基于沉降觀測(cè)的強(qiáng)風(fēng)化巖地基主裙樓差異沉降分析*

葉 林,張同波,李翠翠,許衛(wèi)曉,王文浩

(1.青建集團(tuán)股份公司,山東 青島 266071; 2.青島理工大學(xué),山東 青島 266033)

0 引言

高層及超高層建筑在城市建設(shè)中越來(lái)越多,由于功能需要,很多工程在高層建筑的一側(cè)布置裙房,主樓與裙房上部結(jié)構(gòu)荷載和剛度相差很大,會(huì)使得主裙樓基礎(chǔ)底板發(fā)生不均勻沉降,導(dǎo)致主裙樓連接處基礎(chǔ)底板發(fā)生開(kāi)裂,影響建筑安全。為解決上述問(wèn)題,目前主裙樓結(jié)構(gòu)中多采用沉降后澆帶。然而沉降后澆帶的留置直接影響地下工程的后續(xù)工序穿插,對(duì)工程工期影響很大,且后澆帶留置時(shí)間過(guò)長(zhǎng),將對(duì)地下室防水質(zhì)量造成嚴(yán)重影響,同時(shí)沉降后澆帶部分易出現(xiàn)涌水等問(wèn)題。

花崗巖在我國(guó)分布廣泛,大量工程在花崗巖地區(qū)建設(shè),并選擇強(qiáng)風(fēng)化層作為持力層,如青島地區(qū)強(qiáng)風(fēng)化帶花崗巖的深度為0.5～18.4 m,變形模量為28～155 MPa。強(qiáng)風(fēng)化巖地基由于承載力達(dá)到要求,變形模量大,結(jié)構(gòu)沉降量小,主樓與裙樓間的沉降差異也小,使得取消沉降后澆帶或提前封閉沉降后澆帶成為可能,然而目前絕大多數(shù)強(qiáng)風(fēng)化巖地基工程仍設(shè)置了沉降后澆帶。

1 強(qiáng)風(fēng)化巖地基上高層建筑沉降觀測(cè)分析

1.1 工程概況

本工程占地面積32 536m2,項(xiàng)目包含1棟高層、1棟多層連體建筑、1棟多層建筑及1棟裙房,整體地下1層,如圖1所示。場(chǎng)區(qū)第四系主要由全新層人工填土層、全新統(tǒng)海相沉積層及沼澤化層、全新統(tǒng)陸相洪沖積層、上更新統(tǒng)沖積層組成,基巖主要為新元古代斤寧期片麻狀花崗巖,局部穿插后期侵入的煌斑巖、細(xì)?；◢弾r巖脈。各巖土層主要力學(xué)性質(zhì)如表1所示。

表1 各巖土層主要力學(xué)性質(zhì)Table 1 Main mechanical properties of each rock and soil layer

1.2 沉降觀測(cè)概況

觀測(cè)對(duì)象為1棟地上21層、地下1層的主樓以及地上2/3層、地下1層裙樓,結(jié)構(gòu)尺寸如圖2所示。主樓為框架-核心筒結(jié)構(gòu),總高97.5 m,2層裙樓總高為12 m,3層裙樓總高為15.9 m,基礎(chǔ)形式均為筏板基礎(chǔ)。主裙樓地基持力層均為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖。

圖2 主裙樓結(jié)構(gòu)尺寸(單位:m)Fig.2 Structural dimensions of the main-podium building(unit:m)

根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求及建筑物特點(diǎn),主裙樓共布設(shè)41個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn),點(diǎn)位布置如圖3所示。

圖3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布置Fig.3 Layout of monitoring points

1.3 主裙樓沉降與沉降差異分析

1)沉降量隨時(shí)間變化規(guī)律

數(shù)據(jù)整理得到主裙樓沉降隨時(shí)間變化數(shù)據(jù),如表2～5所示(表中相同層數(shù)為間隔一段時(shí)間后的第2次監(jiān)測(cè)結(jié)果),沉降曲線如圖4所示。

圖4 各點(diǎn)隨時(shí)間變化沉降曲線Fig.4 Settlement curve of each point over time

表2 主樓沉降Table 2 Main building settlement mm

表3 A2區(qū)裙樓沉降Table 3 Settlement of podium building of A2 area mm

表4 A3區(qū)裙樓沉降Table 4 Settlement of podium building of A3 area mm

表5 A4區(qū)裙樓沉降Table 5 Settlement of podium building ofA4 area mm

由以上分析可知:主樓沉降隨施工層數(shù)增加快速增長(zhǎng),封頂后沉降量增加減緩并慢慢趨于穩(wěn)定。主樓最大沉降出現(xiàn)在建筑邊軸中部32號(hào)點(diǎn)。裙樓施工地下1層時(shí),沉降出現(xiàn)快速增長(zhǎng),其后隨施工層數(shù)增加而增長(zhǎng),封頂后沉降量增加變緩并趨于穩(wěn)定。裙房區(qū)域2021年9月6日停止降水,青島雨季為6月底到9月初,此時(shí)地下水位上升,裙房沉降值明顯減小,表現(xiàn)為圖中的上升段。雨季結(jié)束后,地下水位下降,沉降再次增大,表現(xiàn)為圖中下降段,說(shuō)明地下水浮力對(duì)裙樓沉降影響明顯。

