维普资讯 http://www.cqvip.com １００４—９６６５／２００２／１０（０２ １－０１ ８４－０５ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｇｅｏｌｏｇｙ 工程地质学报 某地基不均匀沉降的三维分析睾 张冰峰秦四清 （中国科学院地质与地球物理研究所工程地质力学重点实验室摘要北京 １０００２９） 某地基处理原拟采用ＣＦＧ复合地基。但由于地层情况复杂，施工难度大，决定采用ＣＦＧ桩和人工挖孔桩进行地基 处理，但是这种处理方案可能会引发地基不均匀沉降从而对上部结构产生不良影响，因此合理的的选取人工挖孔桩桩间距非 常重要。通过对四种桩间距情形下地基的三维沉降分析，选取了合理的人工挖孔桩桩间距，解决了这一工程难题。 关键词 复合地基不均匀沉降三维 中图分类号：ＴＵ４７１．９９ 文献标识码：Ａ ３ Ｄ ＡＮＡＬＹＳＩＳ ＯＦ ＳＥＴＴＬＥＭＥＮＴ ＯＦ ＣＯＭＰＯＳＩＴＥ ＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮ ＺＨＡＮＧ Ｂｉｎｇｆｅｎｇ ＱＩＮ Ｓｉｑｉｎｇ （Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｇｅｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ，Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｆ ｏＧｅｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｇｅｏｐｈｙｓｉｃｓ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｒｉｎｇ １０００２９） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ａ ＣＦＧ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｗａｓ ｐｌａｎｅｄ，ｂｕｔ ｉｔ ｉｓ ｖｅｒｙ ｄｉｉｃｕｌｔｆ ｔｏ ｂｅ ｔｒｅａｔｅｄ ｉｎ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｄｕｅ ｔｏ ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ ｇｅｏｌｏｇｉｃ ｓｔｒａｔｕｍ．Ｔｈｕｓ，ｔｗｏ ｐｉｌｅ ｄｉａｍｅｔｅｒｓ（‘Ｐ４００ ａｎｄ‘Ｐ８００）ａｒｅ ａｄｏｐｔｅｄ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ． Ｂｕｔ ｔｈｅｐｌａｎｅｄ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｃｏｕｌｄ ｕｎｄｅｒｇｏ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ ｏｆ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ａｎｄ ｂｒｉｎｇｓ ｂａｄ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｎ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｂｅ— ｃａｕｓｅ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐｉｌｅ ｄｉａｍｅｔｅｒ．Ｓｏ ｉｔ ｉｓ ｖｅｒｙ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｔｏ ｓｅｌｅｃｔ ｔｈｅ ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ ｐｉｌｅ ｓｐａｃｉｎｇ．Ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｉｓ ｐｒｏｂ— ｌｅｍ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｃｏｍｐａｒｅｓ ｆｏｕｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐｉｌｅ ｓｐａｃｉｎｇｓ ｂｙ ３ Ｄ ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ，ｔｈｅｎ ａｎ ｏｐ— ｔｉｍｕｍ ｐｌａｎ ｉｓ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ． ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ，Ｉｎｈｏｍｏｇｅｏｕｓ ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ，３ Ｄ 成）。但这种处理方案可能会由于采用两种不同桩 １ 引 言 某地基处理原设计方案拟采用ＣＦＧ复合地基。 上部结构型式为剪力墙，基础型式采用箱形基础。 设计单位拟采用￣４００（机械成孔）复合地基处理方 案进行处理，但是在施工过程中由于该区地层情况 径引起地基的不均匀沉降，对上部结构产生影响并 导致箱基方案修改。因此，为了减少由于不均匀沉 降对上部产生的不良影响，ｑ￣８００（人工挖孔桩）桩间 距的选择非常重要。本文通过对人工挖孔桩四种桩 间距情形下地基的三维沉降数值分析，选取了合理 的桩间距，解决了这一工程难题。 比较复杂，基岩埋深变化很大，尤其西南部由于地层 条件所限，无法进行ＣＦＧ桩施工，因此结合地层情 况和施工实际，设计单位决定采用ｑ￣８００（人工挖孔） 进行地基处理，见图１中Ｃ区（其中Ａ、Ｂ区为‘Ｐ４００ 机械成孔，桩间距分别为１．５ｍ、１．４ｍ，施工已经完 地基地层从上向下分别为：（１）粉质粘土夹粘 质粉土：褐黄或棕黄色、湿、中密、可塑状，局部含风 ２场地工程地质简况 ｛Ｉ｝收稿日期：２００１—１２—０７；收到修改稿日期：２００２—０３—０７． 第一作者简介：张冰峰（１９７６一），男，硕士，岩土力学专业．Ｅｍａｉｌ：ｚｂｔ９９９＠ｓｏｈｕ．ｔｏｍ 维普资讯 http://www.cqvip.com 张冰峰等：某地基不均匀沉降的三维分析 图１某复合地基处理方案 Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅ ｐｌａｎ ｏｆ ｏｎｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ 化细砾石，厚度０．６０～４．１Ｏｒｅ，底层高程５９．９９— ６３．４２ｍ。（２）第四纪冲、洪积层：该层分为砾质粘土 ③ 和碎石、砂砾石③：亚层，两个亚层层厚变化较 大，有相互交错现象。砾质粘土层：红色粘土中包裹 大量碎砾石，碎砾石以灰色及深灰色硅质灰岩为主， 含量一般为３０～４０％，局部可达５０～７０％。粘土饱 和，成可塑状态，中等及中上密度。层厚０～２．７０ｍ。 碎石、砂砾石层：该层厚薄不均，大多呈透镜体状。 碎石成分多为灰岩，其中夹有少量红色粘土，粘土含 量１０～２０％；砾石的成分有安山岩、辉绿岩及灰岩， 呈浑圆及次圆状，其中含有２０～３０％中粗砂。砾石 层厚度０～３．８０ｍ。（３）第四纪残坡积层：以棕红色 为主，局部呈棕黄色粘土，不均匀夹有强风化碎石、 岩屑，局部坡积碎石土，碎石含量约占２０—４０％。 粘土饱和，呈可塑～硬塑，中密～中上密。该层厚度 １．１０～４．Ｏｍ。（４）震旦界基岩：基岩为硅质灰岩及 硅质白云岩，灰色及灰白色，质地坚硬，性脆。 ３软件及原理简介 本次数值模拟选用目前流行于国际岩土界的、 美国Ｉｔａｓｃａ咨询公司于１９９７年推出的三维拉格朗 日分析程序ＦＬＡＣ ¨Ｊ。拉朗日算法的基本计算环 节包括应变速率的计算、应力的计算、速度和位移的 计算以及对于大应变问题的网格更新。其基本计算 原理可以见图２。 ４复合地基沉降的三维分析 根据地基地层特点及其和上部结构的作用过 程，数值分析模拟如下方案：考虑到地基主要地层为 ｌ８５ 图２拉格朗日计算循环 第四纪及以老的地层，它们在自重作用下的变形已 经完成，因此我们模拟地基在建筑物上部荷载的作 用下产生新的变形增量，从而考察两种不同的桩径 处理是否会引起地基的不均匀沉降，由于ＣＦＧ桩已 经完成施工，因此，为了达到建筑物最大倾斜的允许 值小于２×１０～，优化处理地基，合理的设计人工挖 孔桩的桩间距非常重要，本次模拟分别分析了，￣８００ 桩间距分别为１．８ ｍ、２．０ ｍ、２．２ ｍ、２．４ ｍ４种地基 处理方案。 ４．１ 数值模型 模型从基地起向下取１５ｍ，平面布置严格按照 地基形状（见图３）。坐标系采用直角坐标系，ｘｏｙ平 面取为水平面，ｚ轴为铅直方向，并且规定向上为 正，整个坐标系符合右手螺旋法则 坐标原点取在 基底顶面左下角。 边界条件的设置采用模型周边侧向约束，不允 许水平方向位移，底部约束铅直方向变形。根据设 计资料，基底附加应力标准值为２５０ ｋＰａ。根据地基 设计单位的意见，认为桩长受基岩控制，也就是说桩 底部为基岩，模型建立时基本以此为依据，同时参考 了勘探剖面。模型共分５１８４个单元，６３５４个节点。 计算采用弹性模型，计算参数参见表１。 由于该模型地基地层情况复杂，地层起伏不平， 而已经施工的ＣＦＧ桩的长短严重不一，因此建立时 利用了复合地基的概念，即考虑了桩的挤密作用和 桩土的协同作用，这样既避免建立模型时考虑复杂 的接触单元（实际上对于该模型由于桩数太多且长 短不一，因此若按桩单元、土单元和桩土接触单元考 虑是是不可能的），同时又最符合复合地基的工作 机理。复合地基的参数求取采用Ｅ＝ｍＥ ＋（１一 ｍ）Ｅ±体，式中ｍ为置换率 。 维普资讯 http://www.cqvip.com 表２ 各种桩径、桩间距情形下的置换率一览表 Ｔａｂｌｅ ２ Ｒｅｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｒａｔｉｏ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐｉｌｅ ｄｉｓｔａｎｃｅ ａｎｄ ｐｉｌｅ ｄｉａｍｅｔｅｒ 艟￣／，ｎｒｎ 桩间距／ｍ １．８ ８ｏｏ ２．Ｏ ２．２ ２．４ ４ｏｏ １．４ １．５ 置换率 Ｏ．１５５Ｏ Ｏ．１２５３ ０．１０３６ ０．０８７３ ０．０６４ｌ ０．０５５７ ４．２部分模拟结果 由于研究的问题不均匀沉降问题，因此我们重 点考察铅直方向（ｚ方向）的变形问题。 首先考察直径８００ｍｍ桩当桩间距为２．Ｏｍ时 图３数值模型图（２．０ｍ桩问距） Ｆｉｇ．３ Ｎｕｌｎｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ 地基的沉降变形情况。图４是建筑物荷载作用下的 地基沉降变形图。从图上可以看出，在建筑物荷载 作用下，地基各部分的沉降基本均匀，平均地基沉降 大约为１５．ＯＯｍｍ。 （Ｐｉｌｅ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ ２．０ｍ） 表１材料的物理力学参数 ＇Ｆａｂｌｅ １ Ｐｈｙｓｉｃａｌ ａｎｄ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｍａｔｅｒｉａｌｓ 密度／ｋｇ・ｍ。 变形模量／ＭＰａ 泊松比 利用软件内嵌Ｆｉｓｈ语言编制程序查询节点信 息，可以获得地基最大沉降为１９．５４ｒａｍ（该节点为 ６３２６号节点，坐标Ｘ：９０００ｍｍ，Ｙ：３３４５０ｍｍ），最小 沉降为５．５４ｍｍ（该节点为５８１７号节点，坐标为Ｘ： １７１００ｍｍ，ｙ：Ｏｍｍ），地基的差异沉降最大为１４． 砾质粘土 含砾粘土 基岩 桩 ｌ７７０ ｌ７６８ ２６ｏｏ ２４Ｏ０ ｌ８．９ Ｉ４．２５ ２ｌｏｏ ２５５Ｏ０ Ｏ．３５ Ｏ．３５ Ｏ．１８ Ｏ．１ ＯＯｍｍ，建筑物的最大倾斜值为４．０７×１０～，远远小 于建筑物最大倾斜的允许值２×１０～。为了清楚的 考察各个剖面的沉降量分布，我们切取了六个剖面， 见图４、图５（横剖面方向从西到东，纵剖面方向从北 褥垫层 ２０５０ ３０ ０．２５ 注：地层的泊松比按照《岩土ｌ＿Ｌ程勘察没计手册》所查获得。 到南）。从剖面图中可见，地基的沉降是较为均匀 的 ：：：： 图４模型在建筑物荷载２．