素混凝土樁復(fù)合地基高層建筑沉降研究

王超楠，胡曉鵬，劉明振

(1.西安建筑科技大學(xué) 建筑設(shè)計(jì)研究院， 陜西 西安 710055；2.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院， 陜西 西安 710055)

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素混凝土樁復(fù)合地基高層建筑沉降研究

王超楠1，胡曉鵬2，劉明振2

(1.西安建筑科技大學(xué) 建筑設(shè)計(jì)研究院， 陜西 西安 710055；2.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院， 陜西 西安 710055)

為分析復(fù)合地基沉降計(jì)算方法在西安地區(qū)的適用性，實(shí)測(cè)了西安地區(qū)某住宅小區(qū)多個(gè)應(yīng)用素混凝土樁復(fù)合地基的高層建筑沉降數(shù)據(jù)，并將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與多種復(fù)合地基沉降計(jì)算方法得到的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，探討了同類工程地質(zhì)條件下不同沉降計(jì)算方法的適用性，提出了不同計(jì)算方法的沉降經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。研究表明：在西安地區(qū)類似的復(fù)合地基沉降計(jì)算時(shí)，文中第二種統(tǒng)一算法簡(jiǎn)單易行且其計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)沉降變形最為接近；壓力擴(kuò)散法所得到的計(jì)算結(jié)果偏于安全且變異性較小，適于對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行復(fù)核。

高層建筑；復(fù)合地基；沉降計(jì)算；實(shí)測(cè)沉降

樁基礎(chǔ)和復(fù)合地基是目前最常用的高層建筑地基基礎(chǔ)形式，而復(fù)合地基由于其工程造價(jià)較低、工藝簡(jiǎn)單、施工速度快等優(yōu)點(diǎn)受到建設(shè)單位及設(shè)計(jì)單位的青睞。其中，素混凝土樁復(fù)合地基作為剛性樁復(fù)合地基形式之一，與一般柔性樁相比承載力更高。高層建筑的地基基礎(chǔ)不但須滿足地基承載力的要求，其沉降變形也須符合相關(guān)規(guī)范的要求，沉降變形的控制一直都是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，關(guān)于復(fù)合地基沉降的計(jì)算方法國(guó)內(nèi)外開展了理論和試驗(yàn)研究，提出了相應(yīng)的沉降變形計(jì)算方法[1-11]。目前，復(fù)合地基沉降計(jì)算方法主要有兩種：《復(fù)合地基技術(shù)規(guī)范》[12](GB/T50783-2012)給出的分段變形疊加法和各種設(shè)計(jì)軟件中基于《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[13](GB5007-2011)的分層總和法，這兩種計(jì)算方法實(shí)用性強(qiáng)，但計(jì)算中經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的取值對(duì)計(jì)算結(jié)果影響極大，不同地區(qū)應(yīng)用中經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的取值有較大差異。當(dāng)復(fù)合地基樁在樁長(zhǎng)范圍內(nèi)沒(méi)有堅(jiān)實(shí)的持力層時(shí)，即使地基承載力能夠滿足設(shè)計(jì)要求，高層建筑的計(jì)算沉降量也難以保證。出于對(duì)建筑物沉降控制的擔(dān)憂，設(shè)計(jì)人員常限制此類復(fù)合地基在高層建筑尤其是25層以上的高層建筑中使用。在西安地區(qū)，對(duì)采用復(fù)合地基25層以上的高層建筑沉降量缺乏相對(duì)準(zhǔn)確的計(jì)算和工程經(jīng)驗(yàn)積累，采用素混凝土樁復(fù)合地基的工程案例較少。

本文通過(guò)實(shí)測(cè)西安地區(qū)某住宅小區(qū)多個(gè)應(yīng)用素混凝土樁復(fù)合地基的高層建筑沉降，對(duì)比分析實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與多種復(fù)合地基沉降計(jì)算方法得到的計(jì)算結(jié)果，研究同類工程地質(zhì)條件下不同沉降計(jì)算方法的適用性，提出不同計(jì)算方法的沉降經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

1　復(fù)合地基沉降計(jì)算方法

1.1地基變形分段算法

復(fù)合地基的沉降變形可以分為兩大部分分別計(jì)算：

S=S1+S2

(1)

式中：S1為復(fù)合地基加固區(qū)復(fù)合土層壓縮變形；S2為復(fù)合地基下臥區(qū)壓縮變形。

1.1.1S1的計(jì)算方法

對(duì)于復(fù)合地基加固區(qū)復(fù)合土層壓縮變形S1，規(guī)范[13]根據(jù)復(fù)合地基類型給出了不同的計(jì)算方法。

(1) 柔性樁復(fù)合地基

(2)

