高層建筑樁筏基礎(chǔ)筏板內(nèi)力的現(xiàn)場實(shí)測與分析

1、高層建筑樁筏基礎(chǔ)筏板內(nèi)力的現(xiàn)場實(shí)測與分析齊良鋒(上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院土木與建筑工程系上海200235)張保印(西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院西安710055)簡浩(上海巖土工程勘察設(shè)計(jì)研究院上海200002)摘要:筏板設(shè)計(jì)參數(shù)選擇是高層建筑樁筏基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的一個(gè)難題,為了解筏板的實(shí)際受力狀況,對黃土地區(qū)某高層建筑陜西省郵政電信網(wǎng)管中心大樓工程的樁筏基礎(chǔ)進(jìn)行了原位測試開始澆注混凝土至結(jié)構(gòu)封頂應(yīng)力變化的全過程,、反力的分布,為筏板優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了資料。關(guān)鍵詞:溫度應(yīng)力筏板應(yīng)力原位測試IN2SITUSINTERNALFORCESOFHIGH2RISEPILE2RAFTFOUNDATIONQiLiangfe

2、ng(DepartmentofCivilEng.,ShanghaiInstituteofTechnologyShanghai200235)ZhangBaoying(SchoolofCivilEng.,XianUniv.ofArch.&Tech.Xian710055)JianHao(ShanghaiGeotechnicalInvestigations&DesignInstituteShanghai200002)Abstract:Raftdesignparameterisanimportantfactortooptimaldesignofhigh2risebuildingwithp

3、ile2raftfoundation.Inordertoknowtheraftsrealstressduringbuildingconstruction,throughin2situtestofasuperhighbuildingatloessareaNetManagementCenterMansionofShaanxiTelecomOffice,thetestdataareanalyzedandsomeresultssuchasraftsstressvaryingwiththedurationfromstartofpouringraftsconcretetothesealoftheroofo

4、fmainbody,raftsstressdistributiononmiddleaxial,settlementandpilesreactiondistributiononmiddleaxial,etcaregiven.Alltheseprovidedatafortheoptimaldesignofhigh2risebuildingwithpile2raftfoundation.Keywords:temperaturestressraftsstressin2situmeasurement近年來,隨著高層建筑高度、樁長及筏板厚度的增加,對高層建筑樁筏基礎(chǔ)的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究也越來越多1,2,其中筏板

5、作為鋼筋混凝土構(gòu)件,厚度大多數(shù)在13m,在滿足抗彎、抗剪、抗沖切等強(qiáng)度要求的同時(shí),還必須滿足配筋的構(gòu)造要求,因此,筏板設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇是優(yōu)化設(shè)計(jì)中的重要步驟。為了解筏板實(shí)際工作中的受力狀況,檢驗(yàn)筏板設(shè)計(jì)是否合理,本課題組對黃土地區(qū)某高層建筑陜西省郵政電信網(wǎng)管中心大樓工程的樁筏基礎(chǔ)進(jìn)行了原位測試,對施工過程中的筏板應(yīng)力、樁頂反力、土反力及沉降進(jìn)行了監(jiān)測,以期對筏板優(yōu)化設(shè)計(jì)提供資料,使高層建筑樁筏基礎(chǔ)設(shè)計(jì)更經(jīng)濟(jì)、合理。1工程簡介111工程概況度抗震設(shè)防區(qū)。上部結(jié)構(gòu)采用剪力墻薄壁內(nèi)筒和密排柱外框筒組成的筒中筒結(jié)構(gòu),外筒尺寸3316m×3718m,內(nèi)筒尺寸1310m×2110m,結(jié)構(gòu)

6、平面布置如圖1,建筑剖面如圖2。柱截面114m×114m,側(cè)墻厚400mm?；A(chǔ)采用整體樁筏式基礎(chǔ),筏板厚度215m,混凝土強(qiáng)度等級為C45,其底面標(biāo)高為-1317m,挑出邊軸線長度最大216m,最小213m,其上覆素土至室外地坪;鋼筋混凝土灌注樁采用泥漿護(hù)壁工藝(反循環(huán)),工程樁直徑018m,樁長60m,混凝土強(qiáng)度等級為C35,布樁271根,建筑物總荷載為1034MN,平均每根單樁承擔(dān)建筑物荷載31815MN,單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值131100MN。112工程地質(zhì)條件簡介工程場地地形較平坦,地面標(biāo)高408135408193m,地貌單元屬皂河古河道區(qū),地下水屬潛水類型,穩(wěn)定水位埋深陜西

