超高層建筑樁基礎(chǔ)混凝土耐久性優(yōu)化

李方樞

（中節(jié)能實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司，浙江 杭州 310012）

我國(guó)建筑工程產(chǎn)業(yè)規(guī)范中，40 m以上及建筑高度超過(guò)100 m的住宅及公共建筑，被界定為是超高層。作為現(xiàn)代城市建筑的主要方式，超高層住宅不僅具有空間承載量大，采光效果高、綠色節(jié)能應(yīng)用普及水平高等方面優(yōu)勢(shì)，成為現(xiàn)代城市建筑特色文化的重要形式。作為高層建筑穩(wěn)定性的基本保障結(jié)構(gòu)，樁基礎(chǔ)能夠?qū)逗蜆俄敵信_(tái)依照技術(shù)規(guī)范要求連接，確保地基基礎(chǔ)承載力，有效控制基礎(chǔ)沉降量。在樁基礎(chǔ)施工中，通過(guò)對(duì)應(yīng)的技術(shù)措施提升混凝土耐久性，是確保工程建設(shè)質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益的基本保障。

1 建筑樁基礎(chǔ)混凝土耐久性優(yōu)化意義

1.1 建筑工程施工質(zhì)量控制的基本要求

工程施工質(zhì)量控制是項(xiàng)目管理的核心內(nèi)容，尤其是對(duì)超高層建筑而言，材料、人員、技術(shù)等各個(gè)方面因素，都會(huì)對(duì)工程質(zhì)量產(chǎn)生不同形式影響。樁基礎(chǔ)作為建筑工程基礎(chǔ)施工的主要形式，能夠更為有效地傳遞整體結(jié)構(gòu)荷載?；炷潦菢痘A(chǔ)施工的主要材料，在施工設(shè)計(jì)中，需要依據(jù)“經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可靠、質(zhì)量?jī)?yōu)先”的基本原則，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行整體優(yōu)化。在施工質(zhì)量控制體系中，耐久性是指材料抵抗自身和自然環(huán)境雙重因素長(zhǎng)期破壞作用的能力，也可以理解為材料的使用壽命。更高的耐久性，能夠確保項(xiàng)目運(yùn)行質(zhì)量得以有效保障，有效提升項(xiàng)目建設(shè)經(jīng)濟(jì)效益水平。

1.2 建筑樁基礎(chǔ)混凝土性能優(yōu)化的基本要求

混凝土作為現(xiàn)代建筑工程的基礎(chǔ)材料，從多方面改變了工程產(chǎn)業(yè)建設(shè)形式，更是超高層建筑工程項(xiàng)目建設(shè)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益實(shí)現(xiàn)的基本保障?；炷凉こ淌┕ぶ?，需要確保和易性、強(qiáng)度、變形和耐久性等基本性能，當(dāng)前技術(shù)條件下，混凝土強(qiáng)度和變形性能已經(jīng)達(dá)到較高水平，但是在耐久性控制方面，還難以達(dá)到建筑物設(shè)計(jì)運(yùn)行壽命要求。在超高層建筑樁基礎(chǔ)施工中，利用數(shù)值模擬、應(yīng)力分析等方法，基于現(xiàn)場(chǎng)條件分析耐久性的主要影響因素，采用針對(duì)性的優(yōu)化方案，提升混凝土結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)年限，是確保建筑項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的基本要求。

2 超高層建筑樁基礎(chǔ)混凝土耐久性優(yōu)化

2.1 基于復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境下的耐久性優(yōu)化

2.1.1 優(yōu)化研究出發(fā)點(diǎn)

超高層建筑基礎(chǔ)埋深設(shè)計(jì)中，需要考慮地層構(gòu)造應(yīng)力對(duì)混凝土材料的影響，具有準(zhǔn)確分析外力作用條件下，混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性質(zhì)及破壞模式。相關(guān)學(xué)者利用三維顆粒流數(shù)值模擬法等，分析圍壓作用、凍融損傷等外力條件變化時(shí)混凝土結(jié)構(gòu)的細(xì)觀特性。本課題研究中，以常規(guī)超高層建筑樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范為要求，采用顆粒流數(shù)值模擬法，研究不同圍壓條件下，不同深度地層的應(yīng)力變化特征，進(jìn)一步分析應(yīng)力變化所產(chǎn)生的破壞形式，以此能夠?yàn)橄嚓P(guān)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供理論依據(jù)。