式中：Δpi為第i層土的平均附加應(yīng)力增量；li為第i層土的厚度；ψs1為復(fù)合地基加固區(qū)復(fù)合土層壓縮變形量計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；Espi為第i層復(fù)合土體的壓縮模量，可利用下式求得。

Espi=mEpi+(1-m)Esi

(3)

式中：m為復(fù)合地基置換率；Epi為第i層樁體壓縮模量；Esi為第i層樁間土壓縮模量。

對(duì)于復(fù)合土體的壓縮模量，《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》[14](JGJ79-2012)給出了另一種算法。

Espi=fspk/fak·Esi

(4)

式中：fspk為深度修正后的復(fù)合地基承載力特征值；fak為基礎(chǔ)底面下天然地基承載力特征值。

以上計(jì)算方法均將樁體和土體視為復(fù)合土體，采用復(fù)合壓縮模量Esp來(lái)計(jì)算復(fù)合土體的變形，其取值對(duì)計(jì)算結(jié)果有重大影響。其中，式(3)可以通過(guò)彈性理論證明但計(jì)算結(jié)果偏安全[15]，式(4)為經(jīng)工程驗(yàn)證的工程常用經(jīng)驗(yàn)算法，在很多工程條件下計(jì)算結(jié)果均較符合實(shí)際沉降結(jié)果。

(2) 剛性樁復(fù)合地基

(5)

式中：Q為剛性樁樁頂附加荷載；l為剛性樁樁長(zhǎng)；Ep為樁體壓縮模量；Ap為單樁截面積；ψp為剛性樁樁體壓縮經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

此計(jì)算方法也屬于經(jīng)工程驗(yàn)證的工程常用經(jīng)驗(yàn)算法，多用于復(fù)合地基置換率較大的剛性樁復(fù)合地基。其中樁頂附加荷載的確定與樁土應(yīng)力比關(guān)系很大。對(duì)于素混凝土樁之類的剛性樁復(fù)合地基，由于樁體剛度較之地基土層相對(duì)很大，工程實(shí)踐中往往將所有基底荷載由樁體承擔(dān)，樁體壓縮模量取素混凝土的壓縮模量，樁體壓縮經(jīng)驗(yàn)系數(shù)通常取1.0。

1.1.2S2的計(jì)算方法

對(duì)于S2的計(jì)算目前設(shè)計(jì)中主要采用分層總和法計(jì)算：

(6)

式中：ψs2為復(fù)合地基加固區(qū)下臥土層壓縮變形量計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。對(duì)于作用在復(fù)合地基加固區(qū)下臥層頂部的附加壓力pz，根據(jù)復(fù)合地基類型有以下兩種算法。

(1) 壓力擴(kuò)散法—散體材料復(fù)合地基

(7)

式中：L為矩形基礎(chǔ)底邊的長(zhǎng)度；B為矩形基礎(chǔ)或條形基礎(chǔ)底邊的寬度；h為復(fù)合地基加固區(qū)的深度；a0、b0分別為基礎(chǔ)長(zhǎng)度、寬度方向樁的外包尺寸；p0為復(fù)合地基加固區(qū)頂部的附加壓力；為壓力擴(kuò)散角；f為復(fù)合地基加固區(qū)樁側(cè)摩阻力。

此種方法中應(yīng)力擴(kuò)散角的確定最為關(guān)鍵，各類文獻(xiàn)中對(duì)應(yīng)力擴(kuò)散角的選取也有很多不同的意見，設(shè)計(jì)中通常以規(guī)范[13]中表5.2.7作為應(yīng)力擴(kuò)散角確定的主要依據(jù)。

(2) 等效實(shí)體法—?jiǎng)傂詷稄?fù)合地基

(8)

此種算法多用于復(fù)合地基置換率較大的剛性樁復(fù)合地基，其中實(shí)體基礎(chǔ)側(cè)摩阻力f的取值通常采用工程勘察報(bào)告中給出的樁體側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值。

1.2地基變形統(tǒng)一算法

復(fù)合地基的沉降變形S可通過(guò)復(fù)合地基復(fù)合壓縮模量Esp及工程勘察報(bào)告中給出各層土體的壓縮模量Es，采用分層總和法計(jì)算得到[14]。

(9)

相比于分層總和法，沉降變形統(tǒng)一算法由于確定參數(shù)方便被廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)程序，目前常用的計(jì)算軟件如PKPM系列均支持此種算法。

