超厚濕陷黃土區(qū)SHR-SRC 結(jié)構(gòu)施工過(guò)程沉降監(jiān)測(cè)與分析

宋彧，羅小博

（蘭州理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州730050）

近年來(lái)，從我國(guó)國(guó)情出發(fā)，SHR 結(jié)構(gòu)得到了快速發(fā)展，其結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜多樣.然而SRC 結(jié)構(gòu)以受力合理、穩(wěn)定性好、強(qiáng)度高、剛度大，延性、耗能性及抗震性能好等諸多力學(xué)優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用到大跨度、高層及SHR 結(jié)構(gòu)中；此外，它以減小構(gòu)件截面面積并充分利用材料、施工便捷、建造速度快、社會(huì)效益好、防火防銹耐久性大大提高等突出特點(diǎn)在土木工程界深受“青睞”.眾所周知，SHR 結(jié)構(gòu)因高、重特點(diǎn)，建造在良好地基上并非易事，然而在超厚黃土濕陷性地基中修建SHR-SRC 結(jié)構(gòu)，因地下土體物理、力學(xué)性能存在巨大差異及樁土的復(fù)雜受力等因素影響，使其安全性在施工過(guò)程中顯得尤為重要，全方位沉降監(jiān)測(cè)是保證安全的重要舉措.

目前，眾多國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于大量沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)SHR 結(jié)構(gòu)的沉降特性及規(guī)律進(jìn)行了研究.在國(guó)內(nèi)，主要集中在沿海軟土地帶，姜晨光等[1]早先根據(jù)大量資料，得出了沉降時(shí)效基本規(guī)律及相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式；錢(qián)思眾等[2]對(duì)高層建筑地基沉降監(jiān)測(cè)表明，施工速度與場(chǎng)地條件都會(huì)影響沉降速率；劉射洪等[3-4]以工程實(shí)例與模型相結(jié)合，證明黏土地基沉降具有時(shí)變性，其效應(yīng)對(duì)SHR 結(jié)構(gòu)內(nèi)力有重要影響；馬思文[5]以632.0 m 上海中心大廈為工程背景，對(duì)施工過(guò)程中沉降量進(jìn)行了監(jiān)測(cè)；蘭澤英等[6]通過(guò)自主研發(fā)的新型擺動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（CCD）對(duì)SHR 等結(jié)構(gòu)進(jìn)行了精準(zhǔn)測(cè)量；袁長(zhǎng)豐等[7]利用4 年的沉降實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，得出沉降量不隨時(shí)間、荷載的增大呈線性變化，并引出了沉降曲線函數(shù)；文獻(xiàn)[8-9]對(duì)高層結(jié)構(gòu)的沉降監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)等方面進(jìn)行了敘述；除此之外，呂遠(yuǎn)強(qiáng)等[10-14]對(duì)大荷載煤倉(cāng)等其他工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行了沉降監(jiān)測(cè)與分析.在國(guó)外，許多學(xué)者[15-20]對(duì)高層結(jié)構(gòu)沉降計(jì)算、控制及監(jiān)測(cè)方面也做了大量的分析與研究.

超厚濕陷性黃土區(qū)結(jié)構(gòu)的研究主要是有別于相對(duì)成熟的沿海軟、黏土地區(qū)，其最顯著的特征是，浸水后的原狀黃土礦物成分及微觀顆粒就會(huì)發(fā)生物理與化學(xué)反應(yīng)，原穩(wěn)定結(jié)構(gòu)受到破壞，土體強(qiáng)度急劇下降，在應(yīng)力作用下產(chǎn)生濕陷性變形，結(jié)構(gòu)不均勻沉降，影響其安全與穩(wěn)定.因場(chǎng)地位置的特殊性，本文以超厚濕陷性黃土區(qū)首棟SHR-SRC 結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，對(duì)施工過(guò)程中的沉降及變形等進(jìn)行系統(tǒng)分析，旨在為今后類(lèi)似場(chǎng)地同類(lèi)型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、施工及監(jiān)測(cè)提供參考.