2.1.2 混凝土混合比設(shè)計(jì)

利用顆粒流數(shù)值模擬法分析混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化情形下的耐久性，首先要做好混凝土混合比設(shè)計(jì)，制備與工程項(xiàng)目實(shí)際相一致的混凝土材料，在制備完成后，采用常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)對(duì)混凝土試件進(jìn)行分析，同時(shí)考慮模擬過(guò)程中地層深部所受構(gòu)造應(yīng)力特征，適當(dāng)縮小粗集料尺寸。本課題研究中，依據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》，結(jié)合項(xiàng)目工程前期勘察和設(shè)計(jì)方案要求，配合比設(shè)計(jì)為水泥：水：砂：粗集料=389∶197∶566∶1321，經(jīng)混摻和加水?dāng)嚢杼幚砗?，制作成直徑?0 mm，高為100 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱試件。試驗(yàn)平臺(tái)為MTS815.02多功能伺服試驗(yàn)系統(tǒng)，圍壓值范圍設(shè)定在2～8 MPa之間。

2.1.3 數(shù)值模型建立

采用PFC3D三軸壓縮模擬軟件建模，采用顆粒離散單元法，分析顆粒相互作用下峰值強(qiáng)度變化。具體實(shí)施流程是在生成試樣后，給定不同參數(shù)賦值進(jìn)行預(yù)壓處理，在伺服機(jī)制施加圍壓后，采集對(duì)應(yīng)的數(shù)值。為確保模擬軟件運(yùn)行效果，將材料組成設(shè)定為集料和膠凝材料，材料形狀均視為球形。在進(jìn)行模擬試驗(yàn)是，分別在頂面、底面墻體位置，模擬剛性加載板，在圓柱墻體位置，模擬圍壓加載板，在圍壓達(dá)到設(shè)定參數(shù)后，完成數(shù)據(jù)采集。最后是在加載板施壓至試樣失穩(wěn)破壞后，試驗(yàn)結(jié)束。

2.1.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

基于樁基礎(chǔ)混凝土試樣常規(guī)三軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析，可以看出混凝土試樣結(jié)構(gòu)在圍壓加載過(guò)程中，結(jié)構(gòu)變形可以分為四個(gè)階段：第一階段為彈性階段，也就是試樣結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)輕微的彈性變形；第二階段為塑性屈服階段，也就是試樣結(jié)構(gòu)塑性會(huì)出現(xiàn)明顯變化，由脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄云茐?；第三階段為峰后應(yīng)力跌落階段，也就是試樣結(jié)構(gòu)耐久性已經(jīng)明顯不足，曲線由上升轉(zhuǎn)變?yōu)榈錉顟B(tài)；第四階段是殘余階段，試樣結(jié)構(gòu)耐久性已完全喪失。試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)顯示，在圍壓由2 MPa增加至8 MPa時(shí)，峰值強(qiáng)度提升53.39%、峰值應(yīng)變提升30.01%、彈性模量提升20.99%。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果曲線分析，試樣峰值強(qiáng)度、峰值應(yīng)變及彈性模量，都會(huì)隨圍壓變化而逐漸變化，與圍壓之間滿足線性函數(shù)關(guān)系，具有較為明顯的相關(guān)性。

2.1.5 優(yōu)化路徑

分析應(yīng)力變化對(duì)超高層建筑樁基礎(chǔ)混凝土試樣性能進(jìn)行分析，可以看出峰值強(qiáng)度受圍壓變化影響最為顯著。在具體施工組織中，需要先對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行試樣，通過(guò)調(diào)整配合比和添加劑的合理優(yōu)化，盡量提升材料結(jié)構(gòu)耐壓性能，有效提升耐久性。

2.2 基于干濕循環(huán)作用的耐久性優(yōu)化

2.2.1 優(yōu)化研究出發(fā)點(diǎn)

