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技术连载丨岩土微技术-141【还原实际钻孔场地的整体式不均匀沉降分析】

来源 外汇天眼 05-14 10:30
原创midasit这里是北京迈达斯技术有限公司的官方微信平台,midas系列软件最新动向,公司最新活动,业界关注热点将汇聚于此。 同时也欢迎全国的midas用户在此与我们互动!迈达斯岩土系列产品简介:midas GTS

  原创

  midasit

  这里是北京迈达斯技术有限公司的官方微信平台,midas系列软件最新动向,公司最新活动,业界关注热点将汇聚于此。 同时也欢迎全国的midas用户在此与我们互动!

  迈达斯岩土系列产品简介:

  midas GTS NX

  midas GTS NX(New eXperience of Geo-Technical analysis System)是一款针对岩土领域研发的通用有限元分析软件,支持静力分析、动力分析、渗流分析、应力-渗流耦合分析、固结分析、施工阶段分析、边坡稳定分析等多种分析类型,适用于地铁、隧道、边坡、基坑、桩基、水工、矿山等各种实际工程的准确建模与分析,并提供了多种专业化建模助手和数据库。

  midas SoilWorks

  midas SoilWorks提供二维岩土工程整体解决方案,覆盖隧道、边坡、软弱地基、基础、渗流以及动力分析等各种领域,并符合实际工程习惯及满足设计验算的需求。其基于CAD的操作环境,提供的网格自动生成功能,边界条件自动赋予、模型验检、参数化分析、模型间数据联动、结合规范的设计验算、便利的结果整理和计算书的输出功能,将极大提高岩土工程师的工作效率。

  midas XD

  midas XD 基坑一体化设计软件是针对土木基坑领域中的一款综合性设计软件,提供建模、分析、设计、施工图、工程量统计等一体化整体解决方案。可适用于岩土、建筑、桥梁基坑的设计,能够通过便捷的前处理建模功能,自动完成分析、设计、出图、工程量统计等一系列基坑设计作业。midas XD满足国内基坑规范中要求的传统计算方法的同时,还包含了剖面连续介质平面有限元法、内支撑平面杆系有限元法等FEM计算,提供了更多、更丰富的计算解决方案。

  二、还原实际钻孔场地的整体式不均匀沉降分析

  王志阳

  1、引言

  GTSNX软件可以实现上部结构-下部土体的整体式分析,不论是在软件中建模还是通过导入GEN/Civil的软件模型,亦或是通过BIM文件都可以实现此功能。同时为更好地还原地层信息,也可以将钻孔坐标等土层信息整理进行导入,目前资料只有把钻孔信息整理好的模型展示,并没有完全从实际钻孔到模型导入的全过程分析。本次将以河北地区某实际项目为例,还原地层+上部建筑的整体式沉降分析,并对整体沉降数值进行判断整理。

  2、项目概况及资料整理

  2.1项目概况

  本拟建场地地貌位于***,场地内地形总体上较为平坦,地势北高南低,现为空地,局部有植被,本次勘探期间各钻孔孔口处标高为44.11-45.3m。共完成201个勘探钻孔,总进尺6395m。控制性钻孔完成104个(其中取土标贯孔75个,标准贯入试验孔28个),孔深30-35m,进尺为3540m;一般性钻孔完成97个,孔深25-30m,进尺2850m。采用SH-30型钻机、XY-100型钻机及DPP-100型汽车钻。根据拟建工程重要性等级为二级,拟建场地复杂程度为中等复杂,场地地基复杂程度为中等复杂,确定本工程岩土工程勘察等级为乙级。

  区域地层土质概述:根据对现场钻探、原位测试与室内土工试验成果的综合分析,将拟建场地勘探深度范围内(最深38.00m)的地层,按成因类型、沉积年代可划分为人工堆积层及一般第四纪沉积层两大类,并按岩性及工程特性进一步划分为8个大层及亚层,现分述如下:

