桩数量＞基础强度＞筏板厚度＞桩长度。为更直观分析各影响因素对高层建筑变形的影响，以各影响因素为横坐标，下沉值、倾斜值为纵坐标，绘制影响因素与高层建筑变形的关系图，如图3 所示。通过图3 可以看出，高层建筑下沉量与各影响因素之间成负相关，但是各影响因素之间斜率不尽相同，桩数量斜率最大，其次为基础强度；建筑的倾斜值与各影响因素之间成负相关，且从倾斜程度也能看出桩数量以及基础强度对高层建筑的影响大。

表4 影响因素极差分析

图3 影响因素与高层建筑变形关系

3.2 方差分析

通过正交试验结果，利用SPSS 将所得结果数据进一步分析，分析结果见表5、表6。从表5 以及表6 结果中可以看出，在影响高层建筑变形因素中，筏板厚度、基础强度以及桩数量对应显著性都小于0.05，为显著性影响因素；而桩长度显著性大于0.05，可以认定桩长度对高层建筑影响不明显。表5 以及表6 中对各因素对高层建筑变形影响程度与极差分析一致，都是桩数量＞基础强度＞筏板厚度＞桩长度。

表5 主体间效应检验（因变量：下沉值）

表6 主体间效应检验（因变量：倾斜值）

4 结论

基于FLAC3D数值模拟软件对正交试验进行模拟，并对结果进行极差分析以及方差分析，可以得到以下结论：

（1）各影响因素对高层建筑变形影响程度划分大小为：桩数量＞基础强度＞筏板厚度＞桩长度。

（2）通过分析各影响因素，根据主体间效应检验：桩数量、基础强度、筏板厚度为显著性影响因素，桩长度显著性不明显。