2)沉降量平面變化規(guī)律

繪制各點(diǎn)的最終沉降曲線如圖5,6所示?？梢钥闯?主樓沉降呈現(xiàn)“鍋底”形,中心位置處沉降最大,邊緣位置沉降較小。裙房整體沉降平緩,因裙房部分樓層高度不一致,故3層裙房下部的沉降大于2層裙房下部的沉降,其中裙房最大沉降位于3層裙房。最終沉降時(shí)主樓區(qū)邊地下存在黏土層,故沉降明顯較大,中間部位沉降最大,達(dá)到41.51 mm;裙樓區(qū)最大沉降位置出現(xiàn)在3層裙樓,為8.41 mm。在主裙樓交界處沉降曲線是平滑的,表明在主裙樓交界處沒(méi)有突變。由于地基條件的不均勻性,建筑的沉降出現(xiàn)局部不均勻現(xiàn)象。

圖5 最終沉降剖面線Fig.5 Final settlement profile

圖6 最終沉降等值線Fig.6 Final settlement contour

3)主裙樓間沉降差規(guī)律分析

統(tǒng)計(jì)隨實(shí)際施工進(jìn)度工況下主樓與裙房最大沉降點(diǎn)間、后澆帶兩側(cè)沉降差與樓層差之間的關(guān)系,如表6,7和圖7～10所示。可以看出,實(shí)際工況下:主裙樓最大沉降點(diǎn)、后澆帶兩側(cè)沉降差均隨樓層差的增大而增大,隨時(shí)間增長(zhǎng)逐漸趨于穩(wěn)定;前期增加較慢,樓層差達(dá)到9層以上,沉降差增加變快。主樓封頂后,主裙樓最大沉降點(diǎn)、后澆帶兩側(cè)沉降差均隨時(shí)間繼續(xù)增大。

圖7 實(shí)際工況主裙樓最大沉降點(diǎn)沉降差、相對(duì)沉降差與樓層差關(guān)系曲線Fig.7 Curve of the relationship between the maximum settlement point settlement difference, relative settlement difference, and floor difference of the main podium building under actual working conditions

圖8 實(shí)際工況主裙樓最大沉降點(diǎn)沉降差、相對(duì)沉降差隨時(shí)間變化曲線Fig.8 Time varying curves of the maximum settlement point settlement difference and relative settlement difference of the main podium building under actual working conditions

圖9 實(shí)際工況主裙樓后澆帶兩側(cè)沉降差、相對(duì)沉降差與樓層差關(guān)系曲線Fig.9 Relationship curve between settlement difference, relative settlement difference, and floor difference on both sides of the postcast strip of the main podium building under actual working conditions

圖10 實(shí)際工況主裙樓后澆帶兩側(cè)沉降差、相對(duì)沉降差隨時(shí)間變化曲線Fig.10 Time varying curves of settlement difference and relative settlement difference on both sides of the post poured strip of the main podium building under actual working conditions

表6 主裙樓最大沉降點(diǎn)沉降差隨施工進(jìn)度統(tǒng)計(jì)Table 6 Statistics of the maximum settlement point settlement difference of the main podium building with construction progress

表7 實(shí)際工況主裙樓后澆帶兩側(cè)沉降差統(tǒng)計(jì)Table 7 Statistics of settlement difference on both sides of the postcast strip of the main podium building under actual working conditions

2 基于沉降觀測(cè)的沉降差異數(shù)值模擬分析

采用軟件建立結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)和地基模型如圖11所示,其中主樓地上21層,裙房保持樓層一致,考慮最不利因素將其均設(shè)置為地上2層。

圖11 有限元模型Fig.11 Finite element model

提取主樓最大沉降點(diǎn)數(shù)據(jù)作沉降量-時(shí)間曲線,并與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比對(duì),如圖12所示,當(dāng)主樓封頂時(shí),現(xiàn)場(chǎng)沉降監(jiān)測(cè)數(shù)值為27.41 mm,模擬計(jì)算最大沉降量為31.07 mm,可以看出主樓最大沉降數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果在沉降規(guī)律及數(shù)值上都較為接近。

