超厚濕陷黃土區SHR-SRC結構施工過程沉降監測與分析

宋彧 羅小博

摘 ? 要：為真實反映超厚濕陷性黃土區超高層型鋼混凝土（Super High Rise-Steel Reinforced Concrete，簡稱SHR-SRC）結構在施工過程中沉降特征隨上部載荷的變化規律，并指導安全施工，在試驗場區建立了一套完整的沉降監測體系，動態追蹤測試了超高層結構在整個施工周期2年6個月內的沉降變形等原始數據.利用實際監測結果，結合ABAQUS有限元分析，對SRC結構沉降特性進行了系統分析.結果表明：施工過程中，SHR-SRC結構整體沉降較為均勻，最大沉降速率為0.28 mm/d;距離核心筒附近的地下試樁點位正、負應變值小，遠處則相反;土體在施工強度平緩狀況下，局部會出現短暫的“回彈”現象;模擬顯示筏板底中心樁頂位移最大，邊樁次之，角樁最小，同一樁產生沉降差說明樁本身存在軸向壓縮;但由于黃土地基及結構受力的復雜性，相關規律需進一步分析與探討.

關鍵詞：超厚濕陷性黃土;SHR-SRC結構;施工;沉降監測;原始數據

中圖分類號：TU196.2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標志碼：A

Settlement Monitoring and Analysis on Construction Process

of SHR-SRC Structure in Ultra-thick Collapsible Loess Area

SONG Yu，LUO Xiaobo？覮

（College of Civil Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China）

Abstract：To truely reflect the variation law of settlement characteristics of Super High Rise-Steel Reinforced Concrete （SHR-SRC） structure with the upper load during the construction process in the ultra-thick collapsible loess area and guide the safe construction，a complete set of monitoring system was established to dynamically track testing settlement and deformation of SHR structure in the whole construction period （2.5 a） by the original data in the test area. The settlement characteristics of a SRC structure were analyzed systematically by actual monitoring results and ABAQUS finite element analysis. The results showed that the overall settlement of the SHR-SRC structure was relatively uniform，and the maximum settlement rate was 0.28 mm / d in the construction process. The positive and negative strain values of the underground test pile near the core tube were small，but far away the core they went by contrary. Under the condition of gentle construction intensity，local "rebound" phenomenon occurred briefly. The simulation showed that the largest displacement occurred at the top of the center pile at the bottom of raft，followed by the side pile，and the smallest displacement occurred at the angle pile. The settlement difference of the same pile indicated that the pile itself had axial compression. However，due to the complex mechanism of the loess and the structure，the related law is still needed to be further investigated and discussed.

Key words：ultra-thick collapsible loess;Super High Rise-Steel Reinforced Concrete （SHR-SRC） structure;construction;settlement monitoring;original data

近年來，從我國國情出發，SHR結構得到了快速發展，其結構形式復雜多樣. 然而SRC結構以受力合理、穩定性好、強度高、剛度大，延性、耗能性及抗震性能好等諸多力學優點被廣泛應用到大跨度、高層及SHR結構中;此外，它以減小構件截面面積并充分利用材料、施工便捷、建造速度快、社會效益好、防火防銹耐久性大大提高等突出特點在土木工程界深受“青睞”. 眾所周知，SHR結構因高、重特點，建造在良好地基上并非易事，然而在超厚黃土濕陷性地基中修建SHR-SRC結構，因地下土體物理、力學性能存在巨大差異及樁土的復雜受力等因素影響，使其安全性在施工過程中顯得尤為重要，全方位沉降監測是保證安全的重要舉措.

目前，眾多國內外學者基于大量沉降監測數據對SHR結構的沉降特性及規律進行了研究.在國內，主要集中在沿海軟土地帶，姜晨光等[1]早先根據大量資料，得出了沉降時效基本規律及相應的經驗公式;錢思眾等[2]對高層建筑地基沉降監測表明，施工速度與場地條件都會影響沉降速率;劉射洪等[3-4]以工程實例與模型相結合，證明黏土地基沉降具有時變性，其效應對SHR結構內力有重要影響;馬思文[5] 以632.0 m上海中心大廈為工程背景，對施工過程中沉降量進行了監測;蘭澤英等[6]通過自主研發的新型擺動監測系統（CCD）對SHR等結構進行了精準測量;袁長豐等[7]利用4年的沉降實測數據，得出沉降量不隨時間、荷載的增大呈線性變化，并引出了沉降曲線函數;文獻[8-9]對高層結構的沉降監測、預測等方面進行了敘述;除此之外，呂遠強等[10-14]對大荷載煤倉等其他工程結構進行了沉降監測與分析.在國外，許多學者[15-20]對高層結構沉降計算、控制及監測方面也做了大量的分析與研究.

