引用本文
商卫东, 杨光昌, 白冰, 聂庆科. 考虑多栋相邻高层建筑同时施工的桩筏基础-地基相互作用分析[J]. 北京交通大学学报, 2017,41(1): 34-40.
SHANG Weidong, YANG Guangchang, BAI Bing, NIE Qingke. Analysis of interaction between pile-raft foundation and soil considering adjacent high-rise buildings simultaneous construction[J]. JOURNAL OF BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY, 2017,41(1): 34-40.
Doi:10.11860/j.issn.1673-0291.2017.01.006  
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考虑多栋相邻高层建筑同时施工的桩筏基础-地基相互作用分析
商卫东1, 杨光昌2, 白冰2, 聂庆科1
1.河北建设勘察研究院有限公司,石家庄 050031
2. 北京交通大学 土木建筑工程学院,北京 100044
通讯作者:白冰(1966— ),男,内蒙古包头人,教授,博士生导师.email: baibing66@263.net

第一作者:商卫东(1972—)男,河北石家庄人,教授级高工.研究方向为岩土工程设计、施工与理论分析研究.email:hbjkswd@163.com

收稿日期: 2015-12-30
基金: 国家重点基础研究发展计划(973计划)(2015CB057800)
摘要

结合实际工程,采用FLAC-3D三维数值模拟方法,通过对比单栋高层建筑与其所在的高层建筑群体两种模型的计算结果,分析了多栋相邻高层建筑同时施工对上部结构-地基-基础共同作用产生的影响,包括桩筏基础和地基的变形及受力特性.结果表明:考虑共同作用时,多栋相邻建筑同时施工,会使地基产生附加应力的叠加并向周围扩散;最大沉降区域发生偏移,差异沉降加大;筏板的压应力减小,拉应力增大;桩轴力明显增大,尤其是桩顶轴力.邻近建筑荷载同时施工对共同作用产生的影响在施工中期比在施工完成时表现更为明显.

关键词: 桩筏基础; 共同作用; 相邻高层建筑; 同时施工; 数值计算
中图分类号:TU473;TU442 文献标志码:A
Analysis of interaction between pile-raft foundation and soil considering adjacent high-rise buildings simultaneous construction
SHANG Weidong1, YANG Guangchang2, BAI Bing2, NIE Qingke1
1. Hebei Research Institute of Construction and Geotechnical Investigation Co., Ltd., Shijiazhuang 050031, China
2. School of Civil and Architecture Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China
Fund:National Basic Research Program of China (973 Program)(2015CB057800)
Abstract

By comparing the numerical calculation results of two models, single high-rise building and its high-rise buildings system, the effect on super structure-foundation-soil interaction of adjacent high-rise buildings simultaneous construction is analyzed based on a large number of the measured data of field research using FLAC-3D, including the deformation and mechanical characteristics of pile-raft foundation and soil.The results show that when considering the interaction, adjacent high-rise buildings constructed simultaneously will cause the additional stress superposition and spreading around; the maximum settlement areas occurs an offset and the differential settlementis increased; the raft compressive stress is decreased, while the tensile stress is increased; the pile axial force is increased obviously, especially the pile-top axial force. The effect of adjacent high-rise buildings simultaneous construction in medium-term construction is more obvious.

Keyword: pile-raft foundation; interaction; adjacent high-rise buildings; simultaneous construction; numerical calculation

随着社会和经济的发展, 城市用地越来越少, 为充分利用空间, 高层或超高层建筑大量兴起.在这种高层建筑中, 上部荷载较大, 为满足承载力和变形要求多采用桩筏基础[1], 其施工工艺简单成熟并能充分利用空间.建筑物进行结构设计或分析时, 一般将上部结构、地基、基础三者分开独立进行分析, 但这样忽视了三者在接触部位的协调变形, 使力学分析产生较大的偏差.合理的方法是将三者作为一个整体, 对其共同作用进行分析.关于这类问题的研究, 很多学者结合工程实践做了相当多的工作, 并得到了丰富的研究成果[2, 3, 4, 5], 但大多数的研究主要针对单栋高层建筑[6, 7], 对于高层建筑群体的研究涉及较少.高层建筑物之间的间距一般较小, 相邻高层建筑同时施工时会对各建筑产生一定的影响[8, 9].本文作者结合邯郸金世纪新城工程实例, 采用FLAC-3D数值模拟方法, 通过对比单栋高层建筑与其所在的高层建筑群体(同时施工)二者的计算差异来分析多栋相邻高层建筑同时施工对上部结构-地基-基础共同作用造成的影响.

