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湿陷性土中钢筒仓桩筏基础沉降控制的数值分析
摘 要：本文通过对建于巴西农业边境深处的马托格罗索州的一个特殊城市的仪器结构进行数值分析，评估了桩筏基础在粮食筒仓沉降控制中的潜在用途。在这个城市，建造了8个钢制粮仓，并对指定点进行了地形监测。利用有限元混合数值工具对筒仓进行数值反演，以验证在储粮季节隔离(无桩)基础筏板之间的相互作用。随后进行参数分析，以验证桩筏的潜在用途以减少沉降，并根据筏底压实土层的使用、筏板厚度和桩长以及基础系统内的布置来改进设计。数值分析表明，采用几何因子为0.09的桩筏布置方案对减小不均匀沉降和总沉降是一个很好的优化方案。在这种安排下，桩间距、桩径或桩数的改变，导致较高的几何因素，不能显著减少沉降。筏板厚度的增加和压实土层的使用也不能显著改善地基沉降。替代的优化解决方案能够确保筒仓的适用性和安全性要求，可作为设计基准。
关键词：桩筏；粮仓；基础设计；湿陷性土壤；沉降。
Numerical Analysis of Piled Raft Foundations Designed for Settlement
Control on Steel Grain Silos in Collapsible Soils
Heitor Cardoso Bernardes1bull;Humberto Laranjeira de Souza Filho1
bull;Arthur Duarte Dias1bull;Renato Pinto da Cunha
Iran University of Science and Technology
Abstract: The present article assesses the potential use of piled raft foundations for settlement control in grain silos, by performing numerical analyses with instrumented structures built in a particular city of the Mato Grosso state, deep in the Brazilian agricultural frontier. In this city, eight steel grain silos were constructed, and settlements were topographically monitored. The silos were numerically back analyzed using a finite-element-based hybrid numerical tool to verify interactions influence between the isolated (unpiled) foundation rafts during the grain storage season. A parametric analysis was subsequently carried out to verify the potential use of piled rafts to decrease settlement, as well as to improve design in terms of a better configuration concerning the use of compacted soil layers beneath the raft, raft thickness and pile length, and disposition within the foundation system. The numerical analyses indicated the use of a piled raft arrangement with a geometric factor equals to 0.09 as a proposed optimized solution aiming to minimize differential and total settlements. From this arrangement onwards, changes in pile spacing, pile diameter or in the number of piles, leading to higher geometric factors, were not able to provide significant settlement reductions. The increase in raft thickness and the use of compacted soil layers do not contribute to major improvements in the foundation settlement. The alternative optimized solution was able to ensure the serviceability and safety requirements of the silos, which can serve as a design benchmark.
Keywords: Piled raft; Grain silos; Numerical modeling; Foundation design; Collapsible soils; Settlement
1 绪论
桩筏基础的优势在于解决了钢粮仓的季节性和相对快速的装卸特性，主要与桩作为“减沉”单元的设计有关，筒仓支承板起着基础筏的作用。此外，该筏板允许荷载在桩之间分布，并通过在筏板-土壤界面处传递接触压应力来承载部分上部结构荷载，从而保证了地基系统（筏 桩）对土工破坏的地基承载力和整体安全系数的提高。
当建筑作为一个独特的系统或岩土地基的“群”来支撑筒仓时，这种复合系统的基础单元之间的相互作用可以增加筒仓的总位移。现在考虑到相邻建造筒仓之间的相互作用，按顺序建造（该区域通常如此），得出的沉降量可能会达到较高且最可能不可接受的差值或总值，从而影响这些结构的运行。其他结构特征可能会对筒仓的性能造成更大的阻碍，如在地基路堤的连续压实阶段，土壤的不均匀放置，或在巴西中西部地区（农业边界内）发现的一些热带土壤的湿陷特性。这些方面可能导致筒仓筏板处的压力分布不均匀，增加其不均匀沉降[1]或湿陷性土壤特性引起的总沉降。