7、省郵政電信網(wǎng)管中心大樓總面積為55000m2,主體結(jié)構(gòu)地上36層,塔樓3層,地下2層,總高度14313m,位于8IndustrialConstructionVol134,No11,2004第一作者:齊良鋒女1973年10月出生博士講師收稿日期:2003-02-18工業(yè)建筑2004年第34卷第1期45© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 111151210m,地下水對混凝土結(jié)構(gòu)無腐蝕性。場地地基土構(gòu)成,見表1。工程場地各層地基土均為中壓縮性、超固結(jié)土、飽和

8、砂土及粉土,為不液化土層;建筑地基可按非濕陷性黃土地基設(shè)計(jì)。自上而下主要由人工填土、第四紀(jì)全新世沖洪積黃土狀土、沖積中砂、粉質(zhì)粘土及中更新世沖積粉質(zhì)粘土、中砂、粉土等表1地層結(jié)構(gòu)及土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)地層名稱lal+pl(3)黃土狀土Q4層厚層底標(biāo)高m8110213021005160419041901120513010110214031402180249m3981373961073941073881473831573831573731573681273581173551773521371323138土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)w%231124152711241824182015241625132019

9、241923102316(kNm-3)171919181917201020102113201020112016142013ckPa01874017040175801698016980152701691016926870163701652ILSrqcfsa011012Es011012N6315%721894149617961396131009613597179715kPa299843714662320532052748302190kPa100131061119611112161121691MPa-1MPa14144擊2211013901500164014501450157014901152014

10、401380116011901260120100113011601180117(4)中砂alQ4al(5)粉質(zhì)粘土Q410126712491869186121241013011148121451118350101165010174(6)粉質(zhì)粘土(8)粉質(zhì)粘土(9)粉質(zhì)粘土(10)粉土alQ2alQ2alQ2alQ2(11)粉質(zhì)粘土(13)粉質(zhì)粘土(14)粉土(17)中砂(19)中砂alQ2alQ2alQ2(16)粉質(zhì)粘土alQ2alQ2(18)粉質(zhì)粘土alQ2alQ2(20)粉質(zhì)粘土alQ沉降觀測點(diǎn);鋼筋應(yīng)力計(jì)測點(diǎn)圖2結(jié)構(gòu)剖面圖1結(jié)構(gòu)平面、沉降觀測點(diǎn)、筏板鋼筋應(yīng)力計(jì)布置113監(jiān)測工作簡介數(shù)據(jù)的

11、連續(xù)性和完整性。2現(xiàn)場實(shí)測為了監(jiān)測筏板的受力情況,在筏板縱橫方向?qū)ΨQ軸的上、下側(cè)埋設(shè)鋼筋應(yīng)力計(jì)28個(gè),布置如圖1。為了監(jiān)測樁頂和筏底土的受力情況,在基底14面積范圍內(nèi)、縱橫方向?qū)ΨQ軸上以及結(jié)構(gòu)四個(gè)角區(qū),間隔埋設(shè)樁頂鋼筋應(yīng)力計(jì)57個(gè),土壓力盒50個(gè),見圖3。為了監(jiān)測基礎(chǔ)沉降,在地上一層的剪力墻和柱上埋設(shè)了20個(gè)永久測點(diǎn),見圖1。厚筏基礎(chǔ)的鋼筋應(yīng)力包括兩類,一類是筏基澆筑后,混凝土水化溫度提高產(chǎn)生的鋼筋壓應(yīng)力,另一類是上部結(jié)構(gòu)自重及施工荷載引起的。211筏內(nèi)鋼筋溫度應(yīng)力厚筏大面積澆筑混凝土結(jié)硬時(shí)會產(chǎn)生很高的溫度,筏中部和接近筏面的溫差較大,由此引起混凝土收縮產(chǎn)生壓應(yīng)力。本工程筏厚215m,為了監(jiān)測

12、筏板澆筑后的溫度變化,設(shè)了10個(gè)監(jiān)測點(diǎn),圖4繪出了筏板澆筑完畢后,連續(xù)10d筏板內(nèi)鋼筋應(yīng)力和溫度隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線。圖4a表明:在工業(yè)建筑2004年第34卷第1期本文測試數(shù)據(jù)從2000年4月7日筏板澆筑完第一天開始,至2001年9月26日結(jié)構(gòu)封頂。在一年多的實(shí)測中,除了個(gè)別無訊號外,其余測試元件都一直正常工作,保證了測試46© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. (1G53G)鋼筋應(yīng)力計(jì);(T1T50)土壓力盒圖3樁頂鋼筋應(yīng)力計(jì)及土壓力盒布置變,邊緣鋼筋