2　計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析

2.1工程概況

西安地區(qū)某住宅小區(qū)總建筑面積約40萬(wàn)m2，項(xiàng)目主要由17棟地上28層或33層、地下1層的高層建筑組成，建筑結(jié)構(gòu)均為點(diǎn)板結(jié)合品字形布置的剪力墻結(jié)構(gòu)，圖1給出了某棟28層建筑物的基礎(chǔ)平面布置圖。小區(qū)范圍內(nèi)土層分布均勻，基底以下影響深度范圍內(nèi)土層自上向下依次為Q3黃土、Q3古土壤、Q3粉質(zhì)黏土、Q2粉質(zhì)黏土(局部含薄粗砂夾層)、Q2粉質(zhì)黏土，具有代表性的各層土體的厚度分布及沉降計(jì)算關(guān)鍵工程指標(biāo)見圖2。圖中，壓縮模量為土體相應(yīng)工況下應(yīng)力范圍內(nèi)數(shù)值，側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值為濕陷性預(yù)處理后的試驗(yàn)值。

圖1建筑地基平面布置圖

工程中先使用4 m～7 m不等的素土擠密樁消除場(chǎng)地濕陷性后，采用素混凝土樁復(fù)合地基作為復(fù)合地基方案。素混凝土樁樁徑均為400 mm，樁間距1.4 m，復(fù)合地基面積置換率為0.1，樁身混凝土強(qiáng)度為C25，樁長(zhǎng)22 m。復(fù)合地基計(jì)算復(fù)合地基承載力715 kPa，設(shè)計(jì)采用承載力特征值為630 kPa。

圖2地基土分層剖面圖

2.2沉降計(jì)算方法選取

根據(jù)本工程的實(shí)際情況，分別采用以下4種方法計(jì)算工程沉降變形。

2.2.1沉降變形統(tǒng)一算法一

選用常用的結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件PKPM-JCCAD中的柔性筏板假定沉降計(jì)算法計(jì)算。沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)參照規(guī)范[13]中表5.3.5確定，采用式(3)確定復(fù)合地基復(fù)合壓縮模量Espi，將各土層地質(zhì)資料輸入軟件，程序自動(dòng)將筏板劃分為多個(gè)小的矩形筏板單元后，采用式(9)計(jì)算基礎(chǔ)沉降。再對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行差值連接后得到整塊筏板的沉降分布。圖3給出了此種算法沉降的計(jì)算結(jié)果。

圖3第一種沉降變形統(tǒng)一算法沉降計(jì)算結(jié)果

2.2.2沉降變形統(tǒng)一算法二

采用式(4)確定復(fù)合地基復(fù)合壓縮模量Espi，其它沉降計(jì)算過(guò)程同算法一。軟件計(jì)算后得到的沉降計(jì)算結(jié)果分布見圖4。

圖4第二種沉降變形統(tǒng)一算法沉降計(jì)算結(jié)果

2.2.3壓力擴(kuò)散法計(jì)算沉降量

采用此種方法計(jì)算時(shí)將基礎(chǔ)等效為平面尺寸21 m×25 m的矩形基礎(chǔ)。采用式(5)計(jì)算復(fù)合地基加固區(qū)內(nèi)的壓縮變形S1。采用式(7)的壓力擴(kuò)散法計(jì)算復(fù)合地基加固區(qū)底面的附加壓力Pz，其中壓力擴(kuò)散角為30°。以壓力擴(kuò)散后的壓力值及壓力分布圖形，采用式(6)計(jì)算復(fù)合地基下臥區(qū)壓縮變形S2，式中計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)取為1.0。繼而采用式(1)得到總的沉降量S。應(yīng)用壓力擴(kuò)散法計(jì)算圖1所示28層建筑物沉降計(jì)算結(jié)果為55.0 mm。

2.2.4等效實(shí)體法計(jì)算沉降量

將復(fù)合地基加固區(qū)等效為21 m×25 m×22 m的實(shí)體基礎(chǔ)，采用式(5)計(jì)算復(fù)合地基加固區(qū)內(nèi)的壓縮變形S1。采用式(8)的等效實(shí)體法壓力擴(kuò)散法計(jì)算復(fù)合地基加固區(qū)底面的附加壓力Pz，其中選用勘察報(bào)告提供的CFG樁極限側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算實(shí)體基礎(chǔ)摩阻力。采用式(6)計(jì)算復(fù)合地基下臥區(qū)壓縮變形S2，式中計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)取為1.0。繼而采用式(1)得到總的沉降量S。應(yīng)用等效實(shí)體法計(jì)算圖1所示28層建筑物沉降計(jì)算結(jié)果為60.1 mm。

3　實(shí)測(cè)沉降數(shù)據(jù)與計(jì)算沉降數(shù)據(jù)對(duì)比

本項(xiàng)目于2013年下旬封頂，經(jīng)沉降觀測(cè)，各樓的沉降速率穩(wěn)定，且均無(wú)明顯的不均勻沉降現(xiàn)象。圖5給出了28層、33層各建筑物實(shí)測(cè)沉降與各計(jì)算方法得到的沉降計(jì)算結(jié)果的對(duì)比結(jié)果。從圖5中可以看出：