因此，本文件重点介绍了一个由八个钢制谷物筒仓组成的实际案例研究，每个筒仓的直径为32.4 m，粮食容量为12000吨，建在马托格罗索州的阿拉瓜省萨奥市，即巴西中西部地区。最初，将不均匀沉降和总沉降预测与筒仓施工监测过程中进行的现场测量进行比较，以便通过反分析过程对数值模型进行校准。此后，进行参数分析，以验证不同筒仓设计概念的影响，如筏板厚度的变化、在筏下的压实土层和不同桩长的使用，以及筒仓基础系统内的位置。尽管相当简化，但考虑到使用了混合数值工具[2]（桩筏的GARP岩土工程分析），这些分析可以隐含地考虑一些无疑影响结果的场地特征。例如，这些分析可以间接地考虑当地沉积物的热带性质和溃散特性，还可以预测设计修改后实际筒仓的性能情况。这一贡献增强了基础筒仓的设计和建模的知识，特别是考虑到它们作为桩筏系统群的同时交互影响。
2 文献综述
储存筒仓是为确保收获期后储存的农产品的保存和耐久性而建造的结构。在巴西，最常见的筒仓类型是具有金属结构的筒仓或圆柱形壳体。构成钢筒仓的构件之间的连接形式在[3]中有详细说明，指的是固定在混凝土环上的金属板，该混凝土环支撑整个筒仓荷载，并接收所谓的“竖框”。竖梃作为立柱，承受农产品和结构本身的垂直荷载，并固定在锚定在圆环中的金属支架中。
这种类型的结构在地面上施加快速和循环荷载，由于土壤上发生高变形，这通常会影响安全要求。因此，有必要在不影响筒仓操作的前提下，改进保证系统稳定性的基础系统技术。为了更好地控制筒仓中的沉降，桩筏基础更经常使用，尽管在该区域内没有这样设计（而是作为传统的深基础群，其中桩吸收所有上部结构荷载）。桩筏基础由筏板、桩、土三个单元组成。当受到垂直荷载时，筏板通过接触压力将其分布到地面，以及桩组[4]。简言之，筏板和桩负责将荷载传递到地面，激活不同土层的承载力。
使用桩筏基础最有效的应用是当筏板本身具有足够的结构承载能力，但其在总沉降或不均匀沉降方面的性能不足时[5]。这是巴西中西部粮仓设计的主要问题，即由于缺乏桩基（单独的独立筏），或考虑到一些局部沉积物的坍塌现象，粮仓过度沉降。一旦通过适当的设计方法安装在筏下，桩可以提供优化的沉降控制，从而增加地基刚度。桩筏的设计前提是利用地基与筏板之间的接触，使桩筏基础设计能够提高地基承载力或减少控制其差异沉降所需的桩数（6）。基于有限元分析的数值研究能够证明，通过在筏板中心周围布置桩，差异沉降减小[7]。在土工离心机上进行荷载试验，并针对不同的复合筏和土壤刚度建立不同的场景，验证了类似的行为[8]。在筏板基础上采用压实土层是减少桩筏基础中差异沉降的另一种方法，是钢粮筒仓基础设计中常用的一种技术。在桩筏基础上进行小型1 g荷载试验，以验证筏板下砂垫层对地基整体性能的影响[ 9 ]。结果表明，砂垫层能显著提高筏板的极限承载力，但对地基总沉降的影响是可以忽略的，这就需要采用桩作为沉降减速机。离心模型研究表明，筏板下压实砂层的存在能够防止地基在地震荷载作用下的横向移动[10]，这可能允许在筒仓桩筏设计中使用非连接桩。
文[11]提出了一种以桩筏不均匀沉降最小为目标的桩位优化方案。其他研究[12，13]集中在桩长变化方面，旨在优化桩筏基础的角变形控制。更完整的优化技术同时考虑不同的桩筏参数，如筏板厚度、桩数和桩布置[14]。最近，机器学习技术的潜力，如人工神经网络，已被用于预测桩和桩筏的行为[15，16]，允许在减少数值分析时间的情况下实现优化设计。
从小规模1g荷载试验[17]和离心模型试验[18]获得的实验证据表明，施加在地面上的筏板压力可以增加基础桩和地面之间的表面摩擦，从而增加桩的极限承载力负载能力。从接触的瞬间，在基础单元之间会发生更大的相互作用，提供改进的筏承载能力，以及沉降性能增强[19 ]。由于筏板、桩与土相互作用的复杂性，需要对桩筏基础系统进行合理的设计和优化。常用的数值工具有边界元法（BEM）、有限元法（FEM）或混合方法，它们将边界元法或有限元法与基于弹性理论的解析解相结合。
边界元法将区域离散化减少到边界，从而以较低的计算工作量增强分析。然而，该方法只允许对完全刚性的筏进行建模[20，21]，这在设计较大的桩筏时通常是不合适的。在承受分布荷载的桩筏中，如在粮仓中，群桩往往在桩之间呈现均匀的荷载分布，这并不证明使用刚性筏是合理的[22]。
基于有限元法的数值工具是桩筏分析最精确的工具[2]。基于模拟地基材料的不同本构模型的选择，该方法允许以应变和应力的形式表示离散介质的行为[23 ]。利用〔24〕对湿陷性热带地基上桩筏的三维有限元分析，支持和推广了在相当明显的土工介质上建立的相似地基系统的结论。对有缺陷的桩筏进行大规模荷载试验的实验结果与三维有限元分析相关联[26]，证明了这种数值方法在正确解释系统构件内荷载分布方面的有效性。
三维有限元分析的使用还允许通过壳体有限元表示筒仓上部结构，正确模拟筒仓中的土-结构相互作用（SSI）效应[27]。将此方法应用于某糖仓桩筏基础（27）的荷载-沉降特性反分析，对不同加载阶段的模拟和SSI效应的考虑，在不同时期的实测沉降量和计算沉降量之间具有很好的一致性。然而，筒仓实际地基群问题的三维性质要求整个岩土剖面离散化，这增加了三维有限元分析的计算工作量，限制了其在涉及多基础系统相互作用的问题中的应用。这也给桩筏结构的优化设计带来了困难。对于这类问题，可以使用混合数值工具，因为许多作者在[2,20,22,28–36]之前已经成功地开发和应用了这种方法。最近，[37]开发了一种用于桩筏分析的混合数值工具，可以使用双曲线模型考虑桩的非线性行为。分析表明，桩的非线性行为改善了桩间的荷载分布。研究还强调了使用Mindlin板单元进行中厚筏数值分析的重要性，特别是在考虑集中荷载的情况下。利用数值分析（38—40）研究了桩筏缺陷的桩筏性状，其中考虑了桩筏基础的基础设计和不同的单桩刚度，考虑了加固方案。额外的参数模拟表明，桩长的变化对桩筏安全系数的影响大于桩的杨氏模量（因此是其材料）的变化，这对于需要加固的实际情况可能很有意义[40]。
最近的研究调查了地下水位变化的影响[41]和非对称桩布置[17]对摩擦土壤中桩筏行为的影响。数值证据表明，地下水位低于等于筏板宽度两倍的深度并不意味着差异沉降的显著变化[41]。一系列小规模1g桩筏荷载试验表明，不对称的桩位布置会导致较大的不均匀沉降和不对称的桩荷载和筏板应力分布，有利于局部土体的屈服[17]。
因此，本文是桩筏基础研究的延伸，重点是巴西中西部地区钢筒仓的实际设计，这是一个具体的课题，目前当
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