超厚濕陷性黃土區結構的研究主要是有別于相對成熟的沿海軟、黏土地區，其最顯著的特征是，浸水后的原狀黃土礦物成分及微觀顆粒就會發生物理與化學反應，原穩定結構受到破壞，土體強度急劇下降，在應力作用下產生濕陷性變形，結構不均勻沉降，影響其安全與穩定.因場地位置的特殊性，本文以超厚濕陷性黃土區首棟SHR-SRC結構為研究對象，對施工過程中的沉降及變形等進行系統分析，旨在為今后類似場地同類型結構的設計、施工及監測提供參考.

1 ? 工程概況及地質條件

1.1 ? 工程概況

慶陽市某大廈目前作為超厚黃土區最高建筑，占地面積約3 640.0 m2，結構高度164.0 m，采用SRC框架-核心筒體系，0.000 m以上38層，其以下4層，基坑深度-21.1 m，摩擦型樁長40.0 m，樁間距3.3 m，樁徑1.0 m，總樁數為143根，筏板厚3.0 m，外觀效果如圖1.

1.2 ? 地質條件

建筑場地地處素有“隴東糧倉”之稱的全國最大黃土高原區——董志塬，下部由距今約200～300萬年的第四紀早更新世（Q1）至中更新世（Q2）組成，巨厚原生黃土達200.0～300.0 m左右;到了晚更新世末期，地層剝蝕作用較嚴重，黃土塬周邊形成沖溝，地形破碎，其上部100.0 m以內由黑壚土（Q4eo1）、馬蘭黃土（Q3eo1）、離石黃土（Q2eo1）及午城黃土組成（Q1eo1），土層之間夾雜古土壤（粉質黏土）[21]，其厚度變化及部分物理力學指標見表1.

2 ? 沉降監測方案、儀器布設及數據采集

利用傳統的外部沉降監測（宏觀）與新型的地下試樁自動監測（微觀）相結合，通過控制高程、應變、電阻及溫度等參數，對SHR-SRC結構進行長期健康監測（包括施工的全過程及工后監測），為及時糾傾、局部加固維修及后期沉降預測奠定基礎.

2.1 ? 外部沉降觀測

外部沉降采用DSZ2自動安平水準儀配合水準尺觀測.在遠離建筑100.0 m以外穩定區域設置6個基準點;根據結構布置形式，為確保精準監測，在核心筒四周布置2#、3#、4#、10#共4個觀測點，外圍框架柱上分別布置1#、5#、8#及11#觀測點;裙樓布置6#、7#和9#觀測點僅作為安全監測，不深入研究，方案中總共布置11個觀測點（如圖2），主體結構新建一層，現場沉降觀測一次，記錄數據并及時分析.

2.2 ? 地下沉降監測

為了更加精確地獲得結構的沉降變形特征并獲得一些原始數據，結合外部沉降觀測制定具體監測方案（如圖3）.

在樁頂與樁間土相應位置分別安裝JMZX-215A型應變計（圖4（a））、JMZX-50XX型土壓力盒（圖4（b）），將導線通過PVC保護管從地下引到地面，與32通道JMZX-32A數據采集儀（圖4（c））相連，調試完畢后定期采集動態數據，實現各參數自動化測量并長期健康監測[22].

3 ? 試驗結果與分析

3.1 ? 施工過程沉降分析

圖5（a）給出了核心筒上觀測點高程隨施工推進的變化曲線. 由于前期施工強度較大、且2#及3#附近堆積大量建材、機械等，故在外界施工速度及外荷載等綜合因素作用下，其剪應力大于土體抗剪強度，局部發生剪切破壞，在150 d左右，瞬時沉降明顯;由圖2看出與之對稱的4#、10#點在對應時刻出現抬升，整體傾斜滿足規范[23]，持續30 d后，這種“蹺蹺板”效應減弱，各測點開始逐漸保持同步沉降;到中期，由于資金、技術等問題迫使結構施工進度減緩，各點高程同等變化，沉降均勻;一直持續到500 d左右，工程如期正常進行，應力逐漸增加，土顆粒間密實度增強，沉降量呈減小趨勢，以整體結構高程曲線為參考，全周期內（915 d），核心筒各點高程同步減小，沉降均勻，平均沉降量為217.5 mm.

