TOD全框支剪力墙结构软基处理后基础约束效应分析

郭达文，余 瑜，李希锴，陈 星，赵盈皓

（1、广东省建筑设计研究院有限公司 广州 510010；2、广州大学工程抗震研究中心 广州 510405；3、广州建筑股份有限公司 广州 510030）

0 引言

近年来，随着轨道交通与城市高层建筑的融合，越来越多规划都采用TOD（以公共交通为导向的开发）模式，适用于车辆段上盖建设的全框支剪力墙结构应运而生，发挥重大的经济和社会效益［1］。全框支结构中，盖上竖向结构由盖下巨型框架全部转换，首层功能一般为轨道车辆通行及检修，无地下室嵌固，目前研究多集中于结构自身抗震性能研究［2-4］，当场地的软土层较厚时，水平作用下会引起较大的桩顶位移，对桩身及结构影响不可忽视。本文针对软土地区全框支结构，建立土-结构三维有限元模型，使用水泥搅拌桩的地基处理方法，探究不同置换率及加固深度在水平地震和风作用下对减小桩顶位移的规律。

1 计算模型

选取一栋典型的地铁车辆段上盖，B级高度全框支剪力墙结构，下盖为巨柱框架，上盖为剪力墙结构，转换层结构布置及剖面示意如图1、图2 所示，首层层高12 m，2 层（转换层）层高6.8 m，3 层层高6.2 m，4～35 层为标准层，层高2.9 m，总建筑结构高度为120.7 m，框支柱尺寸为2 800 mm×2 000 mm，框柱尺寸为1 300 mm×1 300mm，框支梁尺寸为1500mm×2000mm和1200mm×2 000 mm，地梁的尺寸为500 mm×1 000 mm。使用年限为50 年，耐久性设计年限为100 年，结构安全等级为一级，基础设计等级为甲级。本项目抗震设防烈度为7 度（0.10g），设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类。本工程属于重点设防类。

图1 平面示意图Fig.1 The Plan View （mm）

图2 剖面示意图Fig.2 The Generalized Section （mm）

使用MIDAS GTS软件对地基土进行模拟，探究不同地基处理后，水平作用力下的桩顶位移情况，模型的基本情况如图3所示，由地上全框支结构、基础桩和地基土层3 部分组成，其中土层为淤泥层厚20 m 和中风化层厚15 m，并对建筑物裙房投影外扩12 m 的范围内，对表层软弱土层进行地基处理，处理方法分为水泥搅拌桩的复合地基处理方法。对土层的四周和底面以及桩端进行6个自由度的约束，并进行X向及Y向的规范反应谱分析［5］、及风工况的弹性静力分析。梁、柱、桩采用杆单元进行模拟，剪力墙、楼板及框支转换梁采用壳单元进行模拟，土层采用实体单元进行模拟。混凝土和钢筋采用《混凝土结构设计规 范：GB 50010—2010》附录C的本构方程［6］，桩混凝土等级为C30，钢筋强度为HRB400，土层采用各向同性-莫尔-库伦模型［7］，具体参数如表1所示。

图3 模型示意图Fig.3 The Analysis Model

表1 地基土参数Tab.1 Parameter of Foundation Soil

2 地基处理方法及分析结果

本文选用常规的水泥搅拌桩作地基处理方式，常用的水泥搅拌桩的布置形式［8］如图4 所示，选用等边三角形的布置方式，桩径550 mm 的水泥搅拌桩，搅拌桩桩长7.5 m，选取桩距为1.30 m、1.15 m、1.00 m 三组布置方式，进行模型模拟，依次编号为2～4 组，第1 组为没有进行地基处理的空白对照组。

根据《建筑地基处理技术规范：JGJ 79—2012》［9］第7.3.3节，取桩端端阻发挥系数0.5，桩身强度折减系数为0.25，桩身水泥土无侧限抗压强度标准值fcu取1.7 kPa，根据规范公式（7.3.3）计算单桩承载力特征值Ra为100.9 kPa，其余计算结果如表2 所示，由于土层的弹性模量较压缩模量大，模型中是输入参数为土层的弹性模量值，取复合土层弹性模量放大值为压缩模量放大值ζ的1.2倍。

