论文部分内容阅读
摘 要：筏板基础的计算与混凝土强度、筏板厚度等诸多因素有关，因此筏板基础的变形受力状况比较复杂。本文针对成都龙泉福泉工程，采用共同作用分析方法，利用midas/gts-nx数值模拟软件进行有限元计算，研究和分析了筏板厚度和弹性模量的变化对了筏板基础的沉降变形影响规律。研究结果表明：随着板厚和弹性模量的增加，基础的的沉降变形逐渐减小，然而当到一定程度时，对基础沉降量的改善不大；筏板厚度的改变比弹性模量的改变对基础沉降变形带来的变化明显，这可为同行进行相关设计提供一定的参考。
关键词：筏板基础；弹性模量；厚度；沉降变形；有限元
1 引言
筏板基础能够充分发挥地基承载力，对地基不均匀沉降有较强的调整作用，并且其施工方便，能够降低基础工程的造价，得到了广泛应用[1-3]。然而筏板基础的刚度要比箱形基础或桩基础的刚度小得多[4-5]，另外筏板基础的变形与诸多因素有关，包括基础混凝土强度、钢筋强度、筏板厚度等，所以筏基的变形及受力状况要复杂得多[6-7]。因此有必要对影响筏板基础的受力和变形特点的因素进行进一步的研究。
本文针对成都龙泉福泉工程，利用共同作用分析方法，采用midas/gts-nx数值模拟分析软件建立模型，分析研究筏板厚度和弹性模量的变化对筏板基础的沉降变形影响规律，为龙泉福泉工程的筏板基础的设计及应用提供理论依据，也可为同行进行相关设计提供一定的参考。
2 计算模型和参数
2.1 共同作用分析方法
2.2模型概况
本文研究的“龙泉福泉中心”工程场地位于成都市龙泉驿区鲸龙路旁。基坑开挖深度范围地层组成为：素填土、硬塑性粘土、硬塑性粉质粘土、可塑性粉质粘土、粉土层。基坑支护采用支护桩、钢管竖向斜支撑及局部水平内支撑的支护形式。
为了研究筏板厚度和刚度发生变化时对筏板自身的沉降影响，利用共同作用分析原理建立模型。模型是从实际异形基坑内部选取了一个矩形的规则区域作为研究对象，并对模型做了以下简化：1）变形是从施加上部荷载之后才会开始出现；2）采取一次性开挖至基坑底部，基坑底部与筏板接触的土体中设置了四个矩形的软弱土部分。
土层分为三部分：21m深的硬塑性粘土、15m深的中风化泥岩及4个厚度为8m、截面尺寸为16m×16m的软弱粉土，各个土层土体的物理力学参数如表1所示。图1为基坑三维模型网格示意图，共计33750个节点，27380个单元。对土体的四周和底部进行了位移约束，顶部为自由面。整个计算区域采用6面体8节点单元进行离散，土体采用实体单元，选用Mohr-Coulomb模型进行模拟。
筏板采用弹性结构进行模拟，分别设置了厚度为0.6 m、 0.8m、1m、1.2m、1.4 m、1.6m，弹性模量分别为60GPa、 80GPa、100GPa、120GPa、140GPa、160GPa进行计算和对比分析。
3 结果分析
3.1筏板厚度的改变对筏板沉降变形的影响分析
通过计算得到筏板弹性模量为120GPa时，施加上部荷载之后，筏板在不同板厚下的变形沉降量。通过选取一条特征线，将特征线进行24等分，以特征线上的25个特征点反应基础的沉降变形规律。
图2是不同板厚下不同特征点处阀板基础沉降变形图。可以看出在同一个板厚不同的特征点上，沉降量（绝对值）先迅速增加到一定值后又快速减小；在同一个特征点处，整体上呈现出板厚越大沉降量越小的规律，然而特征线中距离为30m-40m和70m-90m部位则表现出变形随着板厚增加而增大的现象，也就是由于这一增一减，才使得筏基的整体变形量越来越均匀；并且不同的板厚下的基础最大沉降变形均发生在特征点55-60m处。
