1、高層建筑樁筏基礎筏板內力的現場實測與分析齊良鋒(上海應用技術學院土木與建筑工程系上海200235)張保印(西安建筑科技大學土木工程學院西安710055)簡浩(上海巖土工程勘察設計研究院上海200002)摘要:筏板設計參數選擇是高層建筑樁筏基礎優化設計中的一個難題,為了解筏板的實際受力狀況,對黃土地區某高層建筑陜西省郵政電信網管中心大樓工程的樁筏基礎進行了原位測試開始澆注混凝土至結構封頂應力變化的全過程,、反力的分布,為筏板優化設計提供了資料。關鍵詞:溫度應力筏板應力原位測試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的優化設計研究也越來越多1,2,其中筏板

5、作為鋼筋混凝土構件,厚度大多數在13m,在滿足抗彎、抗剪、抗沖切等強度要求的同時,還必須滿足配筋的構造要求,因此,筏板設計參數的選擇是優化設計中的重要步驟。為了解筏板實際工作中的受力狀況,檢驗筏板設計是否合理,本課題組對黃土地區某高層建筑陜西省郵政電信網管中心大樓工程的樁筏基礎進行了原位測試,對施工過程中的筏板應力、樁頂反力、土反力及沉降進行了監測,以期對筏板優化設計提供資料,使高層建筑樁筏基礎設計更經濟、合理。1工程簡介111工程概況度抗震設防區。上部結構采用剪力墻薄壁內筒和密排柱外框筒組成的筒中筒結構,外筒尺寸3316m×3718m,內筒尺寸1310m×2110m,結構

6、平面布置如圖1,建筑剖面如圖2。柱截面114m×114m,側墻厚400mm。基礎采用整體樁筏式基礎,筏板厚度215m,混凝土強度等級為C45,其底面標高為-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壁工藝(反循環),工程樁直徑018m,樁長60m,混凝土強度等級為C35,布樁271根,建筑物總荷載為1034MN,平均每根單樁承擔建筑物荷載31815MN,單樁極限承載力標準值131100MN。112工程地質條件簡介工程場地地形較平坦,地面標高408135408193m,地貌單元屬皂河古河道區,地下水屬潛水類型,穩定水位埋深陜西

7、省郵政電信網管中心大樓總面積為55000m2,主體結構地上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,地下水對混凝土結構無腐蝕性。場地地基土構成,見表1。工程場地各層地基土均為中壓縮性、超固結土、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計。自上而下主要由人工填土、第四紀全新世沖洪積黃土狀土、沖積中砂、粉質粘土及中更新世沖積粉質粘土、中砂、粉土等表1地層結構及土的物理力學性質指標地層名稱lal+pl(3)黃土狀土Q4層厚層底標高m8110213021005160419041901120513010110214031402180249m3981373961073941073881473831573831573731573681273581173551773521371323138土的物理力學性質指標w%231124152711241824182015241625132019

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

10、401380116011901260120100113011601180117(4)中砂alQ4al(5)粉質粘土Q410126712491869186121241013011148121451118350101165010174(6)粉質粘土(8)粉質粘土(9)粉質粘土(10)粉土alQ2alQ2alQ2alQ2(11)粉質粘土(13)粉質粘土(14)粉土(17)中砂(19)中砂alQ2alQ2alQ2(16)粉質粘土alQ2alQ2(18)粉質粘土alQ2alQ2(20)粉質粘土alQ沉降觀測點;鋼筋應力計測點圖2結構剖面圖1結構平面、沉降觀測點、筏板鋼筋應力計布置113監測工作簡介數據的

11、連續性和完整性。2現場實測為了監測筏板的受力情況,在筏板縱橫方向對稱軸的上、下側埋設鋼筋應力計28個,布置如圖1。為了監測樁頂和筏底土的受力情況,在基底14面積范圍內、縱橫方向對稱軸上以及結構四個角區,間隔埋設樁頂鋼筋應力計57個,土壓力盒50個,見圖3。為了監測基礎沉降,在地上一層的剪力墻和柱上埋設了20個永久測點,見圖1。厚筏基礎的鋼筋應力包括兩類,一類是筏基澆筑后,混凝土水化溫度提高產生的鋼筋壓應力,另一類是上部結構自重及施工荷載引起的。211筏內鋼筋溫度應力厚筏大面積澆筑混凝土結硬時會產生很高的溫度,筏中部和接近筏面的溫差較大,由此引起混凝土收縮產生壓應力。本工程筏厚215m,為了監測

12、筏板澆筑后的溫度變化,設了10個監測點,圖4繪出了筏板澆筑完畢后,連續10d筏板內鋼筋應力和溫度隨時間變化的關系曲線。圖4a表明:在工業建筑2004年第34卷第1期本文測試數據從2000年4月7日筏板澆筑完第一天開始,至2001年9月26日結構封頂。在一年多的實測中,除了個別無訊號外,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)鋼筋應力計;(T1T50)土壓力盒圖3樁頂鋼筋應力計及土壓力盒布置變,邊緣鋼筋