1 上部结构-桩筏基础-地基计算模型
1.1 工程概况

建(构)筑物包括:高层住宅楼, 大面积地下车库, 沿街商业等.高层住宅楼共10栋, 地上34层, 采用框架-剪力墙结构, 基础为桩筏基础, 基础埋深为15 m; 沿街商业为地上2层, 幼儿园为地上3层, 框架结构, 筏板基础, 基础埋深为15 m; 地下车库分布于整个场区内, 地下3层, 筏板基础, 埋深为15 m; 所有建筑物都含有3层地下室.以其中的10号楼(带有裙房)作为高层建筑共同作用的分析对象, 主要分析相邻建筑同时修建与单独修建两种情形所产生的不同影响.土层的物理力学指标见表1, 其中:φ 为内摩擦角; C为黏聚力; ν 为泊松比; E为弹性模量.

表1 土层的物理力学指标 Tab.1 Physical and mechanical index of foundation soil
1.2 计算模型

地基土的长、宽取相应方向基坑尺寸的2.5倍, 深度方向取桩长的2.5倍来建立模型, 采用材料属性为摩尔-库伦弹塑性模型的实体单元表示, 并用六面体单元进行网格划分.采用材料属性为Elastic各项同性弹性模型的实体单元表示筏板, 用Pile单元模拟桩.上部结构的梁和柱用梁单元(Beam单元), 楼板用壳单元(Shell单元)来表示, 材料属性都采用理想的各向同性线弹性.各梁、柱节点之间及柱底端与筏板基础之间的连接均为刚性连接.模型计算所需的参数如下, 柱和梁的尺寸分别为0.6× 0.6 m、0.5× 0.5 m, 楼板厚0.2 m, 筏板厚1.0~1.5 m不等; 桩为混凝土灌注桩, 直径0.8 m, 轴惯性矩Ix=Iy=0.02 m4, 桩单元切向耦合弹簧单位刚度为1.3× 1011N/m2, 单位内聚力为3× 104 N/m, 摩擦角为30° , 切向耦合弹簧单位刚度为1.3× 1011N/m2, 单位内聚力为3× 104 N/m, 摩擦角为0; 以上构件材料均为C30标号混凝土, 重度25 kN/m3, 弹性模量32.5 GPa, 泊松比为0.2.

图1为高层建筑10号楼计算模型, 总单元数266 000, 节点数279 299, 结构单元数12 272.图2为高层建筑群体计算模型, 总单元数405 768, 节点数424 558, 结构单元数88 686, 标有箭头的为所分析的高层10号楼所在位置.图3为两计算模型的桩筏基础模型, 高层建筑群体中10号楼的基础用方框标出.结合实际工况, 为模拟半无限空间体, 对各边界进行位移约束, 上表面为自由边界, 其余各面均约束法向位移, 底面采用固定支座的边界类型, 四面均采用可动滚轴支座的边界类型.本文中, 模型1规定为图1所示的模型, 模型2规定为图2所示的模型.

图1 10号楼模型Fig.1 Single high-rise building model

图2 高层建筑群体模型Fig.2 High-rise buildings system model

图3 桩筏基础模型Fig.3 Pile raft foundation model

1.3 计算过程

模型计算结合实际的施工工况, 并在相应的工况结束后进行一次计算, 具体计算过程如下:1)初始平衡.求得在自重应力作用下, 地基土的初始地应力场.2)基坑开挖.进行一次性开挖, 即开挖15 m, 对各基坑壁进行水平位移约束, 计算求得基坑开挖后的地层位移场和应力场.3)施做桩筏基础.4)施做上部结构, 建立一半时进行一次计算, 修建完成时再进行一次计算.

本文作者主要分析模型1和模型2在上部结构建立一半和建完时, 附加应力的变化、桩筏基础的变形及受力特性.模型1建立一半规定为10号楼施工到20层, 模型2建立一半规定为1~10号楼全部施工到20层.建立完成则为全部施工完毕.

2 计算结果分析
2.1 附加应力分布

附加应力是指建筑物作为外荷载在地基土中产生的额外应力, 通常采用Boussinesq理论公式计算, 它是沉降产生的直接原因.邻近建筑同时施工时, 各建筑荷载产生的附加应力扩散、叠加将会使地基土产生不均匀沉降, 控制不好将会产生倾斜.图4为计算模型的X、Y方向截面示意图, 本文作者通过分析X方向截面上的附加应力等值线云图来分析邻近建筑施工引起的附加应力变化.