1 工程概況及地質(zhì)條件

1.1 工程概況

慶陽(yáng)市某大廈目前作為超厚黃土區(qū)最高建筑，占地面積約3 640.0 m2，結(jié)構(gòu)高度164.0 m，采用SRC框架-核心筒體系，0.000 m 以上38 層，其以下4 層，基坑深度-21.1 m，摩擦型樁長(zhǎng)40.0 m，樁間距3.3 m，樁徑1.0 m，總樁數(shù)為143 根，筏板厚3.0 m，外觀效果如圖1.

圖1 建成后外觀圖Fig.1 Appearance of completion

1.2 地質(zhì)條件

建筑場(chǎng)地地處素有“隴東糧倉(cāng)”之稱(chēng)的全國(guó)最大黃土高原區(qū)——董志塬，下部由距今約200～300 萬(wàn)年的第四紀(jì)早更新世（Q1）至中更新世（Q2）組成，巨厚原生黃土達(dá)200.0～300.0 m 左右；到了晚更新世末期，地層剝蝕作用較嚴(yán)重，黃土塬周邊形成沖溝，地形破碎，其上部100.0 m 以內(nèi)由黑壚土（Q4eo1）、馬蘭黃土（Q3eo1）、離石黃土（Q2eo1）及午城黃土組成（Q1eo1），土層之間夾雜古土壤（粉質(zhì)黏土）[21]，其厚度變化及部分物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1.

表1 地層主要物理力學(xué)參數(shù)取值Tab.1 Physical and mechanical parameters of formation

2 沉降監(jiān)測(cè)方案、儀器布設(shè)及數(shù)據(jù)采集

利用傳統(tǒng)的外部沉降監(jiān)測(cè)（宏觀）與新型的地下試樁自動(dòng)監(jiān)測(cè)（微觀）相結(jié)合，通過(guò)控制高程、應(yīng)變、電阻及溫度等參數(shù)，對(duì)SHR-SRC 結(jié)構(gòu)進(jìn)行長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)（包括施工的全過(guò)程及工后監(jiān)測(cè)），為及時(shí)糾傾、局部加固維修及后期沉降預(yù)測(cè)奠定基礎(chǔ).

2.1 外部沉降觀測(cè)

外部沉降采用DSZ2 自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀配合水準(zhǔn)尺觀測(cè).在遠(yuǎn)離建筑100.0 m 以外穩(wěn)定區(qū)域設(shè)置6 個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)；根據(jù)結(jié)構(gòu)布置形式，為確保精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)，在核心筒四周布置2#、3#、4#、10#共4 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，外圍框架柱上分別布置1#、5#、8#及11#觀測(cè)點(diǎn)；裙樓布置6#、7#和9#觀測(cè)點(diǎn)僅作為安全監(jiān)測(cè)，不深入研究，方案中總共布置11 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)（如圖2），主體結(jié)構(gòu)新建一層，現(xiàn)場(chǎng)沉降觀測(cè)一次，記錄數(shù)據(jù)并及時(shí)分析.

圖2 外部沉降觀測(cè)平面示意圖Fig.2 Diagram of external settlement observation

2.2 地下沉降監(jiān)測(cè)

為了更加精確地獲得結(jié)構(gòu)的沉降變形特征并獲得一些原始數(shù)據(jù)，結(jié)合外部沉降觀測(cè)制定具體監(jiān)測(cè)方案（如圖3）.

圖3 地下沉降監(jiān)測(cè)方案及儀器埋設(shè)圖Fig.3 Underground settlement monitoring scheme and buried instruments

在樁頂與樁間土相應(yīng)位置分別安裝JMZX-215A 型應(yīng)變計(jì)（圖4（a））、JMZX-50XX 型土壓力盒（圖4（b）），將導(dǎo)線通過(guò)PVC 保護(hù)管從地下引到地面，與32 通道JMZX-32A 數(shù)據(jù)采集儀（圖4（c））相連，調(diào)試完畢后定期采集動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)各參數(shù)自動(dòng)化測(cè)量并長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)[22].

