成都地區大直徑素混凝土樁復合地基筏板受力特性

吳平，董驁,2

（1.安徽省建筑科學研究設計院，安徽 合肥 230001；2.西南交通大學，四川 成都 610031）

0 前 言

素混凝土樁復合地基是近年來被廣泛應用的一種復合地基型式[1-3]。它與普通樁基礎的區別在于：樁身不配鋼筋，在基礎和樁之間鋪設褥墊層，通過褥墊層將上部結構荷載傳遞到樁和樁間土，使得樁及樁間土的自身承載力潛能能夠得到充分的發揮，因此具有良好的經濟性和適用性，已成為地基處理的一種重要方法，在我國廣東、福建、江浙、湖北和四川等省都有應用[4-5]。其特點主要有以下幾個方面[6-11]：①適用范圍廣；②承載力高；③復合地基變形小；④用以減小地基的不均勻沉降效果明顯；⑤具有良好的經濟效益和社會效益。

與普通素混凝土樁相比，大直徑素混凝土樁樁徑更大，一般在800mm～1200mm，使得施工作業方便，置換率相對較高，能夠更有效的發揮地基土的作用，同時可以提高復合地基的整體剛度，減小地基沉降[12]。本文通過對成都地區軟巖場地工程項目現場實測，分析大直徑混凝土復合地基及上部筏基協同作用的力學特性，從而為復合地基設計優化提供依據。

1 工程概述

某置業投資有限公司擬興建的“ICON·云端”項目位于成都市高新區天府大道東側。該工程包括：1棟主塔（46層），高186.90m，設3層地下室，框架核心筒結構，柱最大豎向荷載92900kN，采用筏板基礎；1棟住宅樓(6～18層)，高20.4m～60m，設1層地下室，剪力墻結構；地下室1～3層(地面無建筑)，負一層層高6.0m，負二層層高3.9m，負三層層高3.9m，框架結構，獨立基礎+抗水板。+0.00標高483.60m。

由于主塔樓區域內地質條件無法滿足上部結構荷載的設計承載力要求，經分析研究采用了直徑800mm～1000mm的大直徑鉆孔素砼樁復合地基對場地進行處理，以提高場地的地基承載能力。根據上部結構荷載分布不同，將場地劃分為A、B、C三個區域：A區域基底壓力為700kPa（純地下室）；B區域基底壓力為900kPa（高層住宅樓、主塔附樓）；C區域基底壓力為1500kPa（主塔）。

2 地質水文概況

2.1 地形地貌

擬建物場地開闊，地形有一定起伏。場地自然地坪標高(鉆孔孔口標高)480.22m～487.05m，相對高差6.83m。地貌單元屬成都平原岷江水系一級階地。

2.2 氣象特征

場地所處成都地區屬亞熱帶季風型氣候，其主要特點是：四季分明、氣候溫和、雨量充沛、夏無酷暑、冬少冰雪。主導風向為NNE向，常年平均風速為1.2m/秒，年平均風壓140Pa，最大風壓約250Pa，年平均降雨量為900mm～1000mm，7、8月份雨量集中，易形成暴雨。

2.3 場區地層構成及特征

由詳細勘察報告可知，該場地強風化、中風化泥巖互層嚴重，節理裂隙發育。由上至下，其場地土(巖)層依次為：

①第四系全新統人工填土層，厚度2.0m～10.3m。

②第四系全新統沖積層：

a.細砂：最大厚度2.3m；

b.中砂：最大厚度約1.6m；

c.卵石：包括松散卵石、稍密卵石、中密卵石和密實卵石四個亞層；

③白堊系灌口組泥巖。

2.4 地下水

根據施工勘察報告，場地內基巖中有裂隙水，該裂隙水有一定承壓性，深度在地基下13.0m～40.0m，均有分布，經腐蝕性分析，場地地下水對混凝土結構具有弱腐蝕性，對混凝土結構中的鋼筋具微腐蝕性。

3 監測內容及方案

3.1 監測內容

3.1.1 樁頂受力監測

對大直徑素混凝土灌注樁采用混凝土應變計進行監測。了解筏板基礎下樁的受力分布規律，比較不同樁位的受力狀況和荷載分布。在筏板施工及上部結構施工等過程中，及時跟蹤監測，以防止局部發生超限荷載等非常狀況，確保工程安全。

