當代·天境兩階段變剛度復合樁基礎現(xiàn)場測試

郭天祥　林樹枝　汪亞建　鄭智輝

(1.廈門新區(qū)建筑設計院有限公司　福建廈門　361012; 2.廈門市建設局　福建廈門　361001)

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當代·天境兩階段變剛度復合樁基礎現(xiàn)場測試

郭天祥1林樹枝2汪亞建1鄭智輝1

(1.廈門新區(qū)建筑設計院有限公司福建廈門361012; 2.廈門市建設局福建廈門361001)

兩階段變剛度復合樁基礎新技術，其創(chuàng)新點在于端承型樁的變剛度機制的實現(xiàn)。現(xiàn)場測試通過布置沉降觀測點、土壓力盒以及軸力計等測試儀器采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，分別從沉降、土應力、樁頂反力、荷載分擔比等方面分析兩階段變剛度復合樁基礎的工作機理，以驗證該工作機理在理論上的合理性。驗證結果表明，兩階段變剛度復合樁基礎的工作機理，在理論上有其可行性和合理性。

兩階段變剛度；復合樁基礎；現(xiàn)場測試

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0　引言

廈門當代·天境項目采用了兩階段變剛度復合樁基礎的新技術，其創(chuàng)新點在于端承型樁的變剛度機制的實現(xiàn)。與常規(guī)的復合樁基不同，兩階段變剛度復合樁基礎是通過在端承型樁樁頂設置變形調(diào)節(jié)裝置，實現(xiàn)了端承型樁與地基土的共同作用。在施工階段逐步加載過程中，其兩階段的受力機理，表現(xiàn)在第一階段主要由地基土承載為主，第二階段主要由端承型樁承擔后續(xù)增加的荷載[1]。

現(xiàn)場測試研究的目的在于進一步了解該變剛度復合樁基礎的共同作用機理，研究樁和地基土在不同階段的應力發(fā)展和變化情況、變形調(diào)節(jié)裝置的工作特點以及整個復合樁基礎的受力及變形規(guī)律。通過現(xiàn)場測試研究，進一步驗證了兩階段變剛度復合樁基礎的工作機理在理論上的可行性和合理性，為該新技術進一步在工程實踐中推廣應用打下基礎。本文介紹當代·天境B幢的現(xiàn)場測試研究情況。

1　基礎設計概況

當代·天境項目工程用地面積5 263.709m2，位于廈門市思明區(qū)民族路西南側。該項目設兩層地下室，地上部分由A、B兩幢高層住宅樓組成。其中B幢地上32層，地上1層為大堂，層高6.60m，其余各層均為住宅，層高3.1m，主屋面高度99.900m，剪力墻結構。主樓平面尺寸為30.0*16.2m，為倒T型平面，高寬比為6.20，平面圖詳見圖1。

圖1　當代·天境B幢平面圖

基礎底板以下土層為⑥殘積砂質(zhì)粘性土，局部為⑦全風化花崗巖層，力學性能相對較高。下部堅硬巖土層為⑧強風化花崗巖、⑨中風化花崗巖、⑩微風化花崗巖，其中⑨和⑩層埋藏較深。主要受力土層的力學性能指標如表1。

端承型樁采用直徑1.0m的人工挖孔樁，樁長約10.0m，樁端持力層為強風化花崗巖。筏板厚度2.0m，其下地基土層為⑥殘積砂質(zhì)粘性土(局部小范圍為⑦全風化花崗巖層)，具體基礎布置見圖2。

表1　巖土設計參數(shù)建議值表

圖2　B幢挖孔樁定位平面圖

每根樁樁頂均設置由3臺調(diào)節(jié)器并聯(lián)組成變形調(diào)節(jié)裝置，如圖3所示。樁基礎與變形調(diào)節(jié)裝置的組合相當于豎向剛度大小相差較大的兩個彈簧串聯(lián)，如圖4所示。

