异形混凝土构件处理填土场地不均匀沉降的数值模拟

潘黎芳，孙政波，刘兴旺

（1.浙江理工大学，浙江 杭州 310018；2.浙江省建筑设计研究院，浙江 杭州 310006）

0 引言

在地势低洼的场地进行工程建设时常常需要大面积填土，对桩基础建筑而言，柱、墙等主体结构下部往往设置桩基础而沉降较小，但室内地坪一般均采用新填土地基的刚性地坪，填土较厚时，沉降较大，在靠近柱、墙部位的地坪受桩基础影响沉降较小。因此，室内地坪常常存在明显的不均匀下陷，从而影响建筑物内精密设备等的正常使用。

软土地基沉降控制措施很多，处理方法需结合地基特性、差异沉降控制标准等因素确定。目前常采用真空-堆载联合预压等方法来控制工后沉降，但是工期较长；大面积换填虽然可以有效减小场地沉降，但是对填土要求较高且不够经济。在高填方路堤沉降控制中，桩承式路基利用土拱效应，有效控制了路堤表面的不均匀沉降，在国内外有了成功的应用[1-2]。对于厂房等建筑物的沉降控制，目前尚无有效的不均匀沉降控制措施。

本文借鉴高填方路基控制道路差异沉降的思路，结合厂房等建筑物回填及荷载作用与高填方路基的差别，提出了一种利用异形混凝土构件来控制场地不均匀沉降的措施。采用PLAXIS建立异形构件土拱效应的数值模型，验证了处理措施的可行性，同时探讨了填土高度、构件净距、荷载水平、水平加筋体等因素对构件控制不均匀沉降效果的影响，提出了针对构件布置的设计指导意见。

1 差异沉降控制措施

利用异形混凝土构件来控制场地不均匀沉降的措施，主要是通过在桩基础附近设置一刚性异形混凝土构件，该构件与桩基础完全脱开，二者可以自由沉降。其控制差异沉降的原理是：在填土自重及室内地坪的荷载作用下，由于构件的刚度远大于场地填土，因此构件与填土之间发生相对位移，该相对位移引起的剪应力会将中间填土区域（图1中的②）的部分竖向荷载转移到构件区域（图1中的①），从而减小场地的不均匀沉降，这就是异形构件的土拱效应[3-5]。通过荷载分析、承载力和沉降计算等，可以确定构件的尺寸、配筋等参数。

图1 异形构件控制填土场地地坪不均匀沉降Fig.1 Control of differential settlement of filled ground with special-shaped structure

2 数值模拟

在上述处理思路下，本文利用有限元分析软件PLAXIS进行了数值模拟，分析了填土高度、构件净距、水平加筋体、荷载水平等因素对地坪处差异沉降、构件-土应力比的影响。

2.1 计算模型

对典型工况进行构件减沉效果验证分析，取厂房跨度为9.0 m，填土厚度为1.5 m，构件净距为0.8 m，地表竖向荷载为20 kPa。为了方便模拟，场地土层简化为3层，从上到下分别为填土、粉质黏土和砂土。有限元计算模型如图2所示，其中计算深度取为10 m，计算宽度取为20 m，以消除边界条件的影响。模型底部（Z=0）处X、Y方向均被约束，在模型左右边界处（X=0、X=20）处，X方向变形被约束。通过激活和冻结土体单元和荷载来控制场地回填及荷载的施加。

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

有限元分析结果的可靠性取决于所用计算模型是否准确反映原型的真实情况，例如材料本构的选取，边界条件的模拟，荷载施加的顺序等。承台、桩基和异形混凝土构件采用线弹性模型，混凝土弹性模量E=30 GPa，泊松比=0.2。土单元采用小应变硬化模型，相比线弹性模型，其屈服空间随着塑性应变的发展而扩张。网格密度选择中等，采用15节点的三角形单元进行有限元网格划分。模型中土体的参数具体见表1。

表1 模型中土体计算参数Table 1 Soil parametersin the model

2.2 减沉效果验证

图3给出了未处理场地和异形构件处理场地在填土自重和荷载作用下的地表沉降变化，采用最大沉降与最小沉降之差表示地表差异沉降。由图可知，在填土自重作用下，未处理场地的差异沉降为33.5 mm，当采用减沉处理后，场地差异沉降减小到20.8 mm，即异形构件的存在使差异沉降减小了38%；同样，在地面荷载作用下，未处理场地的差异沉降约为56.3 mm，当采用减沉处理后，地表差异沉降减小为41.8 mm，减小比例为26%。特别是在采用异形构件处理后，构件位置处整体沉降较未处理前有明显增大（8 mm），这也证明了土拱效应的存在导致混凝土构件分担了部分竖向荷载。

图3 异形构件处理前后地表沉降对比Fig.3 Comparison of surface settlementsbefore and after treatment with special-shaped structure

由于异形混凝土构件减沉机理是利用土拱效应，而土拱效应本质上源自于土体的应力重分布。因此，场地内土体竖向应力分布是土拱效应最直接的表现。分析减沉处理前后场地在地面荷载作用下土体竖向应力云图可知，在填土自重和荷载作用下，异形混凝土构件处与周边土体存在相对位移，因此而产生的剪应力导致了荷载转移，一部分荷载转移到了同深度的构件上，使得同一深度处的构件所受的竖向应力大于周边土体所受的竖向应力，即表现为土拱效应。由于构件的存在导致土体竖向应力的减小和构件处竖向应力的增加，因此确保了差异沉降的减小。