为了进一步分析阀板基础随着板厚增加的变形规律，作出基础最大沉降量（绝对值）与板厚的关系曲线图（图3）。从图3中可以看出，在其他因素不变的前提下，基础最大沉降量随筏板厚度的增加逐渐减小，但当阀板厚度从0.6m 增加到 1.2m时，沉降变形量减小迅速，由 48.86mm 减小为 36.02mm，减幅为 26.28%，当板厚超过1.2m时，沉降变形量随着板厚增加减小缓慢，由36.02 mm减小到34.24 mm，减幅为4.9%，减小的幅度逐渐趋于平缓。
由此可见，筏板厚度对基础沉降变形有一定的控制作用。在一定范围内适当增加筏板厚度可以有效减小筏板的最大沉降量， 但当筏板厚度增加到一定值后，再增加筏板厚度对减小筏板的最大沉降量贡献不大。
3.2筏板弹性模量的改变对筏板变形的影响分析
通过计算得到板厚为1.2m时，施加上部荷载之后，筏板在不同弹性模量下的沉降变形量。选取了与分析板厚的改变对筏板基础沉降变形的影响相同的特征线进行分析。图4表示的是筏板为1.2m厚时，不同弹性模量下不同特征点处的筏板的变形图。从图4中可以看出同一个弹性模量不同的特征点上，沉降量（绝对值）先迅速增加到一定值后又快速减小；在同一个特征点处，整体上呈现出弹性模量越大沉降量越小的现象，与板厚对基础的沉降变形影响趋势基本一致。
为了进一步分析基础随着弹性模量增加的变形规律，作出基础最大沉降量（绝对值）与阀板弹性模量的关系曲线图（图5）。从图5中可以看出，随着筏板弹性模量的提高， 最大沉降变形呈逐渐减小趋势，这表明筏板的刚度随着弹性模量则提高提高， 使得筏板抵抗局部变形及承载的能力提高。
然而当弹性模量从60GPa提高到140GPa时，最大沉降变形量减小的较快，减幅为12.38%，而当弹性模量超过140GPa，减小的幅度逐渐趋于平缓，对筏板抵抗局部变形及承载的能力提高不明显，与最大沉降量随着阀板厚度改变趋势基本一致。
3.3小结
阀板板厚改变和弹性模量改变对基础具有相同的变形影响趋势，可以通过适当的提高阀板厚度和模量来减小基础沉降。但是值得注意的是，基础沉降变形随着板厚增加的最大减幅为 26.28%，而随着弹性模量增加的最大减幅为12.38%。因此，基础的沉降变形对于厚度的改变更为敏感，即改变筏板厚度比改变弹性模量对阀板的影响大得多。
4 结论
（1）板厚和弹性模量的改变对筏板基础的变形影响规律基本一致。随着板厚和弹性模量的增加，基础的的沉降变形逐渐减小，然而当板厚和模量增大到一定程度时，对基础沉降量的改善不大。在设计中，可以通过适当的提高阀板厚度和模量来减小基础沉降。
（2）基础变形沉降对筏板厚度的改变更为敏感，即筏板厚度的改變比弹性模量的改变对基础沉降变形带来的变化明显。在设计中适当的增加阀板厚度比提高模量对减小基础沉降的贡献大。
参考文献
[1] 刘金砺. 高层建筑地基基础概念设计的思考[J]. 土木工程学报， 2006， 39（6）： 104-109.
[2] 巢 斯，赵锡宏，张保良，等. 超高层建筑桩筏基础的桩顶反力计算研究 [J].岩土力学，2011，32（4）：1138-1142.
[3] 江杰，黄茂松，梁发云， 等.桩筏基础相互作用非线性简化分析[J].岩土工程学报，2008，30（1）：l17-122.
[4] 王彬， 胡正洲， 姚文娟， 等. 上部结构-筏基-地基共同作用子结构法FEM分析[J]. 地下空间与工程学报， 2009， 5（3）： 478-484.
[5] 张鹤年， 宰金珉. 考虑上部结构的桩筏基础非线性共同作用分析[J]. 工程地质学报， 2006， 14（4）： 557-563
[6] 钟闻华，张克恭，刘松玉. 天然地基上的筏板基础受力及变形分析[J].中山大学学报（自然科学版），2002，41（2）： 93-95.