建筑工程樁基礎(chǔ)混凝土耐久性除受材料自身性能影響外，對(duì)外部環(huán)境影響也較為敏感，尤其是在干濕條件不斷變化時(shí)，結(jié)構(gòu)性能會(huì)出現(xiàn)多種形式變化。相關(guān)研究顯示，混凝土結(jié)構(gòu)在干濕循環(huán)作用下，試樣質(zhì)量、抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、耐腐蝕性能等性質(zhì)參數(shù)都會(huì)發(fā)生明顯變化。在干濕循環(huán)作用中，溶液性質(zhì)不同、濃度不同，所產(chǎn)生的作用水平也明顯不同，會(huì)對(duì)混凝土耐久性和服役壽命產(chǎn)生直接影響?；谟?jì)算機(jī)模擬軟件，依托具體超高層建筑工程項(xiàng)目，分析不同干濕循環(huán)次數(shù)下樁基礎(chǔ)混凝土試樣的物理特征參數(shù)變化，能夠?yàn)橄嚓P(guān)工程項(xiàng)目樁基礎(chǔ)施工提供更為準(zhǔn)確的指導(dǎo)。

2.2.2 試驗(yàn)準(zhǔn)備與方法

為確保試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性，需要在試驗(yàn)前做好試驗(yàn)材料和試樣制備，準(zhǔn)備工作開(kāi)展重點(diǎn)需要考慮混凝土結(jié)構(gòu)能否達(dá)到承載力、耐久性和施工便利性要求。所選用的水泥試樣材料，需要與現(xiàn)場(chǎng)施工材料保持一致，本課題研究中，依據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（JGJ55-2011）要求，需用某企業(yè)所提供的C65標(biāo)號(hào)水泥，經(jīng)室內(nèi)試驗(yàn)與施工現(xiàn)場(chǎng)相對(duì)比，試驗(yàn)材料包括水泥、粉煤灰、硅粉、細(xì)骨料、粗骨料、水及減水劑等，每立方米混凝土，上述材料質(zhì)量分別為447kg、92 kg、41 kg、1 060 kg、680 kg、177 kg、15.31 kg。試樣制備方式為超高層建筑樁基礎(chǔ)水泥混凝土標(biāo)準(zhǔn)制樣模具，直徑為50 mm，高為100 mm，所有試樣滿足國(guó)際巖石力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)要求。

加載試驗(yàn)平臺(tái)為MTS815.02多功能伺服試驗(yàn)系統(tǒng)，具體方法為先利用應(yīng)力控制方式對(duì)試樣同時(shí)加載軸壓和圍壓。在軸壓加載達(dá)到設(shè)定值后，穩(wěn)定加載速率并保持恒定狀態(tài)。在圍壓達(dá)到設(shè)定值并保持恒定后，將軸壓調(diào)整為位移控制方式，直至試樣結(jié)構(gòu)破壞為止。干濕循環(huán)試驗(yàn)流程為先將試樣浸泡在水中，浸泡時(shí)長(zhǎng)為16 h、水溫為20±20 ℃。浸泡處理完成后，將試樣擦拭干凈并進(jìn)行烘干處理，烘干時(shí)長(zhǎng)為7 h，溫度控制在75±2 ℃，烘干完成后，取出試樣在室溫下冷卻5 h，即完成一個(gè)干濕循環(huán)過(guò)程。干濕循環(huán)處理完成后，采用儀器測(cè)量試樣的動(dòng)彈性模量和質(zhì)量損失率，直至試樣結(jié)構(gòu)破壞，無(wú)法進(jìn)行應(yīng)力加壓試驗(yàn)為止。通過(guò)對(duì)加載過(guò)程前后相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析，即可得出干濕循環(huán)作用對(duì)混凝土試樣結(jié)構(gòu)耐久性的具體影響。