Ｏｍ桩问距作用下的沉降分布及Ｃ剖面沉降等值线图（２．Ｏｍ桩间距） Ｆｉｇ．４ Ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ ｄｌｓｔｏｂｕｔｉｏｎ ｕｎｄｅｌ。ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ ｌｏａｄ ａｎｄ ｉｓｏｌｉｎｅｓ ｏｆ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ ａｌｏｎｇ ｐｒｏｆｉｌｅ Ｃ ａ．沉降分布；ｂ Ｃ剖面等值线图． 维普资讯 http://www.cqvip.com 张冰峰等：某地基不均匀沉降的三维分析 １８７ 图５ ２．０ｍ桩间距沉降等值线ｌ皋一 Ｆｉｇ。５ ｌｓｏｌｉｎｅｓ ｏｆ ｓｕｂｓｉｄｎｅｃｅ ｕｎｄｅｒ ｐｉｌｅ ｓｐａｃｉｎｇ ｏｆ ２．０ｍ ａ．Ｈ剖面；ｂ Ｍ剖面 表３各监测点位置及其在建筑物荷载作用下的沉降量（ｍｍ）（２．０ｍ桩间距） Ｔａｂｌｅ３ Ｔｈｅ ｌｏｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｏｎｉｔｏｒ ｐｏｉｎｔ ａｎｄ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ ｕｎｄｅｒ ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ ｌｏａｄ（ｍｎ１） 位置／ｍｍ 节点编号 ６０５７ ６０５４ ６０３５ ６Ｏ１Ｏ 所属区域 ｙ 沉降量／ｍｍ １９６２０．０ １５７１３ ０ １１５５３．０ １０８３０．０ 两种地基的边界 ‘ｏ８ＯＨＯ ，￣８００ ｑ￣８００ １３６１０．０ １３６１Ｏ．Ｏ １７２４．０ １４８２０．０ Ｏ ０ Ｏ Ｏ 一１２．４０ —１０．１４ 一１０ ４７ 一１１．Ｏ３ —１２．４０ —１Ｏ．１４ —１Ｏ．５６ —１２．１９ —１２ ４０ —１Ｏ．１５ —１Ｏ．３９ —９．９７ —１２．４０ —１Ｏ．１３ —１０．６４ —１３．３６ ６Ｏ１６ 两种地基的边界 ９７２０．０ １６０３０．０ Ｏ 一１１．４６ —１２．５８ —１０．４２ —１Ｏ．６７ ５８６６ ５８６３ 两种地基的边界 ，￣８００ ２２５６７ ０ ２１２ＯＨＯ。Ｏ １２５７．１ Ｏ Ｏ Ｏ 一６．２２ 一５．７３ —６．２２ —５．７４ —６ ２２ —５ ７４ —６．２２ —５．７４ ５９１４ ５８７７ ５９６２ 两种地基的边界 两种地基的边界 ‘ ｏｏ ２８９ＯＨＯ．Ｏ １８４６７．０ ２３９３３．０ ２５１４．３ ３７７１ ４ １Ｏ６ＯＨＯ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ 一７ ３９ 一６．（）０ 一１Ｏ １６ —７．４０ —６．ＯＨＯ —１Ｏ．１６ —７．３９ 一６ ＯＨＯ —１Ｏ １６ —７ ３９ 一６ ＯＨＯ —１Ｏ．１６ ５９２５ ６０２８ ６０８２ ６１８７ ‘Ｄ４ｏ０ ‘ ＯＨＯ ｑｕｔｏｏ ｑｕｔｏｏ ２７１ＯＨＯ Ｏ １５８２０．０ ２Ｏ４ＯＨＯ．Ｏ ２４ｏｏｏ Ｏ ７５４２．９ １７２４０．０ １８４５０．０ ２２９５０．０ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ 一９．Ｏ１ 一１２ ６７ 一１３．２５ 一９．８３ —９ Ｏ１ —１２．８７ —１３．２５ —９．８３ —９．Ｏ１ —１２ ４８ —１３．２５ —９．８３ —９．Ｏ１ —１３．Ｏ５ —１３．２５ —９．８３ ６１８１ ‘Ｄ４ｏ０ １５５００．０ ２４４５Ｏ．Ｏ Ｏ 一１Ｏ ６９ —１Ｏ．６９ —１Ｏ．６９ —１Ｏ．６９ 表４不同桩间距情形下地基的不均匀沉降及建筑物最大倾斜值 Ｔａｂｌｅ４ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ ｏｆ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ａｎｄ ｍａｘｉｍａｌ ｔｉｌｔｉｎｇ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐｉｌｅ ｄｉｓｔａｎｃｅ 桩间距／ｍ １．