圖4 儀器布設(shè)圖Fig.4 Layout of instruments

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 施工過(guò)程沉降分析

圖5（a）給出了核心筒上觀測(cè)點(diǎn)高程隨施工推進(jìn)的變化曲線.由于前期施工強(qiáng)度較大、且2#及3#附近堆積大量建材、機(jī)械等，故在外界施工速度及外荷載等綜合因素作用下，其剪應(yīng)力大于土體抗剪強(qiáng)度，局部發(fā)生剪切破壞，在150 d 左右，瞬時(shí)沉降明顯；由圖2 看出與之對(duì)稱(chēng)的4#、10#點(diǎn)在對(duì)應(yīng)時(shí)刻出現(xiàn)抬升，整體傾斜滿足規(guī)范[23]，持續(xù)30 d 后，這種“蹺蹺板”效應(yīng)減弱，各測(cè)點(diǎn)開(kāi)始逐漸保持同步沉降；到中期，由于資金、技術(shù)等問(wèn)題迫使結(jié)構(gòu)施工進(jìn)度減緩，各點(diǎn)高程同等變化，沉降均勻；一直持續(xù)到500 d 左右，工程如期正常進(jìn)行，應(yīng)力逐漸增加，土顆粒間密實(shí)度增強(qiáng)，沉降量呈減小趨勢(shì)，以整體結(jié)構(gòu)高程曲線為參考，全周期內(nèi)（915 d），核心筒各點(diǎn)高程同步減小，沉降均勻，平均沉降量為217.5 mm.

相對(duì)于圖5（b）所示框架而言，與核心筒相比，外圍框架受力分散且較小，1#、5#、8#及11#各點(diǎn)自始至終保持同步下降，沉降均勻，平均沉降量212.7 mm，略小于核心筒；裙樓此處僅作為安全監(jiān)測(cè)，各點(diǎn)沉降變化如圖5（c）所示，其變化規(guī)律與框架及核心筒保持一致，平均沉降量為211.3 mm，均小于前兩者，符合高聳結(jié)構(gòu)沉降量允許值[23]，從側(cè)面反映出各結(jié)構(gòu)組成的整體均勻沉降，工程完建后的沉降由課題組成員在此基礎(chǔ)上繼續(xù)追蹤監(jiān)測(cè)，對(duì)其整體結(jié)構(gòu)的沉降、變形等做進(jìn)一步的分析與深究，最終形成一套完整體系.

圖5 各結(jié)構(gòu)高程歷時(shí)變化曲線Fig.5 Diachronic variation curves of the elevation of each structure

圖5 精確地給出了各結(jié)構(gòu)上每個(gè)測(cè)點(diǎn)隨時(shí)間的變化曲線，但個(gè)別點(diǎn)還是存在微小差異，圖6 更加直觀地描述了核心筒、框架及裙樓在施工過(guò)程中的高程變化曲線，各結(jié)構(gòu)隨整體同步沉降，為后期沉降監(jiān)測(cè)及進(jìn)一步沉降預(yù)測(cè)提供依據(jù).

圖6 各結(jié)構(gòu)與整體沉降對(duì)比曲線Fig.6 Comparison between the structure and the overall settlement

整體結(jié)構(gòu)在施工全周期內(nèi)的速率變化如圖7 所示，伴隨著施工的不斷進(jìn)行，沉降速率在30 d 達(dá)到最大值0.28 mm/d，其后隨著施工動(dòng)態(tài)的變化呈波浪形變化，450 d 與505 d 之間趨于最小值0.066 mm/d，后期呈線性增長(zhǎng)，平均沉降速率為0.23 mm/d，符合規(guī)范要求.

圖7 結(jié)構(gòu)整體平均沉降速率與時(shí)間曲線Fig.7 Relation of overall average settlement rate and time of structure

利用健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)所得曲線圖，可及時(shí)調(diào)整施工工況（施工強(qiáng)度、施工順序等），以及對(duì)材料堆放及機(jī)械安裝位置進(jìn)行合理布置，為安全施工提供了基本保障.