2.2.3 加載前試驗(yàn)結(jié)果

課題研究中，依據(jù)上述試驗(yàn)方法，制備三組試樣分別進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示，試樣結(jié)構(gòu)動(dòng)彈模量受干濕循環(huán)作用影響較為顯著，均出現(xiàn)先增后減變化趨勢(shì)。在試驗(yàn)次數(shù)n=2時(shí)數(shù)值最大，n=9時(shí)下降趨勢(shì)變緩，n=15時(shí)，試樣結(jié)構(gòu)完全破壞，試驗(yàn)結(jié)束。試驗(yàn)結(jié)果顯示，質(zhì)量損失率曲線變動(dòng)呈同樣特征。參考相關(guān)研究及試驗(yàn)原理，結(jié)果產(chǎn)生主要原因是在干濕循環(huán)作用前期，水化反應(yīng)會(huì)使水泥和粉煤灰反應(yīng)產(chǎn)物填充至孔隙中，增加試樣的致密性，使得回彈模量會(huì)有所升高，質(zhì)量損失率降低。在后續(xù)循環(huán)作用中，混凝土內(nèi)部會(huì)持續(xù)出現(xiàn)干縮濕漲現(xiàn)象，反復(fù)承受張拉和收縮應(yīng)力作用，導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷嚴(yán)重，動(dòng)彈模量下降、質(zhì)量損失率不斷升高。

2.2.4 加載后試驗(yàn)結(jié)果

加載后試驗(yàn)結(jié)果分析，主要是通過(guò)應(yīng)力-應(yīng)變曲線和混凝土特征參數(shù)進(jìn)行分析。依據(jù)超高層建筑樁基礎(chǔ)混凝土三軸加載試驗(yàn)結(jié)果，繪制設(shè)定圍壓值、不同干濕循環(huán)次數(shù)下混凝土試樣結(jié)構(gòu)應(yīng)力-應(yīng)變曲線?；谇€結(jié)果可以看出，試樣三軸加載應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以分為四個(gè)階段：第一階段是結(jié)構(gòu)的微缺陷壓密階段；第二階段則出現(xiàn)明顯的彈性變形；第三階段屬于塑性屈服階段；第四階段在出現(xiàn)峰后應(yīng)變軟化。在干濕循環(huán)作用下，混凝土試樣的內(nèi)部骨架結(jié)構(gòu)會(huì)逐漸劣化，部分物質(zhì)逐漸被溶解，內(nèi)部孔隙不斷增大，這也就會(huì)導(dǎo)致試樣偏應(yīng)力峰值強(qiáng)度在小幅增加后開(kāi)始逐漸減少?；炷猎嚇咏Y(jié)構(gòu)偏應(yīng)力不斷降低，表示骨架結(jié)構(gòu)的承載能力較低，強(qiáng)度性能不斷降低，失去結(jié)構(gòu)耐久性。

在本課題研究中，將圍壓條件分別設(shè)定為1 MPa、3 MPa、5 MPa、7 MPa，重復(fù)進(jìn)行15次干濕循環(huán)作用試驗(yàn)，記錄0次、5次、10次及15次相關(guān)參數(shù)記錄，結(jié)果顯示混凝土試樣峰值強(qiáng)度最高出現(xiàn)在圍壓7 MPa/0次循環(huán)，數(shù)值為120.58 MPa；最低出現(xiàn)在圍壓3 MPa/15次循環(huán)、數(shù)值為82.47 MPa。峰值應(yīng)變最高出現(xiàn)在圍壓7 MPa/0次循環(huán)，數(shù)值為2.36%；最低出現(xiàn)在圍壓1 MPa/15次循環(huán)，數(shù)值為1.09%。彈性模量最高出現(xiàn)在圍壓7 MPa/0次循環(huán)，數(shù)值為16.67 GPa；最低出現(xiàn)在圍壓1 MPa/15次循環(huán)，數(shù)值為14.16 GPa。泊松比最高出現(xiàn)在1 MPa/0次循環(huán)，數(shù)值為0.269 v；最低出現(xiàn)在7 MPa/15次循環(huán)，數(shù)值為0.247 v。同時(shí)可以看出受峰值應(yīng)變受干濕循環(huán)作用影響最為顯著。

