高层筏板基础持力层软硬不均匀沉降的解决方案

叶润庆

（广东弘业建筑设计有限公司 广州 510030）

1 项目背景

1.1 工程背景

广东佛山某高层住宅楼东西向长35.3 m，南北向宽22.35 m，为2 梯4 户住宅塔楼。工程地上32 层，地下1层，筏板基础，基础埋深6.0 m，天然基础持力层为强风化泥质粉砂岩，基础施工开挖及按《岩土工程勘察规范：GB 5021—2001》［1］补勘后发现塔楼左上部分基底持力层为中风化泥质粉砂岩厚夹层，右下角区域为强风化泥质粉砂岩，如图1所示。

1.2 工程难点

为避免筏板基础由于一边落在强风化软地基而另一边为中风化硬地基所产生的不均匀沉降，拟采用方案为在靠中风化一侧沿基础筏板边布置孔径200 mm钻孔，中心距250 m，钻孔穿过中风化层进入下一层强风化岩层1 m，利用钻孔将持力层以下的中风化岩层打断，成孔后采用粗砂填充钻孔。

根据《建筑地基基础设计规范：GB 50007—2011》［2］、《建筑地基基础设计规范：广东省标准DBJ 15-31—2016》［3］及《高层建筑混凝土结构技术规程：JGJ 3—2010》［4］要求，需要对筏板基础进行沉降计算，为模拟10#楼复杂的工程地质条件以及采用钻孔后的效果，使用迈达斯GTSnx 软件进行建模，计算上部结构不均匀沉降。

2 建模计算分析

2.1 定义材料特性

在迈达斯GTSnx 中，岩土材料适用分析一般性弹塑性行为的摩尔-库伦模型，结构材料同时适用不考虑材料非线性的弹性模型。

根据勘测报告，得到简化后的各土层变形模量以及结构构件上使用的材料，如表1所示。

表1 材料特性Tab.1 Material Properties

2.2 建立土层

将地块桩孔柱状图，根据钻孔坐标以及各土层信息，简化制成EXCEL表格，部分钻孔数据如表2所示。

表2 部分钻孔柱状图数据（简化后）Tab.2 Some Data from Drill Log（Simplified）

将土层信息输入迈达斯GTSnx，得到土层界面模型，根据工程实际情况，将土层界面进行分割、简化，得到最后的土层界面模型。如图2所示。

2.3 建立筏板模型

现需要将结构筏板导入并且固定在土体中，步骤为：

⑴从CAD中绘制筏板外轮廓；

⑵将绘制成的筏板外轮廓导入迈达斯GTSnx，并将其移动到土体顶部；

⑶建立筏板面，根据筏板各部分板厚拓展成实体；

⑷将筏板实体与土体进行差集运算，去除重叠部分实体。⑸将所有实体进行重新连接，去除自由面。导入完成的模型如图3所示。

2.4 建立网格

2.4.1 整体划分网格

网格的形状及划分方式在有限元分析上非常重要，主要在基于压缩、剪切变形的发生塑性破坏的岩土的情况下，三维以六面体为中心、二维以矩形为中心生成单元对稳定性分析更有帮助。利用映射网格以及六面体中心的混合自动网格功能生成单元。

本项目模型根据精度要求以及计算机计算能力综合实际考虑，取网格单元尺寸为1 m，将各土体按照不同材料特性来划分网格，并保证节点之间耦合。划分网格之后的土体如图4所示。

2.4.2 生成界面

实际工程中，由于持力层为强风化层，为了达到要求，将位于中风化砂岩之上的筏板周围地基进行钻孔处理，钻孔孔径为200 mm，孔中心距为250 mm。钻孔钻至强风化岩层下1 m，利用钻孔钻除持力层以下的中风化岩层，且钻孔深度不小于1 m，成孔后采用粗砂填充钻孔。

利用迈达斯GTS 中的界面模拟基础筏板西北面中风化土层切断情况。界面的作用是将两侧的中风化土层进行分割切断，使得土层间只保留法向刚度，剪切刚度大幅减弱，由此结构的荷载只会传到下强风化砂岩层。

界面就是模拟岩土之间的分离行为生成的三维界面单元，界面单元在生成的同时立刻在相应位置上自动分离连接的节点，是在其之间按法向和切向生成具有特征刚性单元的概念。生成界面如图5所示。

2.5 生成约束、荷载

2.5.1 整体约束

整体约束是模拟土体环境的一个约束条件，迈达斯假设土体边界所受结构荷载的影响足够小以至可以忽略，以此将周围土体边界的侧向位移，以及底部土体的竖向位移约束为0。

2.5.2 基础边界条件

为了将基础和土体区分开，要设置基础边界条件。

2.5.3 自重

岩土、结构构件上输入的单位重量乘以自动设置的重力加速度后自动计算。输入基于方向的比例因子可以简单设置，重力方向按照默认值。

2.5.4 等效荷载

用盈建科计算得出上部结构荷载，将其简化后等效作用在基础筏板之上。

自重，整体约束、基础边界以及等效荷载的设置如图6所示。

2.6 输出设置

进行原场地分析，先完成土体的自重沉降，并将位移清零，以便接下来计算结构导致的土体沉降。

选择输出应力、位移后，激活所有荷载单元以及边界条件，建立静力分析，并运行。

2.7 计算结果

基础筏板的沉降分布云图如图7 所示，结构中部核心筒部分沉降最大，因为核心筒周围荷载大，荷载分布集中；筏板基础周边沉降值基本一致，说明将基地以下的中风化岩与周边联系切断，可以将结构主要的荷载传导至底部强风化土层，结构地基刚度趋于均匀，有效解决了软硬基础沉降差较大的问题。

3 施工图设计

参考王后举等人［6-10］的研究，结合计算数据对筏板进行结构设计，为解决持力层的差异沉降采取以下3个设计措施，如图8、图9所示。

⑴采用地锚机钻孔切断基底中风化夹层与周边岩体连接。

⑵基底中风化区域增设300 mm 级配砂石垫层，增加该区域压缩沉降，减小与基底强风化岩区域的沉降差。

⑶加大基底强风化区域的筏板外挑，减小基底反力，减少沉降量，加大板厚加强筏板沉降协调能力。

4 沉降观测结果

本项目已于2018年竣工验收，最终沉降观测结果如图10 所示，由结果可知：计算结果与沉降观测结果基本一致，证明了数值分析的正确性，同时说明本项目采用设计方案，可以有效解决软硬基础的不均匀沉降。

5 结论

如何控制沉降差一直是筏板基础设计的关键，沉降的计算的准确性就显得尤为重要。通过迈达斯GTSnx 建模基本可以模拟实体岩土的状态和边界条件，沉降计算结果基本符合实际。对于基底存在中微风化等厚夹层使基底持力层出现半边土半边岩的时候，通过采用地锚机钻孔切断夹层的设计施工方案即经济又高效，能从根本上有效解决沉降差的问题。