圖12 有限元與實(shí)測(cè)值最大沉降點(diǎn)對(duì)比Fig.12 Comparison of the maximum settlement point between finite element analysis and measured values

模擬取消沉降后澆帶,實(shí)現(xiàn)主樓與裙房基礎(chǔ)整體連接,模型如圖13所示。對(duì)于主裙樓結(jié)構(gòu)取消或提前封閉沉降后澆帶應(yīng)綜合考慮主裙樓間差異沉降、基礎(chǔ)底板強(qiáng)度以及剛度,依據(jù)GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》從3個(gè)方面判定主裙樓結(jié)構(gòu)是否可取消沉降后澆帶。

圖13 取消沉降后澆帶模型Fig.13 Model of postcast strip with cancellation of settlement

1)帶裙房的高層建筑下的整體筏形基礎(chǔ),主樓與相鄰裙房柱的差異沉降不應(yīng)大于其跨度的0.1%。

2)帶裙房的高層建筑下的整體筏形基礎(chǔ),主樓下筏板基礎(chǔ)的整體撓度值不應(yīng)大于0.05%。

3)基礎(chǔ)底板最大拉應(yīng)力不應(yīng)大于C35混凝土的極限抗拉強(qiáng)度值2.2 MPa。

主樓21層施工結(jié)束的模擬結(jié)果如圖14所示,從中可以看出主樓最大沉降出現(xiàn)在主樓中心處且主樓沉降整體呈現(xiàn)“鍋底”形,主裙樓連接處沉降是連續(xù)的,未出現(xiàn)沉降突變現(xiàn)象。主樓最大沉降為35.25 mm,裙房最大沉降為27.46 mm,主樓下筏板基礎(chǔ)的整體撓度值為2.27×10-4,主樓與裙房相鄰柱的相對(duì)沉降差為3.23×10-4,主樓四周處拉應(yīng)力最大為0.95 MPa,符合取消沉降后澆帶要求。

圖14 底板沉降及應(yīng)力分布Fig.14 Bottom plate settlement and stress distribution

在保持裙房樓層不變的基礎(chǔ)上,繼續(xù)增加主樓高度,以上述3條原則作為判別是否可取消沉降后澆帶的依據(jù),計(jì)算結(jié)果如表8所示。

表8 不同主樓高度對(duì)應(yīng)基礎(chǔ)底板沉降及應(yīng)力計(jì)算Table 8 Calculation of foundation plate settlement and stress for different main building heights

由表8可知,主樓與裙房相鄰柱間相對(duì)沉降、主樓筏板基礎(chǔ)整體撓度值以及基礎(chǔ)底板最大拉應(yīng)力均隨主樓樓層增加而增加,其中當(dāng)主樓增加至32層時(shí),基礎(chǔ)底板最大拉應(yīng)力均符合規(guī)范要求,但主樓與裙房相鄰一側(cè)相對(duì)沉降差為1.01×10-3,超出規(guī)范限值。因此當(dāng)主樓32層、裙房2層時(shí),不適宜直接取消沉降后澆帶。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)強(qiáng)風(fēng)化巖地基上高層建筑沉降觀測(cè)分析和沉降差異及基礎(chǔ)底板應(yīng)力數(shù)值模擬分析,得出以下結(jié)論。

1)主樓最大沉降出現(xiàn)在主樓中心處且主樓沉降整體呈現(xiàn)“鍋底”形,主裙樓連接處沉降是連續(xù)的,未出現(xiàn)沉降突變現(xiàn)象,裙樓沉降分布與上部結(jié)構(gòu)分布有關(guān)。

2)主裙樓沉降差隨時(shí)間增長(zhǎng)逐漸趨于穩(wěn)定,建造過(guò)程中沉降差異變化與主裙樓高度差相關(guān)。施工過(guò)程中,存在主裙樓沉降差異大的可能,應(yīng)保持主裙樓施工進(jìn)度差,以控制主裙樓差異沉降。

3)主裙樓沉降與基礎(chǔ)下部巖土層有直接關(guān)系,地基條件的不均勻性,會(huì)使建筑沉降出現(xiàn)局部不均勻現(xiàn)象。

4)地下水浮力對(duì)裙樓沉降影響明顯,施工過(guò)程中地下水位上升會(huì)引起主裙樓沉降差增大。裙樓小于2層時(shí),主裙樓沉降差異計(jì)算分析應(yīng)考慮浮力因素,考慮一定增大系數(shù)。

5)當(dāng)主裙樓地基條件為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖(變形模量為25 MPa),裙房高度為地上2層時(shí),主樓高度在31層及以下可取消沉降后澆帶。