3.2 結(jié)構(gòu)變形特征分析

3.2.1 樁身應(yīng)變

What’s kind of cosmetic acquisition called success? 2 30

圖8（a）反映了核心筒下樁頂正應(yīng)變曲線關(guān)系，施工初期，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)值近乎為同一值2 500 με，將其作為各自的標(biāo)定值，與圖5 沉降觀測(cè)相對(duì)應(yīng)，到了150 d 左右時(shí)，荷載急劇增大，對(duì)濕陷性黃土來(lái)講，由土骨架、水分與氣體共同承擔(dān)，隨著骨架進(jìn)一步被壓縮，直到氣體與水分排出，其應(yīng)力轉(zhuǎn)移到骨架上，突變?yōu)樨?fù)應(yīng)變，其中18#點(diǎn)反向互補(bǔ)后實(shí)際為-229.1 με，中后期一直呈波浪形變化；還可發(fā)現(xiàn)，在整個(gè)監(jiān)測(cè)過(guò)程中，靠近核心筒最近處4#數(shù)值最小，較遠(yuǎn)處19#次之，最遠(yuǎn)處18#正應(yīng)變值最大.從圖8（b）框架正應(yīng)變曲線來(lái)看，其變化規(guī)律較核心筒平緩，無(wú)突變現(xiàn)象，說(shuō)明框架受力更均勻，沉降較穩(wěn)定.綜合圖8（a）與8（b）精確到各點(diǎn)變化關(guān)系，圖8（c）在同一坐標(biāo)系下直觀地給出了兩者的正應(yīng)變變化曲線，由于縱坐標(biāo)相差較大，框架上各點(diǎn)變化近似為一條直線.在外部沉降監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)上，內(nèi)部試樁監(jiān)測(cè)會(huì)獲取更加精確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，兩者相互補(bǔ)充，為施工與科研提供了依據(jù).

圖8 各結(jié)構(gòu)試樁正應(yīng)變與時(shí)間曲線Fig.8 Relation of positive strain and time of each structure on test pile

圖9 各結(jié)構(gòu)試樁負(fù)應(yīng)變與時(shí)間曲線Fig.9 Relation of negative strain and time of each structure on test pile

為了進(jìn)一步驗(yàn)證圖8 所得結(jié)論，圖9 分別給出了核心筒、框架及兩者整合結(jié)構(gòu)負(fù)應(yīng)變歷時(shí)曲線，由圖看出，核心筒4#負(fù)應(yīng)變值均小于18#及19#，18#值最大，究其原因，核心筒附近應(yīng)力集中，樁內(nèi)鋼筋壓應(yīng)力大，在較遠(yuǎn)地帶，施工強(qiáng)度較弱，再加上初期快速施工條件下產(chǎn)生的地基變形在短時(shí)間內(nèi)亦呈恢復(fù)趨勢(shì)，由“重疊效應(yīng)”導(dǎo)致鋼筋受拉，故遠(yuǎn)處影響較小，與現(xiàn)場(chǎng)施工狀態(tài)相吻合；框架及整體結(jié)構(gòu)變化規(guī)律與正應(yīng)變相似.

3.2.2 土體變形

測(cè)定土體相關(guān)參數(shù)，不但可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地基的不均勻下沉，還能與試樁的部分參數(shù)緊密結(jié)合起來(lái)，為復(fù)雜的樁-土受力分析提供參數(shù).圖10（a）為場(chǎng)地地基土壓力歷時(shí)變化曲線，在施工初期，濕陷性黃土在各級(jí)荷載作用下，土粒孔隙中氣體逐漸受壓，土骨架變形，產(chǎn)生瞬時(shí)沉降，土壓力增加；200～360 d 后施工強(qiáng)度逐漸減緩，此階段內(nèi)，土體較前期比，出現(xiàn)類(lèi)似于卸載回彈現(xiàn)象；中后期受結(jié)構(gòu)自重增加、施工擾動(dòng)增強(qiáng)等因素影響，土壓力大體呈增大趨勢(shì)，局部也會(huì)出現(xiàn)微小回彈；在靠近核心筒，應(yīng)力相對(duì)集中，土壓力也相應(yīng)增大，對(duì)應(yīng)在圖上10# 位置，最遠(yuǎn)處8#最小，但各點(diǎn)變化步調(diào)相一致.地基土應(yīng)變曲線如圖10（b）所示，曲線變化形式與圖10（a）接近，初期也是10#數(shù)值最大為-16.8 με，處于受壓狀態(tài)，14#和8#分別為-8.6 με、5.6 με.