圖3　變形調(diào)節(jié)裝置的平面布置

圖4　兩階段變剛度樁基礎示意

由于調(diào)節(jié)裝置的剛度較小，樁基礎的豎向支承剛度降低到一個適當?shù)乃?，使樁與地基土的支承剛度相協(xié)調(diào)，保證基礎承臺產(chǎn)生一定的沉降量而使地基土發(fā)揮承載作用，此為第一階段；當?shù)鼗脸袚暮奢d已經(jīng)接近或達到設計允許值時，將變形調(diào)節(jié)裝置的空腔采用高強材料填充密實，即端承樁的豎向剛度達到設計要求的大剛度水平，后續(xù)增加的荷載主要由端承樁來承擔，此為第二階段。

2　現(xiàn)場測試方案

為了進一步研究兩階段變剛度復合樁基礎的工作機理，對當代·天境B幢進行現(xiàn)場測試，測試內(nèi)容主要包括對基礎沉降的監(jiān)測和地基土壓力以及樁頂反力的測試等。

2.1測試儀器的布置

根據(jù)測試需要，在主樓均勻布置沉降觀測點，用于觀測主樓結構及地下室的沉降變形情況。在具有代表性的端承型樁頂安裝用于測試樁頂反力的軸力計，在地基土與筏板接觸處沿筏板縱向和橫向布置一定數(shù)量的鋼弦式土壓力盒，便于觀測樁土共同作用的情況，具體測試儀器的布置詳見本文第3節(jié)。

2.2測試方法和頻率

2.2.1沉降觀測

采用精密水準經(jīng)緯儀進行沉降觀測。沉降觀測點均勻布置于建筑物周圈及核心筒位置。地下2層剪力墻施工完成后，即在墻上埋置沉降觀測點開始記錄基礎沉降，待地上1層剪力墻施工完畢后，再將沉降觀測點引至地上1層柱墻上進行后續(xù)觀測。

沉降觀測頻率：監(jiān)測元件埋設好后即進行1～2次初測，以后結構每施工2層觀測1次，結構封頂后至竣工驗收每兩個月觀測1次。

2.2.2地基土壓力測試

為了解建筑物在施工及使用過程中的地基土中的應力情況，采用鋼弦式土壓力盒對基礎底土層的應力進行監(jiān)測。為了監(jiān)測建筑物橫向及縱向的土應力分布規(guī)律，將土壓力盒布置于8軸及E軸左半部(建筑物對稱)，并延伸至主樓外相關范圍。在墊層澆搗完畢后，按設計要求，埋設好土壓力盒并進行初測，將導線引至鄰近柱位地下室二層底板標高面上1m左右，并安裝導線保護箱，做明顯標記。

地基土壓力測試頻率：應力計埋設好后即進行1～2次初測，地下室施工期間，每施工1層，觀測1次；上部結構施工過程中，結構每施工2層觀測1次，結構封頂后至竣工驗收每三個月觀測1次。

2.2.3樁頂反力測試

采用軸力計監(jiān)測樁基在上部結構施工及使用過程中的反力。在地下室二層底板施工前，在每個指定監(jiān)測點的樁頂，埋設3個樁頂軸力計，埋設好后進行初測，并將導線引至地下室二層底板標高面上1m左右。樁頂反力測試頻率與地基土壓力測試相同。

3　現(xiàn)場測試分析與研究

本工程于2009年進行設計并動工；2010年3月完成地下室土方開挖并開始施工人工挖孔樁；2011年12月建筑物主體結構封頂，接著開始樁頂變形調(diào)節(jié)裝置空腔的“注漿”(采用高強度的灌漿料進行填充)?，F(xiàn)場測試自2010年11月開始至2013年6月，共歷時約兩年半。

3.1建筑物沉降

兩階段變剛度復合樁基礎的沉降變形，主要發(fā)生在第一階段，第二階段樁基礎頂部的變形調(diào)節(jié)裝置”注漿”，端承樁的剛度實現(xiàn)到”大剛度”水平，第二階段后續(xù)荷載主要由端承樁承擔，第二階段的沉降量很小，可忽略不計。也就是說，兩階段變剛度復合樁基礎的沉降具有階段性的特點。