3.1.2 基底土壓力監測

采用土壓力盒監測大直徑素混凝土灌注樁樁頂、樁底及樁周的土壓力，筏板與地基土之間的接觸壓力（基底反力），了解地基土的受力狀態以及樁土共同作用時的荷載分布規律。

3.1.3 筏板應力監測

筏板受力狀況監測主要是對筏板內部設置鋼筋應力計及混凝土應變計進行監測，了解施工加載期間筏板內部荷載變化情況，分析計算筏板的受力、變形特征。

3.2 監測方案

3.2.1 大直徑素砼樁監測點位選擇

由于設計承載力要求的不同，將場地劃分為A、B、C共3個區域，各區域內的樁長，樁徑不盡相同。其中：

A區樁徑1000mm，樁間距2.7m，共計71根，樁長不小于9.00m。且樁端進入中風化泥巖。單樁3200kN。混凝土強度等級C25。

B區樁徑1000mm，樁間距2.8m，共計68根，樁長不小于13.00m。且樁端進入中風化泥巖。單樁5100kN。混凝土強度等級C25。

C區樁徑1300mm，樁間距2.7m，共計400根，除電梯井標高-21.600(462.00m)范圍樁長不小于19.00m，且樁端進入中風化泥巖或微風化泥巖。單樁9300kN。混凝土強度等級C25。

為了全面合理的掌握場地內各個素混凝土樁的受力及變形情況，需在各個區域選擇不同的樁形進行監測。所選試樁位置如圖1所示，其信息匯總于表1。樁內量測斷面、樁周土壓力盒的布置方式見圖2。

圖1 試樁位置示意圖

4 筏板監測點選擇

與A區及B區相比，C區的基底壓力水平最高，故選C區的筏基為監測對象。

測點沿X1、X2、Y1、Y2這4條線布置，每條線上布置9～11個測點。此外，考慮到結構柱下的基底反力較大，故在部分結構柱處設置測點，對筏基內力及基底反力進行量測。測點布置方案如圖3、圖4、圖5所示。

圖2 監測樁測點布置示意圖

試樁信息匯總表 表1

圖3 壓力盒測點布置方案

5 數據分析

5.1 樁身荷載傳遞

圖4 筏基測點(鋼筋計與混凝土應變計)布置方案

圖5 鋼筋計與應變計位置及編號示意圖

根據現場測量結果可得到每期量測結果中不同樁體各個截面的軸力，由于受施工方及建設方等多方面因素影響，總共只獲取了5期監測成果。每一期報告對應的上部結構增加兩層，相應的荷載隨之增加。監測結果取C區復合地基（承載力最高區）的3根特征樁進行分析，分別為216#、300#及140#樁，圖6、圖7、圖8分別為216#、300#及140#樁的樁身軸力變化圖。

圖6 216#樁身軸力變化

從圖6(a)可以看出，樁身各個截面的軸力基本隨著上部荷載的增大而同步增大，最大軸力為595kN，軸力的增幅隨著上部荷載的增大也隨之變大。樁身軸力從樁頂沿樁身向下逐漸衰減，說明隨著的荷載的增大，樁身側阻逐漸發揮作用。荷載較低時，樁身各個截面軸力相差并不大，隨著荷載增加，各個截面的軸力差隨之變大。圖6(b)顯示：整個過程中樁的上部一直存在負摩阻力且數值較大，主要存在于0m～2.5m之間（樁頂算起），約為樁徑2倍的范圍內。

從圖7(a)可以看出，樁身各個截面的軸力基本隨著上部荷載的增大而同步增大，最大軸力為450kN。樁身軸力從樁頂到樁低逐漸衰減，說明隨著的荷載的增大，樁身側阻逐漸發揮作用。圖7(b)顯示：整個過程中樁的上部一直存在負摩阻力但數值較小，主要存在于0m～2.5m之間（樁頂算起），大概是樁徑2倍的范圍內。

圖7 300#樁身軸力變化

圖8 140#樁身軸力變化

從圖8(a)可以看出，樁身各個截面的軸力隨著基本荷載的增大而同步增大，最大軸力為500kN。圖8(b)中可以看出140#樁樁身截面軸力沿深度變化趨勢，12m以后樁身軸力衰減速率明顯加快，樁底側摩阻發揮充分。在0～2.5m處，大約為樁徑2倍范圍內出現了負摩阻力。

216#、300#和140#樁的樁體位置不同，其各截面受力趨勢大體相同，可見：

①核心地區樁216#的最大軸力為595kN大于角樁300#樁的最大軸力為450kN和邊樁140#樁的最大軸力為500kN。經分析認為：位于核心地區的樁，筏板上設有局部凹形下凸的電梯井，其對筏板有側向支撐作用，對樁體約束較強，故荷載集中作用樁體上。