13、壓應力GB16、GB28與之相適應,達最大值后變化不大,中部鋼筋壓應力GB22迅速達最大值后,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力,在施工過程中,施工單位應采取相應的措施防止筏板表面出現裂縫。同時,分析在上部結構自重荷載作用下筏板內鋼筋應力時,必須對測試應力進行修正,將筏板養護好但還未施工上部結構時的應力定為零,作為始點分析筏內的應力。212筏內鋼筋荷載應力21211基礎沉降主體結構封頂時,測點最大沉降17mm,最小沉降1413mm,最大差異沉降217mm;建筑物內筒平均沉降161295mm,外筒平均沉降1515mm,內外筒平均沉降差為1137mm;建

14、筑物整體平均沉降僅有15174mm。相關軸線上各施工階段沉降隨層數增加的分布規律見圖5。從圖5可看出,南側區域的沉降初始較大,爾后與其他a-筏板下層鋼筋應力變化情況;b-筏板上層鋼筋應力變化情況測點的差異逐漸減小,其原因可能是:1)由于建筑物南側裙房基坑大開挖(發現差異沉降較大后回填一部分)引起周圍土壓力松弛,樁側摩阻力減小。2)建筑物西北邊是鋼筋堆場,引起周圍土的附加應力增加,樁側摩阻力增加。結構封頂時,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鋼筋溫度應力隨溫度的變化溫度達到最大值以前,邊緣鋼筋壓應力GB1、GB13增長較快,中部鋼筋壓應力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后其鋼筋壓應力達30135MPa。上層鋼筋處的溫度達最大值后,基本保持不高層建筑樁筏基礎筏板內力的現場實測與分析齊良鋒,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進行基坑開挖和建筑物西北角是鋼筋堆場引起的;結構封頂時,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快速增長的過程,之后有一個

16、卸荷過程(卸荷過程與地下水位回升有關),直至施工到4層,土反力才開始增長,內部增長較快,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,樁承擔荷載較少,隨著結構層數的不斷增加,增加的荷載主要由樁來承擔,土承擔比例較小。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構與筏板共同工作空間剛度還沒有充分形成,此時的主要荷載由樁間土承擔,其次是停止降水,地下水位上升對其有一定的影響。當施工至4層(接近于土的自重應力階段)以后,上部

17、結構剛度對筏板剛度的貢獻已經完成,此時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,北側測點值大于南側測點,其原因與沉降分析相同。至結構封頂時,內部平均土反力為8911kPa,邊緣平均土反力為7514kPa,角部平均土反力為5312kPa,約承擔14%的上部荷載。21214筏板內鋼筋應力的變化規律圖8是筏內鋼筋應力隨上

18、部荷載變化曲線(拉為正、壓為負),由圖8可見:1)筏內應力隨著上部結構層數的增加而增大,在上部結構層數為地上14層時,筏內應力隨著結構層數的增加而有所降低,此變化過程與樁頂反力、土反力變化是協調的,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力較小,內筒剪力墻作用處圖6中軸線樁頂反力分布筏板應力較大。3)頂面鋼筋基本全部受壓,僅在筏板中心出現較小的拉從圖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,樁頂反力應力;底面鋼筋基本全部受拉,僅在筏板邊緣出現較小的壓應力。在結構竣工時,頂面最大壓應力為44103MPa,底面最大拉應力為42166MPa,兩值相差不大,底面邊緣最大壓應力工業建筑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力分布圖9是中軸線上筏板頂面和底面的應力分布隨結構層數變化的曲線,由

20、圖9可以看出:1)軸線上的筏板應力分布在東西方向基本對稱,南北方向靠近南側測點處的應力大于靠近北側對稱點處的應力,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生較大的附加彎矩。2)中性軸基本在筏板內。上部結構的剛度對筏板剛度的貢獻是有限的,僅在筒體結構層數為地上14層時,其剛度對筏板剛度有所加強,筏內應力隨著結構層數的增加而有所降低,隨著筒體結構剛度的進一步增加,其對筏板剛度的加強作用并不明顯,但由于超長樁的存在,同樣加強筏板的剛度,所以僅在中間局部很小的區域出現中性軸移至上部結構的現象;,僅有填至地面,基本處于3,結構竣工時,最大壓應力44,42166MPa。4)結構竣工時,較大樁頂反力出現在角部和邊部,接近6000kN,小于13000118=7200kN,又筏基內應力很小,筏板a-;c-;d-沿東西方向底面測點的變化厚度應按抗剪和抗沖切確定,按實測結果,根據混凝土結構(G設計規范B5001022002)計算筏板厚度,可取為1250mm,比實際減少1250mm,