圖10 地基土壓力、應(yīng)變歷時(shí)變化曲線Fig.10 Curve of pressure and strain duration of foundation soil

為進(jìn)一步考察土體的變形，圖11 給出了土壓力與應(yīng)變之間的關(guān)系，考慮到篇幅原因，僅以8#為例，從散點(diǎn)圖中獲悉圖形變化呈線性，地基土處于彈性狀態(tài)；14#近似于一條直線，相反，距離核心筒較近的10#線性規(guī)律不明顯，說(shuō)明土體產(chǎn)生塑性變形.

4 有限元模擬分析

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)利用各監(jiān)測(cè)技術(shù)手段，控制樁-筏及地基沉降量、沉降速率等，主要用于指導(dǎo)施工，為后期沉降預(yù)測(cè)做準(zhǔn)備；在此基礎(chǔ)上，為了更加形象、直觀地反映樁-筏基礎(chǔ)與持力土層的沉降、變形等，采用非線性有限元法建立三維模型，一則為與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作比較，驗(yàn)證有限元分析的可行性，二則為樁-筏結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供思路，三則為基礎(chǔ)局部加固提供方案.

ABAQUS 以其較強(qiáng)的實(shí)用性被廣泛地應(yīng)用到工程案例分析中[24]，原模型根據(jù)SHR 設(shè)計(jì)參數(shù)及實(shí)際地質(zhì)勘查資料建立，參考相關(guān)文獻(xiàn)[25]，平面布置如簡(jiǎn)圖12 所示. 最終筏板尺寸：10.0 m×10.0 m×3.0 m，選用9 根對(duì)稱(chēng)的直徑為1.0 m 且長(zhǎng)度為40.0 m 的樁，土體模型尺寸：50.0 m×50.0 m×80.0 m.

圖12 平面布置簡(jiǎn)圖Fig.12 Diagram of layout

圖13 模型示意圖Fig.13 Diagram of model

4.1 樁-土位移、應(yīng)力變化

圖14 （a）為樁-土整體位移剖面云圖，可以看出，在上部荷載作用下筏板周?chē)馏w下陷形成“凹形”槽，樁位移明顯大于土體位移，隨著深度的增加，樁身位移逐漸增大，土體位移逐漸減小，整體位移最大值為147.7 mm，小于實(shí)測(cè)值，原因是相比復(fù)雜的實(shí)際工況，建模一方面是在相對(duì)理想條件下進(jìn)行的，影響因素較少，另一方面與模型的約束程度、接觸類(lèi)型及參數(shù)等選取有關(guān)，計(jì)算結(jié)果偏于保守；在同一平面處，由中心位置向四周減小.樁-土應(yīng)力云圖如圖14（b）所示，在筏板處應(yīng)力相對(duì)集中，其次，樁身應(yīng)力大于土體應(yīng)力. 主要原因是上部荷載憑借筏板沿樁身傳遞，最后擴(kuò)散到樁間土及樁底土層中，因此對(duì)筏板的設(shè)計(jì)（承載力、節(jié)約材料等）提出了更高的要求.