13、壓應(yīng)力GB16、GB28與之相適應(yīng),達(dá)最大值后變化不大,中部鋼筋壓應(yīng)力GB22迅速達(dá)最大值后,又大幅度下降,10d后其值僅有14116MPa。由于混凝土收縮引起較大的壓應(yīng)力,在施工過程中,施工單位應(yīng)采取相應(yīng)的措施防止筏板表面出現(xiàn)裂縫。同時(shí),分析在上部結(jié)構(gòu)自重荷載作用下筏板內(nèi)鋼筋應(yīng)力時(shí),必須對測試應(yīng)力進(jìn)行修正,將筏板養(yǎng)護(hù)好但還未施工上部結(jié)構(gòu)時(shí)的應(yīng)力定為零,作為始點(diǎn)分析筏內(nèi)的應(yīng)力。212筏內(nèi)鋼筋荷載應(yīng)力21211基礎(chǔ)沉降主體結(jié)構(gòu)封頂時(shí),測點(diǎn)最大沉降17mm,最小沉降1413mm,最大差異沉降217mm;建筑物內(nèi)筒平均沉降161295mm,外筒平均沉降1515mm,內(nèi)外筒平均沉降差為1137mm;建

14、筑物整體平均沉降僅有15174mm。相關(guān)軸線上各施工階段沉降隨層數(shù)增加的分布規(guī)律見圖5。從圖5可看出,南側(cè)區(qū)域的沉降初始較大,爾后與其他a-筏板下層鋼筋應(yīng)力變化情況;b-筏板上層鋼筋應(yīng)力變化情況測點(diǎn)的差異逐漸減小,其原因可能是:1)由于建筑物南側(cè)裙房基坑大開挖(發(fā)現(xiàn)差異沉降較大后回填一部分)引起周圍土壓力松弛,樁側(cè)摩阻力減小。2)建筑物西北邊是鋼筋堆場,引起周圍土的附加應(yīng)力增加,樁側(cè)摩阻力增加。結(jié)構(gòu)封頂時(shí),東西方向沉降較均勻,南北方向沉降差較大。21212樁頂反力圖4鋼筋溫度應(yīng)力隨溫度的變化溫度達(dá)到最大值以前,邊緣鋼筋壓應(yīng)力GB1、GB13增長較快,中部鋼筋壓應(yīng)力GB7增長較緩,在溫度開始下降

15、后,邊緣GB1、GB13增長較緩,中部GB7快速增長,10d后其鋼筋壓應(yīng)力達(dá)30135MPa。上層鋼筋處的溫度達(dá)最大值后,基本保持不高層建筑樁筏基礎(chǔ)筏板內(nèi)力的現(xiàn)場實(shí)測與分析齊良鋒,等47© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 51G、35G較1G、46G小許多,其原因與沉降分析相同,主要是由于建筑物南側(cè)進(jìn)行基坑開挖和建筑物西北角是鋼筋堆場引起的;結(jié)構(gòu)封頂時(shí),最大樁頂反力約6000kN。21213土反力在加荷初期,各部位土反力有一個(gè)快速增長的過程,之后有一個(gè)

16、卸荷過程(卸荷過程與地下水位回升有關(guān)),直至施工到4層,土反力才開始增長,內(nèi)部增長較快,邊緣次之,角部最慢,由此可以表明,在施工初期,上部荷載主要由筏底土來承擔(dān),樁承擔(dān)荷載較少,隨著結(jié)構(gòu)層數(shù)的不斷增加,增加的荷載主要由樁來承擔(dān),土承擔(dān)比例較小。圖7是東西和南北中軸線上的土反力分布曲線。a-東西中軸;b-1-5層;2-10層;3-15層-25;7層圖5層以前,內(nèi)樁和邊樁平均樁頂反力增加比較緩慢,角樁樁頂反力卻逐漸減小,這可能是由于上部結(jié)構(gòu)與筏板共同工作空間剛度還沒有充分形成,此時(shí)的主要荷載由樁間土承擔(dān),其次是停止降水,地下水位上升對其有一定的影響。當(dāng)施工至4層(接近于土的自重應(yīng)力階段)以后,上部