  人工堆积层:黏质粉土素填土①层:黄褐色,稍密,稍湿,土质不均,以黏质粉土为主,局部夹粉质黏土、砂质粉土薄层,含植物根、少量碎石、砖块、灰渣。

  杂填土①1层:杂,松散-稍密,稍湿,含大量砖渣、灰渣、碎石、建筑垃圾,少量生活垃圾等。

  一般第四纪沉积层:粉质黏土-重粉质黏土②层:褐黄色-灰色,湿-很湿,可塑,高-中高压缩性,含云母、氧化铁、有机质,土质不均,局部夹黏土薄层。

  黏质粉土-砂质粉土②1层:褐黄色,中密,湿,中高-中压缩性,含云母、氧化铁、有机质,土质不均,局部夹黏土薄层。

  粉砂-细砂②2层:褐黄色,稍密-中密,湿,中低压缩性,含云母、长石、石英,局部含粉土、黏性土薄层。

  细砂-中砂③层:褐黄色-灰黄色,中密-密实,湿-饱和,低压缩性,主要矿物成分为石英、云母、长石,局部含粉土、黏性土薄层及少量圆砾。

  粉质黏土-重粉质黏土③1层:褐黄色-灰黄色,很湿,可塑,高-中高压缩性,含云母、氧化铁和少量有机质,局部夹黏土薄层。

  中砂④层:褐黄色,密实,饱和,低压缩性,主要矿物成分为石英、云母、长石、圆砾等,圆砾含量约10%,局部含粉土、黏性土薄层。

  粉质黏土-重粉质黏土⑤层:褐黄色,湿-很湿,可塑,中-中低压缩性,含云母、氧化铁,土质不均,局部夹黏质粉土、黏土薄层。

  黏质粉土⑤1层:褐黄,湿-很湿,密实,中低压缩性-低压缩性,含云母、氧化铁,局部夹粉质黏土薄层。

  卵石⑥层:杂色,密实,饱和,最大粒径不小于7cm,一般粒径2-4cm,亚圆形、中粗砂充填约35%,级配较好。

  粉质黏土-重粉质黏土⑥1层:褐黄色,湿-很湿,可塑,中-中低压缩性,含云母、氧化铁,土质不均,局部夹黏质粉土、黏土薄层。

  细砂⑦层:褐黄色,密实,饱和,低压缩性,主要矿物成分为石英、云母、长石、圆砾等,圆砾含量约5%。

  细砂⑧层:褐黄色,密实,饱和,低压缩性,主要矿物成分为石英、云母、长石等。本次勘察未揭穿该层。

  粉质黏土-黏质粉土⑧1层:褐黄色,湿-很湿,可塑,中低压缩性-低压缩性,含云母、氧化铁。

  其中,总平面图及勘探点布置图以及地层信息图节选如下。

  图1建筑物总平面图

  图2勘探点布置图

  图3钻孔信息图(节选)

  此项目包括洋房、叠拼、地库等单体建筑。总建筑面积为10.03086万m2。地上建筑面积5.639万m2。地下建筑面积4.9669万m2。建筑功能为车库地下含人防地下室。正负零:26.00,结构基本信息见表1-1所示。

