潘黎芳，孫政波，劉興旺

（1.浙江理工大學(xué)，浙江 杭州 310018；2.浙江省建筑設(shè)計研究院，浙江 杭州 310006）

0 引言

在地勢低洼的場地進行工程建設(shè)時常常需要大面積填土，對樁基礎(chǔ)建筑而言，柱、墻等主體結(jié)構(gòu)下部往往設(shè)置樁基礎(chǔ)而沉降較小，但室內(nèi)地坪一般均采用新填土地基的剛性地坪，填土較厚時，沉降較大，在靠近柱、墻部位的地坪受樁基礎(chǔ)影響沉降較小。因此，室內(nèi)地坪常常存在明顯的不均勻下陷，從而影響建筑物內(nèi)精密設(shè)備等的正常使用。

軟土地基沉降控制措施很多，處理方法需結(jié)合地基特性、差異沉降控制標準等因素確定。目前常采用真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓等方法來控制工后沉降，但是工期較長；大面積換填雖然可以有效減小場地沉降，但是對填土要求較高且不夠經(jīng)濟。在高填方路堤沉降控制中，樁承式路基利用土拱效應(yīng)，有效控制了路堤表面的不均勻沉降，在國內(nèi)外有了成功的應(yīng)用[1-2]。對于廠房等建筑物的沉降控制，目前尚無有效的不均勻沉降控制措施。

本文借鑒高填方路基控制道路差異沉降的思路，結(jié)合廠房等建筑物回填及荷載作用與高填方路基的差別，提出了一種利用異形混凝土構(gòu)件來控制場地不均勻沉降的措施。采用PLAXIS建立異形構(gòu)件土拱效應(yīng)的數(shù)值模型，驗證了處理措施的可行性，同時探討了填土高度、構(gòu)件凈距、荷載水平、水平加筋體等因素對構(gòu)件控制不均勻沉降效果的影響，提出了針對構(gòu)件布置的設(shè)計指導(dǎo)意見。

1 差異沉降控制措施

利用異形混凝土構(gòu)件來控制場地不均勻沉降的措施，主要是通過在樁基礎(chǔ)附近設(shè)置一剛性異形混凝土構(gòu)件，該構(gòu)件與樁基礎(chǔ)完全脫開，二者可以自由沉降。其控制差異沉降的原理是：在填土自重及室內(nèi)地坪的荷載作用下，由于構(gòu)件的剛度遠大于場地填土，因此構(gòu)件與填土之間發(fā)生相對位移，該相對位移引起的剪應(yīng)力會將中間填土區(qū)域（圖1中的②）的部分豎向荷載轉(zhuǎn)移到構(gòu)件區(qū)域（圖1中的①），從而減小場地的不均勻沉降，這就是異形構(gòu)件的土拱效應(yīng)[3-5]。通過荷載分析、承載力和沉降計算等，可以確定構(gòu)件的尺寸、配筋等參數(shù)。

圖1 異形構(gòu)件控制填土場地地坪不均勻沉降Fig.1 Control of differential settlement of filled ground with special-shaped structure

2 數(shù)值模擬

在上述處理思路下，本文利用有限元分析軟件PLAXIS進行了數(shù)值模擬，分析了填土高度、構(gòu)件凈距、水平加筋體、荷載水平等因素對地坪處差異沉降、構(gòu)件-土應(yīng)力比的影響。

2.1 計算模型

對典型工況進行構(gòu)件減沉效果驗證分析，取廠房跨度為9.0 m，填土厚度為1.5 m，構(gòu)件凈距為0.8 m，地表豎向荷載為20 kPa。為了方便模擬，場地土層簡化為3層，從上到下分別為填土、粉質(zhì)黏土和砂土。有限元計算模型如圖2所示，其中計算深度取為10 m，計算寬度取為20 m，以消除邊界條件的影響。模型底部（Z=0）處X、Y方向均被約束，在模型左右邊界處（X=0、X=20）處，X方向變形被約束。通過激活和凍結(jié)土體單元和荷載來控制場地回填及荷載的施加。

圖2 有限元分析模型Fig.2 Model of finite element analysis

有限元分析結(jié)果的可靠性取決于所用計算模型是否準確反映原型的真實情況，例如材料本構(gòu)的選取，邊界條件的模擬，荷載施加的順序等。承臺、樁基和異形混凝土構(gòu)件采用線彈性模型，混凝土彈性模量E=30 GPa，泊松比=0.2。土單元采用小應(yīng)變硬化模型，相比線彈性模型，其屈服空間隨著塑性應(yīng)變的發(fā)展而擴張。網(wǎng)格密度選擇中等，采用15節(jié)點的三角形單元進行有限元網(wǎng)格劃分。模型中土體的參數(shù)具體見表1。