图4 截面示意图Fig.4 Section diagram

基坑开挖会导致地基土的应力场重新分布, 计算完成后将建立新的平衡状态.上部结构的施工使荷重越来越大, 其引起的应力附加于原有应力之上, 使应力场又一次重新分布, 当施工结束后才能达到稳定状态.

修建一半和修建完成的X方向截面的附加应力云图分别见图5和图6.通过附加应力云图可以看出, 筏板底面以下附加应力较大, 主要因为筏板底面与地基土接触产生一定的接触压力, 这部分压力即为地基土的附加应力.桩间土中的应力较小, 附加应力主要由桩侧摩阻力产生, 并与筏板传递下来的应力相互叠加.桩端以下的部分, 上部结构及基础的荷重通过桩传递至桩底以下土层, 属于高应力区, 其分布示意图如图7.

图5 修建一半, X方向截面的附加应力云图Fig.5 Additional stress nephogram in X direction when half finished

图6 修建完成, X方向截面的附加应力云图Fig.6 Additional stress nephogram in X direction when finished

图7 附加应力扩散示意图Fig.7 Additional stress diffusion

对比两种模型计算结果可知, 模型2附加应力分布扩大, 且附加应力值也略有增大, Y截面表现更加明显.这说明邻近建筑物同时施工会对建筑物地基产生附加应力的叠加并使其向周围扩散.

2.2 地基土及基础沉降

2.2.1 筏板沉降分布

修建一半和修建完成的筏板沉降变形如图8和图9所示.模型1中, 筏板的沉降分布为中间大, 四周小, 若无裙房的影响, 最大沉降将位于中心点, 远离中心点沉降变小, 并关于中心点对称分布.最大的沉降点位于在筏板中间稍偏向裙房的位置, 最小沉

图8 修建一半, 筏板沉降变形图Fig.8 Raft settlement deformation when half finished

图9 修建完成, 筏板沉降变形图Fig.9 Raft settlement deformation when finished

降位于背离裙房方向筏板的两个角上, 当上部结构修建结束时这种现象更为明显.模型2中, 沉降分布不再是“ 盆形分布” , 最大沉降产生偏移, 建立一半时较建立完成时更为明显, 建立完成时偏移减小.这说明由于邻近建筑的施工, 使建筑最大沉降发生偏移, 导致差异沉降的出现, 将导致发生倾斜.

筏板沉降量如表2所示, 建立一半时, 模型1最大差异沉降为7.8 mm, 模型2为8.8 mm, 且模型2最大、最小和平均沉降值都大于模型1.建立完成时, 模型1的最大差异沉降为14.1 mm, 模型2为15.3 mm, 二者的最大、最小和平均沉降值相差不大.可以看出, 邻近建筑施工使建筑差异沉降和总体沉降都增大, 施工前期的影响更为明显.

表2 筏板沉降量 Tab.2 Raft settlementmm

2.2.2 地基土沉降分析

采用上文附加应力分析中X方向截面上沉降等值线图分析建筑荷载引起的地基土的沉降分布.

根据图10和图11的地基土沉降等值线图可以看出地基土从模型计算的最底端到桩底端处的压缩量约占总压缩量的95%, 其中桩底端附近的土层压缩量约占到总压缩量的50%左右, 桩间土的压缩量很小, 地基土的压缩主要发生在桩底端处.

图10 修建一半, X截面地基土沉降等值线图Fig.10 Settlement isoline map of foundation soil in X direction when half finished

图11 修建完成, X截面地基土沉降等值线图Fig.11 Settlement isoline map of foundation soil in X direction when finished

当建立一半时, 桩端处沉降模型2明显大于模型1, 约有9 mm, 总体沉降量亦如此.当建立完毕时, 两模型地基土沉降等值线图变化相似, 沉降值也相差不大.由于相邻建筑同时施工, 模型2的沉降范围更广一些, 引起周边地基土的沉降更大, 对应了上文中附加应力的叠加扩散.同时也可以看出施工一半时, 相邻建筑荷载对建筑物沉降影响十分明显, 当施工结束时, 沉降主要受建筑物本身荷载的影响, 邻近建筑荷载影响相对较小.

2.3 筏板受力

上部结构的荷重通过柱作用到筏板上, 并且筏板的下部与桩和地基土产生接触压力, 所以柱和桩的位置分布对筏板受力影响较大, 并在接触处易产生应力集中的现象.筏板的刚度也会对其内部的应力状态产生很大的影响.表3给出了邻近建筑荷载对筏板应力变化造成的影响.