  表1-1拟建建筑物设计条件一览表

拟建物名称 层数(地上/地下) 基底标高(m) ±0.00标高(m) 建筑高度(m) 基础埋深(m) 荷载标准值(kPa) 拟采用结构类型 拟采用基础型式
1#住宅 6/3 -10.250~-7.160 26.00 18.00 3.31~10.200 160 剪力墙 筏板
2#住宅 6/3 -10.250~-7.160 26.00 18.00 3.31~10.200 160 剪力墙 筏板
3#住宅 5/3 -10.250~-7.160 26.00 15.00 3.31~10.200 160 剪力墙 筏板
4#开闭站 1/0 -2.100 26.30 4.55 2.100 90 框架 独立基础
5#住宅 6/3 -10.250~-7.160 26.00 18.00 3.31~10.200 160 剪力墙 筏板
6#住宅 4/3 -10.250~-7.150 26.00 12.55 7.160~10.200 130 剪力墙 筏板
7#住宅 4/3 -10.250~-7.150 26.00 12.55 7.160~10.200 130 剪力墙 筏板
8#住宅 4/3 -10.250~-7.150 26.00 12.55 7.160~10.200 130 剪力墙 筏板
9#住宅 4/3 -10.250~-7.150 26.00 12.55 7.160~10.200 130 剪力墙 筏板
10#住宅 4/3 -10.250~-7.150 26.00 12.55 7.160~10.200 130 剪力墙 筏板
11#住宅 4/3 -10.250~-7.150 26.00 12.55 7.160~10.200 130 剪力墙 筏板
12#住宅 4/3 -10.250~-7.150 26.00 12.55 7.160~10.200 130 剪力墙 筏板
13#住宅 4/3 -10.250~-7.150 26.00 12.55 7.160~10.200 130 剪力墙 筏板
14#住宅 4/3 -10.250~-7.150 26.00 12.55 7.160~10.200 130 剪力墙 筏板
15#住宅 4/3 -10.250~-7.150 26.00 12.55 7.160~10.200 130 剪力墙 筏板
16#住宅 4/3 -10.250~-7.150 26.00 12.55 7.160~10.200 130 剪力墙 筏板
17#配套 1/1 -10.25 26.30 4.95 10.200 90 框架 筏板
18#住宅 4/3 -10.250~-7.150 26.00 12.55 7.160~10.200 130 剪力墙 筏板

  2.2钻孔资料整理

  目前从地勘资料中拿到的都为实际钻孔的坐标,同时没有土层高度数值。一般如下图所示。

  图4实际钻孔信息一览表(节选)

  此坐标为实际坐标,不能直接进行使用,因为如果以此坐标导入到GTS中时,会导致出现无效的坐标信息,对钻孔数值进行删除。所以需要对其进行二次处理,并且整理到其中的表格中。

  二次整理方式为将实际XYZ坐标统一减某一固定的数值,使其坐标在软件可以识别,并且在原点附件的范围之内,这样对新坐标进行导入时就不会产生报错提示。具体如下:

  图5坐标二次整理表格(节选)

  上图中将原始坐标定义为旧X旧Y旧Z,将其在EXCEL表中统一减去不同的数值,本次整理中X减去495200,Y减去317500,Z减去46最终得到新X新Y新Z坐标值。

  之后将新的坐标数值转换成GTS标准的地层数据导入窗口(需将三个坐标数值整理到一个表格栏中,中间用,隔开),钻孔名称可随意定义,同时将每个钻孔的土层深度按照图3的数值进行整理,最终得到如下图所示的完整表格,建模时直接导入即可。

  图6完整表格(节选)

  3.建模流程及结果展示

  3.1几何建模

  本报告模型中包含了真实复杂地层和整个区域建筑物,模型计算范围为长约260m,宽约220m,土层计算深度为40m。

  模型简化:本次计算中考虑在真实地质情况下,平板式筏形基础建筑不均匀沉降分析。因此,整体地层模型参照工程地质剖面图提取每个孔对应的地层分层以及土层类型,重复以上操作,通过地勘资料中的钻孔数据建立真实地层模型。

  导入钻孔数据后的结果展示如下图所示

  图7钻孔位置定位图

  图8场地地层分界面图

  图9场地地层实体分布图

  在进行此操作步时需要特别强调的是在根据地层深度生成不同区域面层时,尽量避免出现彼此相交过近,导致在进行实体切割时切割出现特别小的或者特别薄的的实体,如果出现此情况大概率会导致网格划分不成功。所以在进行切割实体之后,尽量先检查一下实体的大致情况,避免出现此类问题。如果出现此问题,可以适当调整一下钻孔坐标或者将某些面层进行一些简单的移动等操作,保证网格划分的顺利进行。

  3.2参数选取

  根据地勘报告并结合已有工程数值模拟经验,对本工程进行整体考虑,由于地层范围广,土层深度大,应考虑土层的应力历史。由此,采用修正莫尔库伦本构模型定义土体的应力应变关系,具体的土层参数参照下表。