表2 水泥搅拌桩规范公式计算Tab.2 The Calculation of Standard Formula for Cement Mixing Pile

水泥搅拌桩的布置方式除了规范提供的矩形布置和三角形布置外，还有如图4⒞的套打方式，可提高水泥搅拌桩的面积置换率，获得更强的复合地基承载力。以图4⒞示意的水泥灌注桩的布置方式为例，进行第5 组的模型分析，水泥灌注桩的桩径为600 mm，套打重叠宽度为150 mm，桩长7.5 m，计算的面积置换率为0.64，复合地基承载力特征值为278 kPa，复合地基土层压缩模量放大值ζ为4.63。

图4 水泥搅拌桩布置Fig.4 The Layout of Cement Mixing Pile （mm）

EX+工况下水泥搅拌桩面积置换率为0.16、0.21、0.27、0.64模型的单桩位移情况如图5所示。由图5可知随着水泥搅拌桩面积置换率的提高，桩顶水平位移逐渐减小。EX+工况下水泥搅拌桩面积置换率为0.16、0.21、0.27、0.64模型的单桩位移情况如图6所示，由图6可知，随着水泥搅拌面积置换率的提高，桩的力的嵌固深度逐渐减小，在淤泥与中风化土层中弯矩值也逐渐减小。由于复合地基土层压缩模量放大值ζ 较小，最大为4.63，因此在复合地基土层和原淤泥土层未形成有效的嵌固作用，该处的弯矩值突变不明显。

图5 EX+工况下不同水泥搅拌桩面积置换率的单桩位移情况Fig.5 The Displacement of Single Pile of Different Replacement Rate Model under the EX+ Response Spectrum

图6 EX+工况下不同水泥搅拌桩面积置换率模型的单桩弯矩情况Fig.6 The Bending Moment of Single Pile of Different Replacement Rate Model under the EX+ Response Spectrum

水平工况下5个模型的桩顶最大位移-置换率关系如图7 所示，使用水泥搅拌桩的地基处理方法可以有效减小桩顶的位移，在相同的水泥搅拌桩处理深度下，提高水泥搅拌桩面积置换率，可减小桩顶位移和转角位移，置换率从0.21 提高至0.27，减少桩顶位移效率开始降低，面积置换率从0.27 提高至0.64，桩顶位移的减小百分率从14.38%提到至26.82%。

图7 水平工况下桩最大位移-水泥搅拌桩面积置换率关系Fig.7 The Relationship between Maximum Displacement of Pile and Replacement Rate of the Cement Mixing Pile under the Horizontal Load Cases

在使用三角形布置，间距为1.0 m 的水泥搅拌桩的基础模型上，考虑深度为2.5 m、5.0 m、7.5 m、10.0 m、15.0 m 水泥搅拌桩的地基处理模型，探究地基处理深度对桩顶位移的减小作用。 水平工况下6 个模型的桩顶最大位移如图8 所示，使用水泥搅拌桩的地基处理方法可以有效减小桩顶的位移。在地震工况下，搅拌桩深度在7.5 m 后的桩顶位移减小效率，比搅拌桩深度在7.5 m前的桩顶位移减小效率大，在使用水泥搅拌桩对地面进行地基处理时，建议水泥搅拌桩的桩长不小于7.5 m，可提高水泥搅拌桩的利用效率。

图8 水平工况下桩最大位移-搅拌桩长关系Fig.8 The Relationship between Maximum Displacement of Pile and the Length of the Cement Mixing Pile under the Horizontal Load Cases

3 结论

通过上述分析，本文可得出如下结论：

⑴对地基软弱土层采用水泥搅拌桩等地基处理的方法，可有效减小水平作用下桩顶位移。

⑵提高水泥搅拌桩面积置换率，可减小桩顶位移和转角位移，置换率从0.21 开始，抑制桩顶位移效率开始降低，结合经济性，建议置换率可以控制在0.2～0.3。

⑶采用水泥搅拌桩法进行地基处理，建议水泥搅拌桩的桩长不小于7.5 m，可有效提高减小桩顶位移的效率，同样桩长的水泥搅拌桩，提高置换率可以明显减小地震作用下桩身的弯矩。