表1 模型中土體計算參數(shù)Table 1 Soil parametersin the model

2.2 減沉效果驗證

圖3給出了未處理場地和異形構(gòu)件處理場地在填土自重和荷載作用下的地表沉降變化，采用最大沉降與最小沉降之差表示地表差異沉降。由圖可知，在填土自重作用下，未處理場地的差異沉降為33.5 mm，當采用減沉處理后，場地差異沉降減小到20.8 mm，即異形構(gòu)件的存在使差異沉降減小了38%；同樣，在地面荷載作用下，未處理場地的差異沉降約為56.3 mm，當采用減沉處理后，地表差異沉降減小為41.8 mm，減小比例為26%。特別是在采用異形構(gòu)件處理后，構(gòu)件位置處整體沉降較未處理前有明顯增大（8 mm），這也證明了土拱效應(yīng)的存在導(dǎo)致混凝土構(gòu)件分擔了部分豎向荷載。

圖3 異形構(gòu)件處理前后地表沉降對比Fig.3 Comparison of surface settlementsbefore and after treatment with special-shaped structure

由于異形混凝土構(gòu)件減沉機理是利用土拱效應(yīng)，而土拱效應(yīng)本質(zhì)上源自于土體的應(yīng)力重分布。因此，場地內(nèi)土體豎向應(yīng)力分布是土拱效應(yīng)最直接的表現(xiàn)。分析減沉處理前后場地在地面荷載作用下土體豎向應(yīng)力云圖可知，在填土自重和荷載作用下，異形混凝土構(gòu)件處與周邊土體存在相對位移，因此而產(chǎn)生的剪應(yīng)力導(dǎo)致了荷載轉(zhuǎn)移，一部分荷載轉(zhuǎn)移到了同深度的構(gòu)件上，使得同一深度處的構(gòu)件所受的豎向應(yīng)力大于周邊土體所受的豎向應(yīng)力，即表現(xiàn)為土拱效應(yīng)。由于構(gòu)件的存在導(dǎo)致土體豎向應(yīng)力的減小和構(gòu)件處豎向應(yīng)力的增加，因此確保了差異沉降的減小。

為了定量評價土拱效應(yīng)的發(fā)揮程度，將減沉處理前后土體中（構(gòu)件埋深處）的豎向土壓力之比定義為土拱效應(yīng)系數(shù)η：

式中：P處理為異形構(gòu)件處理后構(gòu)件埋深處的豎向土壓力；P未處理為未處理場地構(gòu)件埋深處的豎向土壓力。當η=1.0時，無土拱效應(yīng)，當η=0時，土拱效應(yīng)全部發(fā)揮。本次分析中，在填土自重作用下土拱效應(yīng)系數(shù)η為0.79，豎向荷載施加后土拱效應(yīng)系數(shù)略有增加，為0.76，即構(gòu)件的存在導(dǎo)致土體中豎向應(yīng)力減小20%～25%。

3 參數(shù)分析

為了更好地發(fā)揮異形混凝土構(gòu)件的土拱效應(yīng)，最大程度地減小地表差異沉降，分析了填土厚度、構(gòu)件凈距、荷載水平、加筋體強度對土拱效應(yīng)發(fā)揮的影響。通過參數(shù)分析，提出異形構(gòu)件布置的優(yōu)化建議。

3.1 填土厚度

圖4給出了不同填土厚度場地中異形構(gòu)件（凈距D=1.0 m）的減沉效果。

圖4 填土厚度對構(gòu)件減沉作用的影響Fig.4 The influenceof the thickness of the filled earth on settlementsreduction

由圖4可知，隨著填土厚度的增加，異形混凝土構(gòu)件減小差異沉降的效果逐漸增大。對于填土厚度較?。?.5～1.0 m）的場地，構(gòu)件的存在可減小20%的地表差異沉降，即貢獻較??；對于填土厚度超1.5 m的場地，構(gòu)件的減沉作用較為明顯，特別當填土厚度達到4.0 m時，異形混凝土構(gòu)件可使差異沉降減小約45%左右。

3.2 構(gòu)件凈距

同一填土高度下，不同凈距對異形構(gòu)件減沉效果的影響如圖5所示。由圖可知，減沉效果隨著構(gòu)件凈距的增加而明顯降低。對于填土厚度為2.0 m的場地，當布置的構(gòu)件凈距大于4.0 m時，構(gòu)件僅僅能降低場地15%的差異沉降，當減小構(gòu)件凈距到1.5 m以內(nèi)時，場地的差異沉降減小25%以上。