  表1场地土层参数表

土层名称 本构模型 天然容重kN/m3 c(kPa) φ Eoedref E50ref Eurref 指数m
MPa MPa MPa
1-1 杂填土 修正摩尔库伦 18 0 8 5.8 5 20 0.5
1-黏质粉土素填土 修正摩尔库伦 19.5 25.7 22.9 8.8 8.3 24.6 0.5
2-黏质粉土-砂质粉土 修正摩尔库伦 20 18.6 24.8 12 12 40 0.5
2-1粉质黏土-重粉质黏土 修正摩尔库伦 19.6 29.5 12.3 8.5 8.5 24.92 0.5
3-细砂-中砂 修正摩尔库伦 20 0 25 28 28 90 0.5
3-1粉质黏土-重粉质黏土 修正摩尔库伦 19.4 26.1 11.4 15 15 20.44 0.5
4-细砂 修正摩尔库伦 20.2 0 30 25 25 100 0.5
5-重粉质黏土-粉质黏土 修正摩尔库伦 19.6 32.2 11.8 9.749 9.749 48.745 0.5
5-1-黏质粉土-砂质粉土 修正摩尔库伦 20.3 25.1 10.1 15.295 15.295 76.475 0.5
6-重粉质黏土-粉质黏土 修正摩尔库伦 19.8 26.9 19.2 10.385 10.385 51.925 0.5
7-细砂 修正摩尔库伦 20.5 0 32 30 30 120 0.5

  筏板结构混凝土等级为C30,厚度为0.4m,建筑物采用“零”容重,等效刚度方法依据建筑物外轮廓进行建立,建筑物上部荷载通过对筏板施加压力进行添加。结构单元的本构模型均为弹性本构模型。结构类型和参数取值如下表2。

  表2结构物理学参数表

结构名称 类型 截面尺寸(mm) 容重(kN/m3) E(kPa) 泊松比
筏板 400 25 30000000 0.2
建筑物 实体 - 0 31500000 0.2

  3.3边界条件及工况设置

  三维模型中边界条件为底部约束XYZ三个方向位移,模型前后侧约束Y位移,左右侧约束X方向位移。

  本次分析主要是分析拟建建筑物在复杂真实地层情况下的不均匀沉降,考虑的是建筑物施工产生的增量位移,故对初始应力场引起的位移进行清零。共分为3个施工工序,具体如表3所示。

  表3模拟施工工序

序号 工况 描述 备注
0 初始应力场分析 激活所有地层
1 施工建筑物-1 建立筏板及下部建筑 激活筏板及地下建筑荷载
2 施工建筑物-2 建立上部建筑物 激活上部建筑荷载
3 覆土 回填覆土

  3.4结果展示

  首先,查看整体位移结果,下图分别为施工完成后整体位移云图

  图10整体水平位移云图

  图11整体竖向位移云图

  参照对应规范要求,本项工程持力层土质属于:一般第四纪黏性土、粉土与砂、卵石互层。长期沉降量最大值为100mm。地层沉降最大值为34.19mm地面沉降均符合变形控制要求。

  下图分别为建筑物最后工况下的位移结果

  图12回填覆土下建筑物水平位移

  图13回填覆土下建筑物竖向位移

  《超长大体积混凝土结构跳仓法技术规程》(T/CECS640-2019)第4.1.3条中主楼结构与裙房或地下车库结构在地下部分连成整体时,应采取有效措施减少差异沉降,主楼、裙房或地下车库均为天然地基,经计算相邻跨的柱或墙基础不均匀沉降值小于L/500,或绝对差异沉降小于30mm;主楼与地下车库沉降差为18.4mm。满足绝对沉降差异小于30mm的要求。

  4、小结

  GTSNX软件中丰富的建模功能可以实现岩土的实际地形以及地层的模拟,丰富的接口又可以实现上下部的整体式协同分析,所以软件在处理复杂问题时可以更加快速准确的完成项目的分析。同时可以快速进行结果提取,与绘图软件进行无缝对接,更快速的完成所需的报告内容,节约工程师的时间。

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