根據(jù)實測資料，B幢共設置9個沉降觀測點，具體分布見圖5。B幢復合樁基礎從2010年7月完成基礎筏板的混凝土澆筑至2011年12月24日結構封頂并對變形調(diào)節(jié)裝置“注漿”，該階段為兩階段變剛度復合樁基礎第一階段，沉降觀測12次；變形調(diào)節(jié)裝置“注漿”填充后至2012年7月為第二階段，觀測7次。其中2012年1月15日的觀測數(shù)據(jù)點為復合樁基礎沉降變形觀測的“拐點”，見圖6。

圖5　建筑沉降觀測點布置示意圖

圖6　建筑主樓平均沉降時程曲線圖

根據(jù)實測資料，B幢實測最大沉降為10.3mm，最小沉降為8.9mm，平均沉降為9.4mm。其平均沉降隨時間的變化曲線見圖6。由圖可見：①變形調(diào)節(jié)裝置“注漿”前后的觀測數(shù)據(jù)反映出沉降變形呈現(xiàn)明顯的兩階段特征，第一階段變形量大，曲線陡降，第二階段變形很小，曲線平緩；②第一階段的平均沉降量為8.9mm，第二階段的平均沉降量為2.8mm；③2010年1月15日至2010年3月15日這一時間段內(nèi)，基礎沉降很小，約為1.6mm，而從2010年3月15日開始，變形曲線開始大幅下探，基礎開始逐漸產(chǎn)生較大的沉降變形。分析以上數(shù)據(jù)，可以得到以下4個結論：

(1)第一階段主要由地基土承擔大部分荷載，沉降變形主要發(fā)生在該階段，沉降量較大；第二階段后續(xù)荷載主要由端承型樁承擔，沉降量很小。

(2)第二階段觀測到后續(xù)荷載作用下，端承型樁有2.8mm的沉降量，在總沉降量中的所占比例較預估的略大。初步分析認為，樁端持力層為全風化巖層，持力層泡水軟化可能是造成沉降偏大的原因。

(3)2010年1月15日至2010年3月15日這一時間段內(nèi)基礎沉降很小，之后沉降才逐漸加大加快。分析認為，前期基礎荷載遠遠小于基坑開挖挖除的土自重，地基土處于欠補償狀態(tài)，基底不會產(chǎn)生附加應力或者附加應力很小，因此該階段的基礎沉降不明顯。

(4)實測沉降量遠小于理論估算值，分析其主要原因有以下兩點：①地質(zhì)報告中提供的土層變形模量可能比實際偏??；②實際工程中，受地下室剛度對上部荷載擴散影響，主塔樓的基礎荷載小于數(shù)值分析時的荷載。因此，工程設計沉降計算的理論值尚應考慮一個適當?shù)慕?jīng)驗折減系數(shù)。

3.2基底土應力

從圖7可以看出，E軸線上土壓力盒沿筏板基礎布置于8軸左側。圖8為E軸線的土應力分布。為了便于觀察E軸土應力分布情況，在圖8中，將土應力值關于8軸鏡像。其中，13#土壓力盒數(shù)據(jù)缺失；4#與12#土壓力盒間距較大，中間數(shù)據(jù)采用兩者插值。從圖可以看到，建筑物封頂半年后的實測基底最大土應力為98kPa(3#土壓力盒)，具體位置位于主樓最外邊一側山墻附近；最小土應力為65kPa(12#土壓力盒)，具體位置位于筏板中部(電梯基坑處)。沿縱向，外側端部基底反力是中部基底反力的1.5倍；從第二次觀測開始，沿縱向基底反力邊端較大而中部較小的分布就基本形成。隨著上部荷載的增加，基底反力基本同步增加，增加的幅度也基本均勻，逐漸形成常規(guī)筏板基礎典型的“馬鞍形”土反力分布[2]。但埋設位置位于中部的12#土壓力盒的數(shù)據(jù)表現(xiàn)異常，隨著荷載逐層增加，土反力反而出現(xiàn)減小情況，原因不明。此外，離主樓范圍12m處1#土壓力盒土壓力為86kPa，大于設計預估值，說明地下室對主塔樓荷載的擴散作用明顯。

