超高層建筑樁基礎混凝土耐久性優化

李方樞

（中節能實業發展有限公司，浙江 杭州 310012）

我國建筑工程產業規范中，40 m以上及建筑高度超過100 m的住宅及公共建筑，被界定為是超高層。作為現代城市建筑的主要方式，超高層住宅不僅具有空間承載量大，采光效果高、綠色節能應用普及水平高等方面優勢，成為現代城市建筑特色文化的重要形式。作為高層建筑穩定性的基本保障結構，樁基礎能夠將樁和樁頂承臺依照技術規范要求連接，確保地基基礎承載力，有效控制基礎沉降量。在樁基礎施工中，通過對應的技術措施提升混凝土耐久性，是確保工程建設質量和經濟效益的基本保障。

1 建筑樁基礎混凝土耐久性優化意義

1.1 建筑工程施工質量控制的基本要求

工程施工質量控制是項目管理的核心內容，尤其是對超高層建筑而言，材料、人員、技術等各個方面因素，都會對工程質量產生不同形式影響。樁基礎作為建筑工程基礎施工的主要形式，能夠更為有效地傳遞整體結構荷載。混凝土是樁基礎施工的主要材料，在施工設計中，需要依據“經濟合理、技術可靠、質量優先”的基本原則，對混凝土結構性能進行整體優化。在施工質量控制體系中，耐久性是指材料抵抗自身和自然環境雙重因素長期破壞作用的能力，也可以理解為材料的使用壽命。更高的耐久性，能夠確保項目運行質量得以有效保障，有效提升項目建設經濟效益水平。

1.2 建筑樁基礎混凝土性能優化的基本要求

混凝土作為現代建筑工程的基礎材料，從多方面改變了工程產業建設形式，更是超高層建筑工程項目建設經濟效益和社會效益實現的基本保障。混凝土工程施工中，需要確保和易性、強度、變形和耐久性等基本性能，當前技術條件下，混凝土強度和變形性能已經達到較高水平，但是在耐久性控制方面，還難以達到建筑物設計運行壽命要求。在超高層建筑樁基礎施工中，利用數值模擬、應力分析等方法，基于現場條件分析耐久性的主要影響因素，采用針對性的優化方案，提升混凝土結構運營年限，是確保建筑項目經濟效益和社會效益的基本要求。

2 超高層建筑樁基礎混凝土耐久性優化

2.1 基于復雜應力環境下的耐久性優化

2.1.1 優化研究出發點

超高層建筑基礎埋深設計中，需要考慮地層構造應力對混凝土材料的影響，具有準確分析外力作用條件下，混凝土結構的力學性質及破壞模式。相關學者利用三維顆粒流數值模擬法等，分析圍壓作用、凍融損傷等外力條件變化時混凝土結構的細觀特性。本課題研究中，以常規超高層建筑樁基礎設計規范為要求，采用顆粒流數值模擬法，研究不同圍壓條件下，不同深度地層的應力變化特征，進一步分析應力變化所產生的破壞形式，以此能夠為相關設計優化提供理論依據。

2.1.2 混凝土混合比設計

利用顆粒流數值模擬法分析混凝土結構應力變化情形下的耐久性，首先要做好混凝土混合比設計，制備與工程項目實際相一致的混凝土材料，在制備完成后，采用常規三軸壓縮試驗對混凝土試件進行分析，同時考慮模擬過程中地層深部所受構造應力特征，適當縮小粗集料尺寸。本課題研究中，依據《普通混凝土配合比設計規程》，結合項目工程前期勘察和設計方案要求，配合比設計為水泥：水：砂：粗集料=389∶197∶566∶1321，經混摻和加水攪拌處理后，制作成直徑為50 mm，高為100 mm的標準圓柱試件。試驗平臺為MTS815.02多功能伺服試驗系統，圍壓值范圍設定在2～8 MPa之間。

2.1.3 數值模型建立

采用PFC3D三軸壓縮模擬軟件建模，采用顆粒離散單元法，分析顆粒相互作用下峰值強度變化。具體實施流程是在生成試樣后，給定不同參數賦值進行預壓處理，在伺服機制施加圍壓后，采集對應的數值。為確保模擬軟件運行效果，將材料組成設定為集料和膠凝材料，材料形狀均視為球形。在進行模擬試驗是，分別在頂面、底面墻體位置，模擬剛性加載板，在圓柱墻體位置，模擬圍壓加載板，在圍壓達到設定參數后，完成數據采集。最后是在加載板施壓至試樣失穩破壞后，試驗結束。