[7] 李小园，冯春燕，彭冬芹. 考虑筏板厚度变化的共同作用数值分析[J]. 兰州理工大学学报，2014， 40（2）： 137-140.
关键词：筏板基础；弹性模量；厚度；沉降变形；有限元
1 引言
筏板基础能够充分发挥地基承载力，对地基不均匀沉降有较强的调整作用，并且其施工方便，能够降低基础工程的造价，得到了广泛应用[1-3]。然而筏板基础的刚度要比箱形基础或桩基础的刚度小得多[4-5]，另外筏板基础的变形与诸多因素有关，包括基础混凝土强度、钢筋强度、筏板厚度等，所以筏基的变形及受力状况要复杂得多[6-7]。因此有必要对影响筏板基础的受力和变形特点的因素进行进一步的研究。
本文针对成都龙泉福泉工程，利用共同作用分析方法，采用midas/gts-nx数值模拟分析软件建立模型，分析研究筏板厚度和弹性模量的变化对筏板基础的沉降变形影响规律，为龙泉福泉工程的筏板基础的设计及应用提供理论依据，也可为同行进行相关设计提供一定的参考。
2 计算模型和参数
2.1 共同作用分析方法
2.2模型概况
本文研究的“龙泉福泉中心”工程场地位于成都市龙泉驿区鲸龙路旁。基坑开挖深度范围地层组成为：素填土、硬塑性粘土、硬塑性粉质粘土、可塑性粉质粘土、粉土层。基坑支护采用支护桩、钢管竖向斜支撑及局部水平内支撑的支护形式。
为了研究筏板厚度和刚度发生变化时对筏板自身的沉降影响，利用共同作用分析原理建立模型。模型是从实际异形基坑内部选取了一个矩形的规则区域作为研究对象，并对模型做了以下简化：1）变形是从施加上部荷载之后才会开始出现；2）采取一次性开挖至基坑底部，基坑底部与筏板接触的土体中设置了四个矩形的软弱土部分。
土层分为三部分：21m深的硬塑性粘土、15m深的中风化泥岩及4个厚度为8m、截面尺寸为16m×16m的软弱粉土，各个土层土体的物理力学参数如表1所示。图1为基坑三维模型网格示意图，共计33750个节点，27380个单元。对土体的四周和底部进行了位移约束，顶部为自由面。整个计算区域采用6面体8节点单元进行离散，土体采用实体单元，选用Mohr-Coulomb模型进行模拟。
筏板采用弹性结构进行模拟，分别设置了厚度为0.6 m、 0.8m、1m、1.2m、1.4 m、1.6m，弹性模量分别为60GPa、 80GPa、100GPa、120GPa、140GPa、160GPa进行计算和对比分析。
3 结果分析
3.1筏板厚度的改变对筏板沉降变形的影响分析
通过计算得到筏板弹性模量为120GPa时，施加上部荷载之后，筏板在不同板厚下的变形沉降量。通过选取一条特征线，将特征线进行24等分，以特征线上的25个特征点反应基础的沉降变形规律。
图2是不同板厚下不同特征点处阀板基础沉降变形图。可以看出在同一个板厚不同的特征点上，沉降量（绝对值）先迅速增加到一定值后又快速减小；在同一个特征点处，整体上呈现出板厚越大沉降量越小的规律，然而特征线中距离为30m-40m和70m-90m部位则表现出变形随着板厚增加而增大的现象，也就是由于这一增一减，才使得筏基的整体变形量越来越均匀；并且不同的板厚下的基础最大沉降变形均发生在特征点55-60m处。
为了进一步分析阀板基础随着板厚增加的变形规律，作出基础最大沉降量（绝对值）与板厚的关系曲线图（图3）。从图3中可以看出，在其他因素不变的前提下，基础最大沉降量随筏板厚度的增加逐渐减小，但当阀板厚度从0.6m 增加到 1.2m时，沉降变形量减小迅速，由 48.86mm 减小为 36.02mm，减幅为 26.28%，当板厚超过1.2m时，沉降变形量随着板厚增加减小缓慢，由36.02 mm减小到34.24 mm，减幅为4.9%，减小的幅度逐渐趋于平缓。