圖7　土應力觀測點布置示意圖

圖8　E軸土應力分布圖

圖9為⑧軸線的土應力分布，該軸線上土壓力盒沿筏板基礎全長布置，其中，13#與15#土壓力盒數(shù)據(jù)缺失，以兩側土壓力盒數(shù)據(jù)插值代替。與E軸土壓力曲線分布相似，從圖中可以看到，建筑物封頂半年后的土反力較大位置出現(xiàn)在主樓外側筏板端部，16#和6#土壓力盒位置，分別位于主樓外側約10m和5.5m處，其中16#土壓力盒土反力為152kPa，6#土壓力盒為113kPa。土反力最小處出現(xiàn)在11#土壓力盒位置，位于筏板中部靠近電梯基坑處。邊端土壓力最大值為中部土壓力最小值的1.7倍。同樣的，從第二次觀測開始，沿橫向基底反力邊端較大而中部較小的分布就基本形成，且隨著上部荷載的增加，基底反力基本同步均勻增加，逐漸形成常規(guī)筏板基礎典型的“馬鞍形”土反力分布。此外，離主樓范圍9.5m處5#土壓力盒土壓力為92kPa，大于理論計算值，說明地下室對主塔樓荷載的擴散作用明顯。

圖10為B幢基底平均土應力隨時間和荷載增加的增長變化曲線。從圖中看到，基底平均土應力隨著時間的增長近似呈線性增大，主樓部分基底最終土應力平均值約為75kPa，遠小于設計預估值400kPa。

圖9?、噍S土應力分布

圖10　基底平均土應力

分析以上數(shù)據(jù)，認為有三方面原因：

(1)2012年7月停止土壓力的測試時，建筑裝修和幕墻工程以及少量砌體砌筑工程還未完成，該階段荷載大約為預估荷載的85%；

(2)地下室為兩層，主樓范圍內(nèi)的地下室為鋼筋混凝土剪力墻結構，剛度很大，主樓以外地下室對上部主樓荷載的擴散，使得主樓范圍平均土壓力減??；

(3)地下水對基礎筏板的浮托作用。

另外可以看到，在2011年12月結構封頂并對變形調(diào)節(jié)裝置“注漿”，此后平均土應力增長緩慢，基本不變，說明在進入第二階段后，后續(xù)增加的荷載開始由端承樁承擔，地基土基本不再承擔荷載，該曲線反映了兩階段變剛度復合樁基礎的兩階段特征。

3.3樁頂反力

從圖11中可以看出，樁頂反力計布置于主樓核心筒下74#～76#樁，圖12為此三根樁樁頂反力隨時間的變化曲線。第一階段樁頂反力逐漸增長，其中，從監(jiān)測開始至2011年4月8日增速較緩，然后至2011年5月7日樁頂反力迅速增大，隨后平緩增長，最大值為556kN(76#樁)，在第一階段末略有下降；第二階段樁頂反力基本不變。

由于樁頂反力計均集中布置于主樓中部核心筒下，缺少主樓兩側樁頂反力監(jiān)測數(shù)據(jù)，因此對于結果分析具有一定的局限性，難以反映樁基礎整體受力情況。