表3 筏板主应力 Tab.3 Principal stress of raft board kPa

筏板采用C30混凝土, 根据规范可知其轴心抗拉强度的设计值为1.43 MPa, 因此筏板受力均在安全范围内.从表3可以看出, 当10号楼建立一半和建立完毕时, 模型1筏板的压应力大于模型2, 而拉应力小于模型2, 这说明邻近建筑荷载减小了筏板的压应力, 增大了筏板的拉应力.随着上部结构施工的进行, 荷重增加, 拉、压应力值都增大, 应力集中现象更为明显.

2.4 桩受力

图12给出各桩轴力值的分布情况(线条粗代表轴力值大), 轴力最大值位置为图12中所标记的角桩, 最小值位于图中所标记的中心桩, 桩轴力值所呈现的规律为角桩> 边桩> 中心桩.可见桩轴力值最大的地方位于外围桩中, 工程实践中这些桩需做适当的加固.

图12 桩轴力Fig.12 Pile axial force

从表4中可以看出, 模型2桩轴力平均值、最大值及最小值都远大于模型1.建立一半时, 模型2桩顶轴力平均值为模型1的1.7倍, 建立完成时为其1.5倍.模型1建立一半和完毕时, 桩顶轴力最大值与平均值比值分别为2.3和2.1, 最小值与平均值比值分别为0.54和0.58.模型2建立一半和完毕时, 桩顶轴力最大值与平均值比值分别为2.4和2.2, 最小值与平均值比值分别为0.43和0.48.可见邻近建筑荷载施工对桩顶轴力影响极大, 使其最大、最小和平均值都大大增加, 而且使各桩顶轴力的分布更加不均匀, 施工前期的影响更为明显.

表4 桩顶轴力 Tab.4 Pile-topaxial forcekN

桩结构单元除了有梁单元的特性外, 还提供了与网格的法线、剪切方向所发生的交互摩擦作用, 具有剪切和法向耦合弹簧特性.桩和网格接触面的剪切和法向特性就是自然的黏结特性和摩擦作用.桩底端节点的连接提供一般的桩与网格的交互作用, 并不包含承载效果, 所以要删除这个连接, 并用轴向包含法向屈服弹簧的新连接取代.

根据桩身轴力分布图13和图14可以看出, 边桩和角桩在建立一半和建立完成时, 桩轴力变化相似, 都是从桩顶到桩端, 轴力值逐渐变小, 并且模型2桩轴力值大于模型1, 建立完毕时比在建立一半时两模型的桩轴力差值减小, 这说明角桩侧阻力开始起承载作用的时间先于边桩和中心桩.在桩端处两模型桩轴力值相等, 说明端阻力都已达到极限值.中心桩在建立一半时, 模型1桩端阻力还未达到极限, 而模型2已达到极限值, 当建立完毕时二者桩端阻力相等都达到极限值.可见在群桩基础中, 不同部位桩的受力不同, 并且随着荷重的变化发生改变.当荷重较小时, 桩端阻力其主要承载作用, 荷重继续增大, 桩侧摩阻力开始起承载作用.整个施工过程中, 中心桩的承载作用以桩端阻力为主.

图13 修建一半, 桩身轴力分布Fig.13 Distribution of axial stress of piles when half finished

图14 修建完成时, 桩身轴力分布
桩轴力/MNFig.14 Distribution of axial stress of piles when finished

3 结论

1)桩筏基础筏板底面以下附加应力主要由基底压力产生, 桩底以下土层附加应力主要由桩端摩阻力产生, 并从桩端处向下扩散.相邻建筑同时施工将会引起地基土产生附加应力的叠加并向四周扩散.

2)桩筏基础地基土的压缩主要发生在桩底端附近土层, 桩间土压缩量很小.相邻建筑荷载同时施工使最大沉降区域发生偏移, 并加大了差异沉降.

3)相邻建筑荷载同时施工将会使筏板的压应力减小, 拉应力增大, 并且使桩的轴力值增大, 桩顶轴力的表现更为明显.施工过程中, 角桩侧阻力起承载作用的时间先于边桩和中心桩, 中心桩的承载作用一直以桩端阻力为主.

4)相邻建筑荷载同时施工对上部结构-地基-基础共同作用产生的影响在施工中期比在施工完成时表现更为明显.

The authors have declared that no competing interests exist.

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