17、結(jié)構(gòu)剛度對筏板剛度的貢獻(xiàn)已經(jīng)完成,此時(shí)各樁的樁頂反力有比較明顯的增加,其中角樁增長最快,邊樁次之,內(nèi)樁增長較慢。圖6是東西和南北中軸線上的樁頂反力分布曲線。a-東西中軸;b-南北中軸1-5層;2-13層;3-19層;4-24層;5-29層;6-36層圖7中軸線土反力分布圖7顯示,土反力分布呈拋物線型,東西方向曲線變化趨勢基本對稱于對稱軸,南北方向土反力并不對稱,北側(cè)測點(diǎn)值大于南側(cè)測點(diǎn),其原因與沉降分析相同。至結(jié)構(gòu)封頂時(shí),內(nèi)部平均土反力為8911kPa,邊緣平均土反力為7514kPa,角部平均土反力為5312kPa,約承擔(dān)14%的上部荷載。21214筏板內(nèi)鋼筋應(yīng)力的變化規(guī)律圖8是筏內(nèi)鋼筋應(yīng)力隨上

18、部荷載變化曲線(拉為正、壓為負(fù)),由圖8可見:1)筏內(nèi)應(yīng)力隨著上部結(jié)構(gòu)層數(shù)的增加而增大,在上部結(jié)構(gòu)層數(shù)為地上14層時(shí),筏內(nèi)應(yīng)力隨著結(jié)構(gòu)層數(shù)的增加而有所降低,此變化過程與樁頂反力、土反力變化是協(xié)調(diào)的,在此階段,樁頂反力有卸荷作用,土反力增長較快,因此筏板的局部彎曲減小;筏板邊緣處的應(yīng)力稍微增加后基本保持不變或緩慢增長。a-東西中軸;b-南北中軸1-5層;2-13層;3-19層;4-24層;5-29層;6-36層2)外筒剪力墻作用處筏板應(yīng)力較小,內(nèi)筒剪力墻作用處圖6中軸線樁頂反力分布筏板應(yīng)力較大。3)頂面鋼筋基本全部受壓,僅在筏板中心出現(xiàn)較小的拉從圖6可以看出,建筑物的樁頂反力基本呈中間反力小、邊

19、緣反力大的馬鞍型分布,最大樁頂反力出現(xiàn)在邊緣或靠近邊緣處;對稱軸上的樁頂反力并不十分對稱,樁頂反力應(yīng)力;底面鋼筋基本全部受拉,僅在筏板邊緣出現(xiàn)較小的壓應(yīng)力。在結(jié)構(gòu)竣工時(shí),頂面最大壓應(yīng)力為44103MPa,底面最大拉應(yīng)力為42166MPa,兩值相差不大,底面邊緣最大壓應(yīng)力工業(yè)建筑2004年第34卷第1期48© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 為1512MPa。21215筏板中軸線上鋼筋應(yīng)力分布圖9是中軸線上筏板頂面和底面的應(yīng)力分布隨結(jié)構(gòu)層數(shù)變化的曲線,由

20、圖9可以看出:1)軸線上的筏板應(yīng)力分布在東西方向基本對稱,南北方向靠近南側(cè)測點(diǎn)處的應(yīng)力大于靠近北側(cè)對稱點(diǎn)處的應(yīng)力,這主要是由于東西方向沉降均勻,而南北方向沉降差較大,使筏板在南北方向產(chǎn)生較大的附加彎矩。2)中性軸基本在筏板內(nèi)。上部結(jié)構(gòu)的剛度對筏板剛度的貢獻(xiàn)是有限的,僅在筒體結(jié)構(gòu)層數(shù)為地上14層時(shí),其剛度對筏板剛度有所加強(qiáng),筏內(nèi)應(yīng)力隨著結(jié)構(gòu)層數(shù)的增加而有所降低,隨著筒體結(jié)構(gòu)剛度的進(jìn)一步增加,其對筏板剛度的加強(qiáng)作用并不明顯,但由于超長樁的存在,同樣加強(qiáng)筏板的剛度,所以僅在中間局部很小的區(qū)域出現(xiàn)中性軸移至上部結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象;,僅有填至地面,基本處于3,結(jié)構(gòu)竣工時(shí),最大壓應(yīng)力44,42166MPa。4)結(jié)構(gòu)竣工時(shí),較大樁頂反力出現(xiàn)在角部和邊部,接近6000kN,小于13000118=7200kN,又筏基內(nèi)應(yīng)力很小,筏板a-;c-;d-沿東西方向底面測點(diǎn)的變化厚度應(yīng)按抗剪和抗沖切確定,按實(shí)測結(jié)果,根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)(G設(shè)計(jì)規(guī)范B5001022002)計(jì)算筏板厚度,可取為1250mm,比實(shí)際減少1250mm,