圖11　樁頂反力觀測點布置示意圖

圖12　74#～76#樁頂反力圖

3.4樁土荷載分擔比

從圖13中可以看到，第一階段樁所承擔的荷載值穩(wěn)定地保持在一個較低的水平，約為20%～30%，而地基土承擔的荷載約為上部荷載的70%～80%，這

圖13　樁土荷載分擔比隨時間的變化曲線

一階段樁土荷載分擔比保持平穩(wěn)，該階段復合樁基礎的荷載承擔機制與常規(guī)筏板基礎類似。

第二階段地基土分擔的荷載基本不變，樁承擔的荷載基本保持在原有水平，實測樁頂荷載未出現(xiàn)較大幅度的增長，該現(xiàn)象似與兩階段變剛度復合樁基礎的受力機理不符。但進一步的分析發(fā)現(xiàn)，實測結果與理論分析不一致，系實測數(shù)據(jù)采集范圍受限所致。樁頂反力計均集中布置在主樓中部范圍，缺少周邊樁頂反力監(jiān)測數(shù)據(jù)，未能真實反映出樁基礎分擔荷載的整體情況；而根據(jù)有關研究[3]，受厚度較大的筏板“架越作用”的影響，推測其后續(xù)增加的荷載應多由邊端基樁分擔，因此中部基樁分擔荷載增幅不大。根據(jù)第二階段地基土反力基本保持不變也可以推測出，此階段增加的荷載主要由樁基礎承擔。

4　結語

(1)兩階段變剛度復合樁基礎在第一階段主要由地基土承擔荷載；到第二階段，后續(xù)荷載主要由端承型樁承擔。

(2)兩階段變剛度復合樁基礎的沉降變形呈現(xiàn)明顯的兩階段特征，基礎沉降主要發(fā)生在第一階段，第二階段沉降量很小，可以忽略不計；此外，實測沉降量遠小于理論估算值，則采用規(guī)范推薦公式進行沉降計算時，應結合當?shù)毓こ探?jīng)驗，考慮對計算結果進一步折減。

(3)兩階段變剛度復合樁基礎在第一階段的基底土應力的特性與常規(guī)筏板基礎相似，呈現(xiàn)邊端大、中部小的“馬鞍形”分布規(guī)律。

(4)實測基底反力小于理論計算值，初步分析其影響因素有：地下水的浮托作用、純地下室部分對主樓荷載的擴散作用、土壓力盒的精度以及其它人為因素等，尚有進一步研究和探查的必要。

(5)主樓與純地下室交界處外側一定范圍內(nèi)，地下室對主樓荷載擴散作用明顯，該范圍地基土反力實測值大于計算值，應引起注意。

[1]林樹枝，郭天祥，何波.兩階段變剛度端承樁復合樁基的設計及應用[J].福建建筑，2010(005)：1-4.

[2]高大釗.土力學與基礎工程[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1999.

[3]華南理工大學，浙江大學,等.基礎工程(第二版)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.9：68-73.

郭天祥(1971.3-)，男，高級工程師,主要從事結構設計方面的研究。

林樹枝(1963.5- )，男，教授級高級工程師,主要從事結構工程、地基基礎方面的研究。

汪亞建(1984.9-)，男，工程師,主要從事結構設計方面的研究。

鄭智輝(1985.8-)，男，工程師,主要從事結構設計方面的研究。

Field testing on composite pile foundation of two phase variable stiffness for Dangdai tianjing

GUOTianxiang1LINShuzhi2WANGYajian1ZHENGZhihui1

(1.Xiamen New Urban Architectural Design Institute Co.,Ltd.,Xiamen 361012;2.Xiamen Construction Bureau,Xiamen 361003)

In this paper, the field test of the composite pile foundation is introduced, through the arrangement of settlement observation point, soil pressure box and axial force meter measuring instrument to collect field data. Respectively from the the settlement, soil stress, pile force and load sharing ratio analysis of composite pile foundation, the rationality of the working mechanism in theory and reference for engineering design were verfied.

Two phase variable stiffness；Composite pile foundation；Field testing

廈門市建設科技計劃(2011-2-2)資助項目。

郭天祥(1971.3-)，男，高級工程師。

2015-09-01

TU47

A

1004-6135(2016)01-0030-05