相對于圖5（b）所示框架而言，與核心筒相比，外圍框架受力分散且較小，1#、5#、8#及11#各點自始至終保持同步下降，沉降均勻，平均沉降量212.7 mm，略小于核心筒;裙樓此處僅作為安全監測，各點沉降變化如圖5（c）所示，其變化規律與框架及核心筒保持一致，平均沉降量為211.3 mm，均小于前兩者，符合高聳結構沉降量允許值[23]，從側面反映出各結構組成的整體均勻沉降，工程完建后的沉降由課題組成員在此基礎上繼續追蹤監測，對其整體結構的沉降、變形等做進一步的分析與深究，最終形成一套完整體系.

圖5精確地給出了各結構上每個測點隨時間的變化曲線，但個別點還是存在微小差異，圖6更加直觀地描述了核心筒、框架及裙樓在施工過程中的高程變化曲線，各結構隨整體同步沉降，為后期沉降監測及進一步沉降預測提供依據.

整體結構在施工全周期內的速率變化如圖7所示，伴隨著施工的不斷進行，沉降速率在30 d達到最大值0.28 mm/d，其后隨著施工動態的變化呈波浪形變化，450 d與505 d之間趨于最小值0.066 mm/d，后期呈線性增長，平均沉降速率為0.23 mm/d，符合規范要求.

利用健康監測數據所得曲線圖，可及時調整施工工況（施工強度、施工順序等），以及對材料堆放及機械安裝位置進行合理布置，為安全施工提供了基本保障.

3.2 ? 結構變形特征分析

3.2.1 ? 樁身應變

圖8（a）反映了核心筒下樁頂正應變曲線關系，施工初期，各監測點數值近乎為同一值2 500 με，將其作為各自的標定值，與圖5沉降觀測相對應，到了150 d左右時，荷載急劇增大，對濕陷性黃土來講，由土骨架、水分與氣體共同承擔，隨著骨架進一步被壓縮，直到氣體與水分排出，其應力轉移到骨架上，突變為負應變，其中18#點反向互補后實際為-229.1 ?με，中后期一直呈波浪形變化;還可發現，在整個監測過程中，靠近核心筒最近處4#數值最小，較遠處19#次之，最遠處18#正應變值最大.從圖8（b）框架正應變曲線來看，其變化規律較核心筒平緩，無突變現象，說明框架受力更均勻，沉降較穩定.綜合圖8

壓應力大，在較遠地帶，施工強度較弱，再加上初期快速施工條件下產生的地基變形在短時間內亦呈恢復趨勢，由“重疊效應”導致鋼筋受拉，故遠處影響較小，與現場施工狀態相吻合;框架及整體結構變化規律與正應變相似.

3.2.2 ? 土體變形

測定土體相關參數，不但可以實時監測地基的不均勻下沉，還能與試樁的部分參數緊密結合起來，為復雜的樁-土受力分析提供參數. 圖10（a）為場地地基土壓力歷時變化曲線，在施工初期，濕陷性黃土在各級荷載作用下，土?？紫吨袣怏w逐漸受壓，土骨架變形，產生瞬時沉降，土壓力增加;200～360 d后施工強度逐漸減緩，此階段內，土體較前期比，出現類似于卸載回彈現象;中后期受結構自重增加、施工擾動增強等因素影響，土壓力大體呈增大趨勢，局部也會出現微小回彈;在靠近核心筒，應力相對集中，土壓力也相應增大，對應在圖上10#位置，最遠處8#最小，但各點變化步調相一致.地基土應變曲線如圖10（b）所示，曲線變化形式與圖10（a）接近，初期也是10#數值最大為-16.8 με，處于受壓狀態，14#和8#分別為-8.6 με、5.6 με.

為進一步考察土體的變形，圖11給出了土壓力與應變之間的關系，考慮到篇幅原因，僅以8#為例，從散點圖中獲悉圖形變化呈線性，地基土處于彈性狀態;14#近似于一條直線，相反，距離核心筒較近的10#線性規律不明顯，說明土體產生塑性變形.

4 ? 有限元模擬分析

現場試驗利用各監測技術手段，控制樁-筏及地基沉降量、沉降速率等，主要用于指導施工，為后期沉降預測做準備;在此基礎上，為了更加形象、直觀地反映樁-筏基礎與持力土層的沉降、變形等，采用非線性有限元法建立三維模型，一則為與實際監測數據作比較，驗證有限元分析的可行性，二則為樁-筏結構優化設計提供思路，三則為基礎局部加固提供方案.

ABAQUS以其較強的實用性被廣泛地應用到工程案例分析中[24]，原模型根據SHR設計參數及實際地質勘查資料建立，參考相關文獻[25]，平面布置如簡圖12所示.最終筏板尺寸：10.0 m×10.0 m×3.0 m，選用9根對稱的直徑為1.0 m且長度為40.0 m的樁，土體模型尺寸：50.0 m×50.0 m×80.0 m.

