李茂三
凌云建设集团有限公司
摘要：针对超固结工后沉降的现象与问题，针对沿海地区高水位条件下的各个基础类型的建筑物施工工后土体沉降现象进行数值模拟研究工作，进一步明确了不同建筑物基础类型在超固结土地基条件下的沉降变形特征及规律，为提高各类建筑体结构安全性能提供宝贵的数据支持，
关键词：超固结；基础；沉降；数值研究
随着经济社会的发展，城市与乡村的基础设施建设也逐步丰富与完善，在新的“十四五”期间，国家大力推动各方建设项目，多重建设政策实施落地，这也进一步促进了各个地区对于自身建设项目的加速推进与应用。并且现有建筑体为了提高自身结构的稳定性与安全性，会提前对建筑地基进行处理同时增设必要的建筑物基础，主要是由于现有建筑物设计越来越多地朝向规模更大的方向发展，建筑物所处的土体承载力不一定能够支持起结构的上部荷载重量，建筑物的稳定性得不到保证，所以要提前进行下部结构的预处理工作，一方面为了提高建筑结构与下部土体的连接稳定性和地基基础自身的承载能力，另一方面为了保证土体与建筑结构各自的安全。
对于下部土体的处理方式主要可以分为以下几种：土体开挖，置换为一定强度的结构体；土体换填，将软弱土体开挖置换；土体夯压，加固原有土体，提高土体强度与承载力。其中第一类土体开挖，置换为一定强度的结构体即施工深基础或者浅基础，是现有工程较为常用的处理方式方法，该处理手段一般是一定深度的土体进行开挖，施工完成建筑物基础后进行回填。若是在原状土条件下进行开挖工作，开挖完成后再进行回填工作，这部分土体可视为超固结土体，超固结土体在工后的变形沉降将直接影响到上部结构的整体使用效果，若变形过大甚至关系到整栋建筑体的安全。图1为某宿舍楼的工后沉降现象，可以明显的看到下部土体与上部结构物发生较大的脱空[1]。
所以本文就超固结工后沉降的现象与问题，针对沿海地区高水位条件下的各个基础类型的建筑物施工工后土体沉降现象进行数值模拟研究工作，旨在探明不同建筑物基础类型在超固结土地基条件下的沉降变形特征及规律，为提高各类建筑体结构安全性能提供宝贵的数据支持，也可作为采用不同建筑结构基础类型条件时提供对应的变形控制建议。
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图1 某宿舍楼的工后沉降现象
1 不同基础类型
1.1刚性基础
刚性基础是指基础整体刚度较大，基础以整体变形为主即基础上面的各个特征点变化保持一致，无局部突变的情况或者单独变形的情形，常见的基础类型为现浇地下室基础。在计算荷载时，一般考虑将上部建筑结构的总自重荷载与总可变荷载作为计算荷载进行运算[2-3]。
1.2筏板基础
筏板基础为早期较为常用的建筑基础形式，由于上部结构荷载较小，建筑跨度不大，此类基础可以满足整体稳定性要求，现有某些小规模房屋依旧沿用筏板基础，其施工简便，造价低廉，存在一定的市场价值。
1.3桩基础
桩基础分为现场施工桩与预制桩两种，都是将桩体打入土体后具备一定的承载能力后，在上部施工建筑主体结构，此类基础可以充分发挥原状土的承载能力并可以较大程度地提升基础承载力。
2 数值模拟
本文采用的数值模拟软件为PLAXIS 3D数值模拟软件，该软件可以较好的模拟地下水位对于结构物的影响情况，并导出直观的数据分析图像。为了简化计算工程，减少运算量，采用工程案例设定为地上5层建筑结构，地下为一层，并且建筑物与土体模型均为规则的矩形结构，所以建模是仅采用1/4建筑结构进行建模工作[6]，在划分边界上可采用对称叠加的方式进行整体模拟。图2为建模示意图。
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图2 建模示意图
2.1 刚性基础
在对刚需基础建模时，利用无限弹性实体单元进行整体基础的简化模拟[7]，如图3。首先利用一个钻孔点的图层参数建立底层模型，然后对于各个材料进行对应的材料赋值工作。后续对整体模型进行网格划分工作，在基础角点与部分拐点进行网格加密，如图4。另外还需要设定土体的初始应力状态，这部分的设定工作就是考虑土体超固结状态下的工程情况，设定的方式以土体重度与基础开挖深度值得乘积为初始应力状态[4-5]。
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最后录入荷载信息，进行整体计算。计算结果如图5所示。
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图5 刚性基础计算位移云图
结果显示刚性基础在中间部位的土体竖向沉降变化量最大，并逐步向四周扩散递减，位移变化量在深度方向上最大也最为明显，水平方向上的土体位移变形有限，扩散范围也停留在限定位置。所以注意竖向土体位移变化量，对超限位移点提前做出处理措施。
2.2 筏板基础
将基础设定为60cm后的混凝土板，荷载传递方式如下图所示。将底部筏板简化为模型中的板单元[8]，荷载以均布施加的方式作用在板单元上。图7为所建模型中筏板基础的位置布置示意。
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最后录入荷载信息，进行整体计算。计算结果如下图所示。
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图8为筏板基础下土体竖向总位移图，图9为筏板基础下的弯矩图。如图8所示，本部分土体的竖向位移整体变化规律与刚性基础相一致，不同的是在筏板基础的边缘部位，土体位移会偏大，可能是由于角部应力集中现象会明显，引起土体的加剧沉降变形。如图9所示，筏板基础的中间部位弯矩值最大，并向四周扩散，上下方向的扩散范围较大，约为左右侧的4倍。
2.3 桩-筏板基础
建模过程不再赘述，建模效果如图10所示。
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图10 桩-筏板基础的位置示意
结果如下图所示。图11为基础的弯矩云图；图12为桩基础轴力计算云图。底部弯矩变化规律与筏板基础相一致，但是在数值上比筏板基础的情况小30%，底部结构的整体受力也更为均匀。
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5 结论
本文就超固结工后沉降的现象与问题，针对沿海地区高水位条件下的各个基础类型的建筑物施工工后土体沉降现象进行数值模拟研究工作，进一步明确了不同建筑物基础类型在超固结土地基条件下的沉降变形特征及规律，为提高各类建筑体结构安全性能提供宝贵的数据支持，也可作为采用不同建筑结构基础类型条件时提供对应的变形控制建议。
参考文献
[1] 郭 林, 蔡袁强, 谷 川, 等. 循环荷载下软黏土回弹和累积变形特性[J]. 浙江大学学报:工学版, 2013, 47(12): 2111-2117.
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[3] 余湘娟, 殷宗泽, 董卫军. 荷载对软土次固结影响的试验研究[J]. 岩土工程学报, 2007, 29(6): 913-916．
[4] 高彦斌. 超固结土一维次压缩特性实验研究[J]. 岩土工程界, 2004, 7(增刊): 175-179.
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