圖14 樁-土整體位移、應(yīng)力云圖Fig.14 Cloud diagram of pile-soil integral displacement and stress

4.2 地基土體位移、應(yīng)力變化

為了更加清晰地分析土體的位移與應(yīng)力，圖15給出了相應(yīng)云圖.圖15（a）顯示土體位移小于圖14（a）中位移，最大沉降值位于頂部中心，原因是地基土中附加應(yīng)力產(chǎn)生疊加，取值為69.52 mm，沿著垂直面和水平面由于出現(xiàn)應(yīng)力擴(kuò)散，此外，隨著施工荷載的增加，下部土體密實(shí)度增強(qiáng)，變形也隨之減小，從而導(dǎo)致位移減小.由圖15（b）看出，應(yīng)力也主要集中在土體上部，逐漸向周?chē)鷶U(kuò)散，符合圖10（a）實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)變化規(guī)律，其范圍遠(yuǎn)大于位移擴(kuò)散范圍，這也對(duì)地基加固（注漿加固、樁基加固等）研究開(kāi)辟了新領(lǐng)域.

圖15 地基土位移、應(yīng)力云圖Fig.15 Cloud diagram of displacement and stress of foundation soil

4.3 樁-筏基礎(chǔ)位移及應(yīng)力變化

圖16 （a）給出了樁-筏基礎(chǔ)位移云圖，筏板位移均勻分布且由中心向外圍逐漸減小，中心處最大位移為66.92 mm，其邊緣角處最小位移為50.76 mm，筏板在荷載作用下變形量小，說(shuō)明其剛度設(shè)計(jì)合理.中心樁頂位移70.95 mm，邊樁及角樁頂部位移分別為64.03 mm、58.41 mm，沉降差異較小.對(duì)同一試樁而言，樁底位移大于樁頂位移，存在位移差說(shuō)明樁本身被軸向壓縮，這對(duì)樁身設(shè)計(jì)（強(qiáng)度、變形）也提出了考驗(yàn)；圖16（b）應(yīng)力云圖顯示，筏板頂部應(yīng)力小，下部應(yīng)力大，其原因是筏板底面與樁頂接觸部位產(chǎn)生擠壓；在同一平面處，筏板邊緣處應(yīng)力大于中心處；樁身上部應(yīng)力普遍大于下部，原因是上部所受集中力大，導(dǎo)致鋼筋與混凝土之間摩擦力增大，變形亦較大，且各樁應(yīng)力同步變化，受力均勻.

圖16 樁-筏基礎(chǔ)位移、應(yīng)力云圖Fig.16 Cloud diagram of pile-raft foundation displacement and stress

5 結(jié) 論

1）施工期（915 d）SHR-SRC 結(jié)構(gòu)核心筒部分沉降略大于框架與裙樓部分，建筑沉降（＜250 mm）及傾斜值均滿足規(guī)范要求（≤2‰～3‰L，L 即相鄰兩測(cè)點(diǎn)距離），結(jié)構(gòu)整體沉降均勻.

2）試樁監(jiān)測(cè)初期，核心筒下正、負(fù)應(yīng)變值最小，150 d 左右時(shí)上部荷載波動(dòng)幅度大，其曲線變化亦較框架明顯，到中后期，呈波浪形平穩(wěn)變化但數(shù)值仍然整體小于框架；此外，各測(cè)點(diǎn)參數(shù)值與距離核心筒位置也有關(guān)，近處正、負(fù)應(yīng)變值小，遠(yuǎn)處則相反，對(duì)及時(shí)調(diào)整施工具有重大意義.

3）地基土壓力、土應(yīng)變也隨著動(dòng)態(tài)施工呈規(guī)律性變化，局部時(shí)間段出現(xiàn)“回彈”現(xiàn)象，荷載集中部位土體產(chǎn)生塑性變形，相對(duì)分散區(qū)域彈性變形明顯.

4）模型直觀顯示了樁、土體的位移及應(yīng)力大小分布，筏板受力均勻，中心樁頂部位移最大，邊樁次之，角樁最小的規(guī)律；土體應(yīng)力由上部中心向周?chē)鷶U(kuò)散，位移隨之減小.

5）對(duì)設(shè)計(jì)階段樁-筏計(jì)算、配筋等提供參考，在施工階段指導(dǎo)安全性施工，并對(duì)后期沉降預(yù)測(cè)及結(jié)構(gòu)加固奠定基礎(chǔ).