为了定量评价土拱效应的发挥程度，将减沉处理前后土体中（构件埋深处）的竖向土压力之比定义为土拱效应系数η：

式中：P处理为异形构件处理后构件埋深处的竖向土压力；P未处理为未处理场地构件埋深处的竖向土压力。当η=1.0时，无土拱效应，当η=0时，土拱效应全部发挥。本次分析中，在填土自重作用下土拱效应系数η为0.79，竖向荷载施加后土拱效应系数略有增加，为0.76，即构件的存在导致土体中竖向应力减小20%～25%。

3 参数分析

为了更好地发挥异形混凝土构件的土拱效应，最大程度地减小地表差异沉降，分析了填土厚度、构件净距、荷载水平、加筋体强度对土拱效应发挥的影响。通过参数分析，提出异形构件布置的优化建议。

3.1 填土厚度

图4给出了不同填土厚度场地中异形构件（净距D=1.0 m）的减沉效果。

图4 填土厚度对构件减沉作用的影响Fig.4 The influenceof the thickness of the filled earth on settlementsreduction

由图4可知，随着填土厚度的增加，异形混凝土构件减小差异沉降的效果逐渐增大。对于填土厚度较小（0.5～1.0 m）的场地，构件的存在可减小20%的地表差异沉降，即贡献较小；对于填土厚度超1.5 m的场地，构件的减沉作用较为明显，特别当填土厚度达到4.0 m时，异形混凝土构件可使差异沉降减小约45%左右。

3.2 构件净距

同一填土高度下，不同净距对异形构件减沉效果的影响如图5所示。由图可知，减沉效果随着构件净距的增加而明显降低。对于填土厚度为2.0 m的场地，当布置的构件净距大于4.0 m时，构件仅仅能降低场地15%的差异沉降，当减小构件净距到1.5 m以内时，场地的差异沉降减小25%以上。

图5 构件净距对构件减沉作用的影响Fig.5 The influenceof component distance on settlements reduction

3.3 荷载水平

场地不同荷载水平对构件的减沉效果分析结果如图6所示。计算时，取填土厚度为2.0 m，构件净距1.0 m。可以发现，虽然不同荷载水平作用下地表沉降量大小不同，引起的构件-土相对位移量大小也不同，但是场地差异沉降的减小比例基本一样。因此，异形构件减沉效果能有效适用于不同荷载水平场地。

图6 荷载水平对构件减沉作用的影响Fig.6 The influence of live load on settlements reduction

3.4 水平加筋体

为了考察水平加筋体对土工效应发挥的影响，本文在异形构件表面以上50 mm处布置了水平加筋体。水平加筋体只有抗拉强度而无抗弯、抗剪强度，其竖向变形与土体协调。图7给出了布置不同抗拉强度水平加筋体时构件的减沉效果。水平加筋体的提兜作用虽然能减小地表的整体沉降，但是对控制差异沉降的作用有限，该分析结论也与室内试验结果一致[6-7]。

图7 水平加筋体强度对构件减沉作用的影响Fig.7 The influenceof horizontal reinforcement on settlementsreduction

4 构件优化布置建议

根据上述参数分析结果可以发现，构件的减沉效果发挥主要影响因素是场地的填土厚度和构件净距。以填土厚度与构件净距之比H/D作为分析指标，分析构件减沉效果。图8给出了差异沉降减小比例随H/D的变化规律。

图8 构件H/D对构件减沉作用的影响Fig.8 The influence of H/D on settlementsreduction

由图8可见，随着H/D的增大，差异沉降减小比例显著增加。当构件H/D值小于1.0时，异形构件的存在仅可减少10%～20%的差异沉降；当H/D值达到1.5以上时，场地的差异沉降会显著降低30%以上。因此，以减小差异沉降30%为基本目标，当采用布置异形混凝土构件来减小场地不均匀沉降时，对于不同填土厚度的场地，建议构件的净距H/D值大于1.5。

当厂房跨度较大或填土厚度较小，为确保填土厚度与构件净距之比大于1.5，可能会导致构件净距过小，而构件长度较大，方案经济性不足。对于此类情况，可采用如图9所示的异形构件“间隔布置”的方案来同时确保减沉效果和经济性。跨度18 m、填土厚度1.5 m、构件净距1.0 m时2种方案的地表差异沉降基本相同（图10）。

图9 构件间隔布置示意图Fig.9 Schematic diagram of interval arrangement of components

图10 构件间隔布置对减沉作用的影响Fig.10 The influence of interval arrangement of componentson settlements reduction

5 结语

本文提出了利用异形混凝土构件来控制场地不均匀沉降的措施，该方法利用构件的土拱效应，将一部分填土自重及竖向荷载分担到构件上，从而降低填土场地地坪的不均匀沉降。通过PLAXIS有限元数值模拟验证了构件的减沉效果，通过参数分析确定了主要影响因素，给出了对构件布置的优化建议。主要结论有：

1）借助PLAXIS建立相关的数值分析模型，采用合理的本构模型、边界条件和施工顺序，可以准确地模拟异形混凝土构件的减沉作用。证明了模型的正确合理性。

2）填土厚度、构件净距是影响构件减沉效果的主要因素，而水平加筋体强度、荷载水平等对其影响效果不大。异形构件的减沉效果可适用于不同荷载水平场地。

3）将场地填土厚度与构件净距之比H/D作为指标，建议构件的净距H/D值大于1.5。当厂房跨度较大时，可采用间隔布置的方式来同时确保减沉效果和经济性。

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