②在0m～2.5m處，大約在樁徑的2倍范圍內均出現了負摩阻力。經分析認為：由于設置了褥墊層，受到荷載時大直徑素混凝土樁“刺入”褥墊層，土體的豎向位移大于樁身豎向位移，引起土體對樁產生向上“拔”的負摩阻力，因此增加了此范圍內的樁身軸力。

5.2 筏基內鋼筋計量測結果分析

根據現場監測數據，可得每一期X1、X2、Y1、Y2四個截面線的上部和下部鋼筋應力的分布，結果見圖9、圖10、圖11和圖12。

X1、X2、Y1和Y2四個截面的上的鋼筋應力分布趨勢大體相同。

①在結構柱作用處的應力水平較高，但筏板中部的應力水平較低。筏板中部是核心筒部分，上部剛度約束較大，筏板的變形限制較為明顯，故應力水平較低。

②在兩個結構柱之間的應力分布出現反彎點，上部鋼筋受拉，下部鋼筋受壓。在兩個結構柱的集中荷載作用下，兩個結構柱之間的筏板出現了上“拱”效應，出現上部鋼筋受拉、下部鋼筋受壓的情形。

③下部鋼筋的拉應力分布較上部鋼筋的壓應力分布更加均勻，未出現拉、壓交替分布的情形。由于筏板自身的剛度在荷載傳遞的過程中起到了變形協調的作用，使底部的荷載分布更為均勻。

X1剖面線筏板中上、下鋼筋的應力分布見圖9。

圖9 X1 鋼筋的應力分布

X2剖面線筏板中上、下鋼筋的應力分布見圖10。

圖10 X2 鋼筋應力分布

Y1剖面線筏板中上、下鋼筋的應力分布見圖11。

圖11 Y1 鋼筋應力分布

Y2剖面線筏板中上、下鋼筋的應力分布見圖12。

圖12 Y2 鋼筋應力分布

5.3 筏基底部土壓力盒量測結果分析

由于受施工過程中的種種因素的影響，筏基底土壓力量測結果中的X1截面和Y2截面的土壓力盒大部分測點未能獲得數據。因此在此僅分析X2和Y1兩個截面的土壓力盒的量測結果。圖13和圖14分別給出了X2和Y1截面的筏基底部反力分布。

從圖可以看出，筏基基底反力隨著上部荷載的增大同步增大。筏基底部反力在樁頂處應力較為集中，而在樁側的土體應力水平較低，整體分布呈波浪型。在筏板中部核心筒底部的樁體應力較外側樁體更大。從圖中還可以看出，樁頂的樁土應力比在10左右，隨荷載增大保持穩定基本沒有變化。

整個復合地基反力分布趨勢呈現馬鞍形分布，與絕對剛性條件下地基反力的分布形式類似，經分析認為，這是由于設計保守，筏基剛度很大，同時上部結構荷載并未完全加載，筏基自身剛度足以抵抗上部荷載產生的相對撓曲，因此其分布與絕對剛性的基礎分布類似。

6 結 論

通過對樁身荷載傳遞分析、筏基內鋼筋計測量結果分析和筏基底部土壓力測量結果分析，得到以下幾點結論。

①從樁身軸力分布可以看出，大直徑素混凝土樁的樁側一直存在負摩阻力，且存在于樁身上端0～2.5m，大約樁徑2倍的位置處。說明最頂部的樁間土變形較大，此范圍下變形逐步減弱，主要通過樁與正摩阻力共同承擔上部荷載。

②樁身軸力隨著深度線性衰減，樁底部軸力很小，整個樁呈現摩擦樁型的傳力特征。

③從筏基內鋼筋計測量結果可以看出，結構柱下筏基內鋼筋應力集中，在核心筒處水平較低，鋼筋應力分布與上部結構的約束密切相關。兩個結構柱之間會出現反彎點，即結構柱之間的筏基上“拱”效應。筏基底部的鋼筋應力分布較頂部更加均勻，基本全部受拉，未出現拉、壓交替出現的分布。

④筏基基底應力分布呈現波浪形，即樁頂應力集中，而樁間土應力水平遠低于樁頂。樁頂的樁土應力比在10左右，不隨荷載的增大而變化，整個基底反力分布趨勢呈現馬鞍形。

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