圖5 構(gòu)件凈距對構(gòu)件減沉作用的影響Fig.5 The influenceof component distance on settlements reduction

3.3 荷載水平

場地不同荷載水平對構(gòu)件的減沉效果分析結(jié)果如圖6所示。計算時，取填土厚度為2.0 m，構(gòu)件凈距1.0 m?？梢园l(fā)現(xiàn)，雖然不同荷載水平作用下地表沉降量大小不同，引起的構(gòu)件-土相對位移量大小也不同，但是場地差異沉降的減小比例基本一樣。因此，異形構(gòu)件減沉效果能有效適用于不同荷載水平場地。

圖6 荷載水平對構(gòu)件減沉作用的影響Fig.6 The influence of live load on settlements reduction

3.4 水平加筋體

為了考察水平加筋體對土工效應(yīng)發(fā)揮的影響，本文在異形構(gòu)件表面以上50 mm處布置了水平加筋體。水平加筋體只有抗拉強度而無抗彎、抗剪強度，其豎向變形與土體協(xié)調(diào)。圖7給出了布置不同抗拉強度水平加筋體時構(gòu)件的減沉效果。水平加筋體的提兜作用雖然能減小地表的整體沉降，但是對控制差異沉降的作用有限，該分析結(jié)論也與室內(nèi)試驗結(jié)果一致[6-7]。

圖7 水平加筋體強度對構(gòu)件減沉作用的影響Fig.7 The influenceof horizontal reinforcement on settlementsreduction

4 構(gòu)件優(yōu)化布置建議

根據(jù)上述參數(shù)分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，構(gòu)件的減沉效果發(fā)揮主要影響因素是場地的填土厚度和構(gòu)件凈距。以填土厚度與構(gòu)件凈距之比H/D作為分析指標，分析構(gòu)件減沉效果。圖8給出了差異沉降減小比例隨H/D的變化規(guī)律。

圖8 構(gòu)件H/D對構(gòu)件減沉作用的影響Fig.8 The influence of H/D on settlementsreduction

由圖8可見，隨著H/D的增大，差異沉降減小比例顯著增加。當構(gòu)件H/D值小于1.0時，異形構(gòu)件的存在僅可減少10%～20%的差異沉降；當H/D值達到1.5以上時，場地的差異沉降會顯著降低30%以上。因此，以減小差異沉降30%為基本目標，當采用布置異形混凝土構(gòu)件來減小場地不均勻沉降時，對于不同填土厚度的場地，建議構(gòu)件的凈距H/D值大于1.5。

當廠房跨度較大或填土厚度較小，為確保填土厚度與構(gòu)件凈距之比大于1.5，可能會導(dǎo)致構(gòu)件凈距過小，而構(gòu)件長度較大，方案經(jīng)濟性不足。對于此類情況，可采用如圖9所示的異形構(gòu)件“間隔布置”的方案來同時確保減沉效果和經(jīng)濟性?？缍?8 m、填土厚度1.5 m、構(gòu)件凈距1.0 m時2種方案的地表差異沉降基本相同（圖10）。

圖9 構(gòu)件間隔布置示意圖Fig.9 Schematic diagram of interval arrangement of components

圖10 構(gòu)件間隔布置對減沉作用的影響Fig.10 The influence of interval arrangement of componentson settlements reduction

5 結(jié)語

本文提出了利用異形混凝土構(gòu)件來控制場地不均勻沉降的措施，該方法利用構(gòu)件的土拱效應(yīng)，將一部分填土自重及豎向荷載分擔到構(gòu)件上，從而降低填土場地地坪的不均勻沉降。通過PLAXIS有限元數(shù)值模擬驗證了構(gòu)件的減沉效果，通過參數(shù)分析確定了主要影響因素，給出了對構(gòu)件布置的優(yōu)化建議。主要結(jié)論有：

1）借助PLAXIS建立相關(guān)的數(shù)值分析模型，采用合理的本構(gòu)模型、邊界條件和施工順序，可以準確地模擬異形混凝土構(gòu)件的減沉作用。證明了模型的正確合理性。

2）填土厚度、構(gòu)件凈距是影響構(gòu)件減沉效果的主要因素，而水平加筋體強度、荷載水平等對其影響效果不大。異形構(gòu)件的減沉效果可適用于不同荷載水平場地。

3）將場地填土厚度與構(gòu)件凈距之比H/D作為指標，建議構(gòu)件的凈距H/D值大于1.5。當廠房跨度較大時，可采用間隔布置的方式來同時確保減沉效果和經(jīng)濟性。

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