采用Drucker-Prager本構模型，鋼筋與混凝土分別采用T3D2與C3D8R單元進行分離式建模，并采用embedded技術進行自由度耦合;考慮到黃土的濕陷性及模擬的精準性，在筏板-土、筏板底-土及樁-土間切向（垂直向）采用摩擦型接觸，系數選用0.5，法向（水平向）均采用“硬”接觸;筏板-樁頂及樁底-土體間采用tie接觸.在整體坐標系下的模型周圍及底部設置位移約束邊界條件，上部結構簡化為均布荷載（介于3 000～3 500 kPa），模型如圖13所示.

4.1 ? 樁-土位移、應力變化

圖14（a）為樁-土整體位移剖面云圖，可以看出，在上部荷載作用下筏板周圍土體下陷形成“凹形”槽，樁位移明顯大于土體位移，隨著深度的增加，樁身位移逐漸增大，土體位移逐漸減小，整體位移最大值為147.7 mm，小于實測值，原因是相比復雜的實際工況，建模一方面是在相對理想條件下進行的，影響因素較少，另一方面與模型的約束程度、接觸類型及參數等選取有關，計算結果偏于保守;在同一平面處，由中心位置向四周減小.樁-土應力云圖如圖14（b）所示，在筏板處應力相對集中，其次，樁身應力大于土體應力.主要原因是上部荷載憑借筏板沿樁身傳遞，最后擴散到樁間土及樁底土層中，因此對筏板的設計（承載力、節約材料等）提出了更高的要求.

4.2 ? 地基土體位移、應力變化

為了更加清晰地分析土體的位移與應力，圖15給出了相應云圖. 圖15（a）顯示土體位移小于圖14（a）中位移，最大沉降值位于頂部中心，原因是地基土中附加應力產生疊加，取值為69.52 mm，沿著垂直面和水平面由于出現應力擴散，此外，隨著施工荷載的增加，下部土體密實度增強，變形也隨之減小，從而導致位移減小. 由圖15（b）看出，應力也主要集中在土體上部，逐漸向周圍擴散，符合圖10（a）實測數據變化規律，其范圍遠大于位移擴散范圍，這也對地基加固（注漿加固、樁基加固等）研究開辟了新領域.

4.3 ? 樁-筏基礎位移及應力變化

圖16（a）給出了樁-筏基礎位移云圖，筏板位移均勻分布且由中心向外圍逐漸減小，中心處最大位移為66.92 mm，其邊緣角處最小位移為50.76 mm，筏板在荷載作用下變形量小，說明其剛度設計合理.中心樁頂位移70.95 mm，邊樁及角樁頂部位移分別為64.03 mm、58.41 mm，沉降差異較小. 對同一試樁而言，樁底位移大于樁頂位移，存在位移差說明樁本身被軸向壓縮，這對樁身設計（強度、變形）也提出了考驗;圖16（b）應力云圖顯示，筏板頂部應力小，下部應力大，其原因是筏板底面與樁頂接觸部位產生擠壓;在同一平面處，筏板邊緣處應力大于中心處;樁身上部應力普遍大于下部，原因是上部所受集中力大，導致鋼筋與混凝土之間摩擦力增大，變形亦較大，且各樁應力同步變化，受力均勻.

5 ? 結 ? 論

1）施工期（915 d）SHR-SRC結構核心筒部分沉降略大于框架與裙樓部分，建筑沉降（<250 mm）及傾斜值均滿足規范要求（≤2‰～3‰L，L即相鄰兩測點距離），結構整體沉降均勻.

2）試樁監測初期，核心筒下正、負應變值最小，150 d左右時上部荷載波動幅度大，其曲線變化亦較框架明顯，到中后期，呈波浪形平穩變化但數值仍然整體小于框架;此外，各測點參數值與距離核心筒位置也有關，近處正、負應變值小，遠處則相反，對及時調整施工具有重大意義.

3）地基土壓力、土應變也隨著動態施工呈規律性變化，局部時間段出現“回彈”現象，荷載集中部位土體產生塑性變形，相對分散區域彈性變形明顯.

4）模型直觀顯示了樁、土體的位移及應力大小分布，筏板受力均勻，中心樁頂部位移最大，邊樁次之，角樁最小的規律;土體應力由上部中心向周圍擴散，位移隨之減小.

5）對設計階段樁-筏計算、配筋等提供參考，在施工階段指導安全性施工，并對后期沉降預測及結構加固奠定基礎.

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