由此可见，筏板厚度对基础沉降变形有一定的控制作用。在一定范围内适当增加筏板厚度可以有效减小筏板的最大沉降量， 但当筏板厚度增加到一定值后，再增加筏板厚度对减小筏板的最大沉降量贡献不大。
3.2筏板弹性模量的改变对筏板变形的影响分析
通过计算得到板厚为1.2m时，施加上部荷载之后，筏板在不同弹性模量下的沉降变形量。选取了与分析板厚的改变对筏板基础沉降变形的影响相同的特征线进行分析。图4表示的是筏板为1.2m厚时，不同弹性模量下不同特征点处的筏板的变形图。从图4中可以看出同一个弹性模量不同的特征点上，沉降量（绝对值）先迅速增加到一定值后又快速减小；在同一个特征点处，整体上呈现出弹性模量越大沉降量越小的现象，与板厚对基础的沉降变形影响趋势基本一致。
为了进一步分析基础随着弹性模量增加的变形规律，作出基础最大沉降量（绝对值）与阀板弹性模量的关系曲线图（图5）。从图5中可以看出，随着筏板弹性模量的提高， 最大沉降变形呈逐渐减小趋势，这表明筏板的刚度随着弹性模量则提高提高， 使得筏板抵抗局部变形及承载的能力提高。
然而当弹性模量从60GPa提高到140GPa时，最大沉降变形量减小的较快，减幅为12.38%，而当弹性模量超过140GPa，减小的幅度逐渐趋于平缓，对筏板抵抗局部变形及承载的能力提高不明显，与最大沉降量随着阀板厚度改变趋势基本一致。
3.3小结
阀板板厚改变和弹性模量改变对基础具有相同的变形影响趋势，可以通过适当的提高阀板厚度和模量来减小基础沉降。但是值得注意的是，基础沉降变形随着板厚增加的最大减幅为 26.28%，而随着弹性模量增加的最大减幅为12.38%。因此，基础的沉降变形对于厚度的改变更为敏感，即改变筏板厚度比改变弹性模量对阀板的影响大得多。
4 结论
（1）板厚和弹性模量的改变对筏板基础的变形影响规律基本一致。随着板厚和弹性模量的增加，基础的的沉降变形逐渐减小，然而当板厚和模量增大到一定程度时，对基础沉降量的改善不大。在设计中，可以通过适当的提高阀板厚度和模量来减小基础沉降。
（2）基础变形沉降对筏板厚度的改变更为敏感，即筏板厚度的改變比弹性模量的改变对基础沉降变形带来的变化明显。在设计中适当的增加阀板厚度比提高模量对减小基础沉降的贡献大。
参考文献
[1] 刘金砺. 高层建筑地基基础概念设计的思考[J]. 土木工程学报， 2006， 39（6）： 104-109.
[2] 巢 斯，赵锡宏，张保良，等. 超高层建筑桩筏基础的桩顶反力计算研究 [J].岩土力学，2011，32（4）：1138-1142.
[3] 江杰，黄茂松，梁发云， 等.桩筏基础相互作用非线性简化分析[J].岩土工程学报，2008，30（1）：l17-122.
[4] 王彬， 胡正洲， 姚文娟， 等. 上部结构-筏基-地基共同作用子结构法FEM分析[J]. 地下空间与工程学报， 2009， 5（3）： 478-484.
[5] 张鹤年， 宰金珉. 考虑上部结构的桩筏基础非线性共同作用分析[J]. 工程地质学报， 2006， 14（4）： 557-563
[6] 钟闻华，张克恭，刘松玉. 天然地基上的筏板基础受力及变形分析[J].中山大学学报（自然科学版），2002，41（2）： 93-95.
[7] 李小园，冯春燕，彭冬芹. 考虑筏板厚度变化的共同作用数值分析[J]. 兰州理工大学学报，2014， 40（2）： 137-140.