(1) 28層的高層住宅實(shí)測(cè)平均沉降為31 mm左右，33層高層住宅實(shí)測(cè)平均沉降為37 mm左右，沉降數(shù)值基本接近此類工程剪力墻下單排布置鋼筋混凝土長(zhǎng)樁(35 m左右)的沉降觀測(cè)數(shù)值。由于本工程設(shè)計(jì)中按照規(guī)范要求嚴(yán)格控制了筏板形心與結(jié)構(gòu)重心的偏心率，各樓均未發(fā)生較為明顯的不均勻沉降。由于本工程已經(jīng)達(dá)到了普通高層建筑的高度限值，可以推測(cè)：在此類工程條件下，普通高層建筑的沉降均可控制在50 mm以內(nèi)。

圖5建筑物沉降結(jié)果對(duì)比分析

(2) 在與本工程相似的工程地質(zhì)條件下，采用第一種統(tǒng)一算法的計(jì)算結(jié)果偏大，而第二種中統(tǒng)一算法與實(shí)測(cè)結(jié)果較為接近。工程設(shè)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)優(yōu)先選用第二種統(tǒng)一算法。

(3) 等效實(shí)體法得到的沉降計(jì)算值偏差的離散性較大，產(chǎn)生這種差異主要是由于建筑物體型造成的。由于本方法只考慮加固區(qū)外圍的摩阻力，當(dāng)加固區(qū)體型較大時(shí)，計(jì)算摩阻力發(fā)揮作用小，得到的計(jì)算變形較大，反之得到的計(jì)算變形則較小。因此，此方法實(shí)用性不強(qiáng)。

(4) 本文應(yīng)力擴(kuò)散法計(jì)算時(shí)采用30°作為應(yīng)力擴(kuò)散角，得到的計(jì)算結(jié)果偏大。應(yīng)力擴(kuò)散法的計(jì)算結(jié)果與應(yīng)力擴(kuò)散角的選取有很大的關(guān)系，應(yīng)力擴(kuò)散角越大，得到的變形量通常越小。本文采用30°作為應(yīng)力擴(kuò)散角，經(jīng)計(jì)算若公式(1)中沉降經(jīng)驗(yàn)系數(shù)ψs1取0.7得到的沉降計(jì)算結(jié)果與實(shí)際沉降量較為相近。

4　結(jié)　論

在西安地區(qū)類似的復(fù)合地基設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于復(fù)合地基的沉降，文中第二種統(tǒng)一算法的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)沉降變形最為接近，且計(jì)算方法簡(jiǎn)單易行便于設(shè)計(jì)人員采用。文中壓力擴(kuò)散法所得到的計(jì)算結(jié)果雖然偏大，但結(jié)果穩(wěn)定，偏于安全，且變異性小，適于對(duì)沉降變形計(jì)算結(jié)果進(jìn)行復(fù)核檢驗(yàn)，從而對(duì)建筑物沉降做出較為準(zhǔn)確的預(yù)判。文中其他兩種沉降計(jì)算方法，得到的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)沉降結(jié)果對(duì)比不理想，在實(shí)際設(shè)計(jì)中不宜優(yōu)先采用。

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Settlement of High Rise Building with Plain Concrete Pile Composite Foundation

WANG Chaonan1, HU Xiaopeng2, LIU Mingzhen2

(1.DesignInstitute,Xi'anUniversityofArchitectureandTechnology,Xi'an,Shaanxi710055,China; 2.SchoolofCivilEngineering,Xi'anUniversityofArchitectureandTechnology,Xi'an,Shaanxi710055,China)

In order to analyze the applicability of some composite foundation settlement calculation methods in Xi'an area, some settlement data of many high-rise buildings which applied plain concrete pile composite foundation were measured. Those settlement data and some calculation results which get from various composite foundation settlement calculation methods were compared and analyzed. The applicability of different calculation methods in similar engineering geological conditions was discussed. Some settlement experience coefficients of different calculation methods were proposed. The results show that similar composite foundation settlement calculation, the second unified algorithm is simple and its result is the closest to the measured settlement. The calculation result of the pressure diffusion method tends to be safe and the variation is smaller, the calculation method is suitable for the check of calculation results.

high-rise buildings; composite foundation ; settlement calculation; measured settlement

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.04.014

2016-04-14

2016-05-01

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51308441)；陜西省教育廳專項(xiàng)科研計(jì)劃項(xiàng)目(2013JK0951)

王超楠(1980—)，男，陜西西安人，碩士，工程師，主要從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。 E-mail：shs339@sina.com

TU473

A

1672—1144(2016)04—0068—05