2.2.5 優(yōu)化路徑

基于試驗(yàn)研究可以看出，在超高層建筑樁基礎(chǔ)混凝土設(shè)計(jì)與施工環(huán)節(jié)，要確保耐久性能夠長(zhǎng)期保持穩(wěn)定狀態(tài)，應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注結(jié)構(gòu)整體峰值應(yīng)力變化的影響因素。由于峰值應(yīng)變具有高度的局部性，不會(huì)引起結(jié)構(gòu)較為顯著的變形現(xiàn)象，但是在反復(fù)性的干濕環(huán)境影響下，會(huì)產(chǎn)生疲勞破壞或脆性斷裂現(xiàn)象，因此在施工設(shè)計(jì)和組織中，首先要考慮混凝土混合比對(duì)峰值應(yīng)力變化的影響，通過(guò)調(diào)整粉煤灰、骨料等主要材料的占比，選擇合適的添加劑材料并優(yōu)化添加比例，以此更好地提升峰值應(yīng)力上限值，延長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)微缺陷壓密階段和彈性變形階段時(shí)長(zhǎng)，確保結(jié)構(gòu)承載力水平保持穩(wěn)定狀態(tài)，更好地提升混凝土結(jié)構(gòu)耐久性。

2.3 基于施工技術(shù)的耐久性優(yōu)化

當(dāng)前理論研究中，專門針對(duì)超高層建筑樁基礎(chǔ)混凝土施工技術(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性影響的研究相對(duì)較少，結(jié)合樁基礎(chǔ)工程施工一般規(guī)定，施工技術(shù)優(yōu)化應(yīng)當(dāng)從如下方面著手：一是混凝土生產(chǎn)過(guò)程的質(zhì)量控制，原材料選擇在確保成本控制基礎(chǔ)上，必須確保水泥強(qiáng)度達(dá)標(biāo)、細(xì)骨料堿活性參數(shù)控制到位，不能含有易發(fā)生凍裂的物質(zhì)，合理選用引氣劑、減水劑等外加劑材料，確?；炷两Y(jié)構(gòu)抗?jié)B性能和防腐性能達(dá)到要求。二是在冬季施工條件下，混凝土運(yùn)輸要采用合適的保溫措施，做好混凝土出罐及澆筑溫度監(jiān)測(cè)，在溫度控制無(wú)法達(dá)到要求時(shí)，應(yīng)當(dāng)采取對(duì)應(yīng)處理措施。三是在澆筑過(guò)程中，要做好鋼筋及模板的清理工作，在確保鋼筋籠放置合理無(wú)誤后，再安裝灌注導(dǎo)管，單樁灌注時(shí)長(zhǎng)不得超過(guò)8 h。四是在單樁灌注作業(yè)中，要隨時(shí)做好檢測(cè)，準(zhǔn)確測(cè)定管樁實(shí)際深度和承載力，在作業(yè)完成后，要對(duì)單個(gè)樁進(jìn)行荷載檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果調(diào)整施工方案。五是在檢測(cè)結(jié)果達(dá)到驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)后，要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況做好混凝土養(yǎng)護(hù)，避免由于氣候環(huán)境變化、人為因素等對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)造成破壞，確?；炷聊途眯运竭_(dá)到超高層建筑運(yùn)行要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

超高層建筑樁基礎(chǔ)混凝土施工，對(duì)工程項(xiàng)目整體質(zhì)量具有重要影響，混凝土耐久性受各方面因素影響較為顯著。利用計(jì)算機(jī)模擬軟件，設(shè)定對(duì)應(yīng)的參數(shù)，能夠較為準(zhǔn)確地模擬復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境和干濕循環(huán)作用條件下，混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的主要影響因素，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析不同影響因素的作用方式及作用效果。在工程設(shè)計(jì)及施工過(guò)程中，技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件和模擬試驗(yàn)結(jié)果，選擇最為優(yōu)化的施工方案，合理確定施工材料及配合比，盡量減少外部條件對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的影響，確保樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)峰值應(yīng)變、彈性模量、泊松比等參數(shù)達(dá)到更為優(yōu)化水平，以此為施工質(zhì)量控制奠定良好基礎(chǔ)。