８ ２．Ｏ ２．２ ２．４ 地基最大沉降量／ｍｍ 地基最小沉降量／ｍｍ 最大差异沉降／ｍｍ 最大倾斜值 １９．５４ ５．３２ １４ ２２ ４ １４×１０— １９．５４ ５．５４ １４．ＯＨＯ ４．０７×１０— １９．５４ ５．５８ １３．９６ ４．Ｏ２×１０“ １９ ５４ ５ ５６ １３．９８ ４．０２×１０— 维普资讯 http://www.cqvip.com ｌ８８ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆＥｎｇｉｎｅｅｄｎｇ Ｇｅｏｌｏｇｙ工程地质学报２００２ １０（２） 为了考察地基的不均匀沉降分布情况，数值模 拟过程中采用了一些监测点来监测地基各部分的沉 筑物最大倾斜值都远小于规范要求的建筑物最大倾 斜允许值，因此对（８００的人工挖孔桩，选取１．８ｍ～ ２．４ｍ的桩间距都是可行的。但是从沉降量分布图 看，桩间距为２．Ｏｍ的沉降分布最均匀，因此桩间距 取２．Ｏｍ最合适，同时承载力也满足规范要求。 （２）因为沉降差满足规范要求，因此地基沉降 不会对上部结构产生影响，箱基方案不需要调整。 降情况。表３列出了各个监测点的位置及其它们的 沉降量。从该表所反映的资料来看，直径８００ｍｍ桩 处理部分的地基沉降量要小于直径４００ｍｍ桩处理 部分的地基沉降，但是，差异沉降量很小，地基各部 分的沉降基本均匀，由最大的不均匀沉降所导致的 建筑物倾斜也在允许范围之内。 用同样的流程研究了直径８００ｍｍ桩，当桩间距 为２．２ｍ、１．８ｍ、２．４ｍ时地基的沉降变形情况。限 于篇幅，这里只把各监测点的沉降量列在表３中。 从该表来看，沉降及由于沉降造成的建筑物最大倾 斜对桩间距的选择不是很敏感。 参考文 献 ［１］ ＦＬＡＣ一３Ｄ（Ｆａｓｔ Ｌａ ａｎｇｉａｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｃｏｎｔｉｎｕａ ｉｎ ３ Ｄｉｍｅｎ— ｓｉｏｎｓ），Ｖｅｒｓｉｏｎ ２．００，Ｕｓｅｒｓ Ｍａｎｕａｌ（Ｖｏｌｕｍｅ Ｉ，Ⅲ）．ＵＳＡ：ｈａｓｃａ Ｃｏｎｓｕｌｔｉｎｇ Ｇｒｏｕｐ，Ｉｎｃ．，１９９７． ５结论 ［２］ 林宗元主编．岩土工程勘察设计手册．沈阳：辽宁科学技术出 版社，１９９６． Ｌｉｎ Ｚｏｎｇｙｕａｎ．Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｑｕｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｇｅ 把四种桩间距情形下的地基最大沉降量、最小 ｎｄ Ｄｅｓｉａｇｎ． Ｓｈｅｎｙａｎｇ：Ｌｉａｏｎｉｎｇ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ Ｐｒｅｓｓ， １９９６． 沉降量、最大倾斜值列入表４。 （１）从该表来看，四种桩间距情形下引起的建 《岩土工程反分析原理及应用》出版发行 由杨志法、王思敬等著写的《岩土工程反分析原理及应用》一书于２００２年３月由地震出版社出版发行，全书６４万字，共计 ３９０页，定价４５．ｏ０元，全书共分ｌ７章，分别介绍如下： 第一章绪论 岩土工程反分析问题的地质基础 岩土工程反演中的量测问题 究 第十二章 地下洞室粘弹性问题位移反分析的数值方 第十一章利用双平行洞解析法进行位移反分析的研 第二章第三章第四章第五章第六章第七章应用 待分析参数的确定和反演唯一性问题的讨论 位移反分析的基本概念 数值法线弹性位移反分析的基本原理和方法 有限元图谱一位移反分析法的原理、方法及其 弹塑性位移反分析及其应用 位移直接分析法的原理和应用 粘弹性位移反分析的解析方法 法 第十三章第十四章空间问题粘弹性位移反分析原理和方法 边坡反分析的原理、方法及其实际工程应用 第十五章 大坝工程位移反分析原理及在实际工程中 的应用 第八章第九章第十章第十六章第十七章地下水渗流场计算和水文地质参数反演 岩土工程反演研究中的其他问题 有需要此书，请与本刊联系