2.1.4 試驗結果分析

基于樁基礎混凝土試樣常規三軸壓縮應力-應變曲線分析，可以看出混凝土試樣結構在圍壓加載過程中，結構變形可以分為四個階段：第一階段為彈性階段，也就是試樣結構會出現輕微的彈性變形；第二階段為塑性屈服階段，也就是試樣結構塑性會出現明顯變化，由脆性破壞轉變為塑性破壞；第三階段為峰后應力跌落階段，也就是試樣結構耐久性已經明顯不足，曲線由上升轉變為跌落狀態；第四階段是殘余階段，試樣結構耐久性已完全喪失。試驗結果數據顯示，在圍壓由2 MPa增加至8 MPa時，峰值強度提升53.39%、峰值應變提升30.01%、彈性模量提升20.99%。通過對試驗結果曲線分析，試樣峰值強度、峰值應變及彈性模量，都會隨圍壓變化而逐漸變化，與圍壓之間滿足線性函數關系，具有較為明顯的相關性。

2.1.5 優化路徑

分析應力變化對超高層建筑樁基礎混凝土試樣性能進行分析，可以看出峰值強度受圍壓變化影響最為顯著。在具體施工組織中，需要先對混凝土結構進行試樣，通過調整配合比和添加劑的合理優化，盡量提升材料結構耐壓性能，有效提升耐久性。

2.2 基于干濕循環作用的耐久性優化

2.2.1 優化研究出發點

建筑工程樁基礎混凝土耐久性除受材料自身性能影響外，對外部環境影響也較為敏感，尤其是在干濕條件不斷變化時，結構性能會出現多種形式變化。相關研究顯示，混凝土結構在干濕循環作用下，試樣質量、抗壓強度、劈裂強度、耐腐蝕性能等性質參數都會發生明顯變化。在干濕循環作用中，溶液性質不同、濃度不同，所產生的作用水平也明顯不同，會對混凝土耐久性和服役壽命產生直接影響。基于計算機模擬軟件，依托具體超高層建筑工程項目，分析不同干濕循環次數下樁基礎混凝土試樣的物理特征參數變化，能夠為相關工程項目樁基礎施工提供更為準確的指導。

2.2.2 試驗準備與方法

為確保試驗結果準確性，需要在試驗前做好試驗材料和試樣制備，準備工作開展重點需要考慮混凝土結構能否達到承載力、耐久性和施工便利性要求。所選用的水泥試樣材料，需要與現場施工材料保持一致，本課題研究中，依據《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ55-2011）要求，需用某企業所提供的C65標號水泥，經室內試驗與施工現場相對比，試驗材料包括水泥、粉煤灰、硅粉、細骨料、粗骨料、水及減水劑等，每立方米混凝土，上述材料質量分別為447kg、92 kg、41 kg、1 060 kg、680 kg、177 kg、15.31 kg。試樣制備方式為超高層建筑樁基礎水泥混凝土標準制樣模具，直徑為50 mm，高為100 mm，所有試樣滿足國際巖石力學標準要求。

加載試驗平臺為MTS815.02多功能伺服試驗系統，具體方法為先利用應力控制方式對試樣同時加載軸壓和圍壓。在軸壓加載達到設定值后，穩定加載速率并保持恒定狀態。在圍壓達到設定值并保持恒定后，將軸壓調整為位移控制方式，直至試樣結構破壞為止。干濕循環試驗流程為先將試樣浸泡在水中，浸泡時長為16 h、水溫為20±20 ℃。浸泡處理完成后，將試樣擦拭干凈并進行烘干處理，烘干時長為7 h，溫度控制在75±2 ℃，烘干完成后，取出試樣在室溫下冷卻5 h，即完成一個干濕循環過程。干濕循環處理完成后，采用儀器測量試樣的動彈性模量和質量損失率，直至試樣結構破壞，無法進行應力加壓試驗為止。通過對加載過程前后相關試驗結果對比分析，即可得出干濕循環作用對混凝土試樣結構耐久性的具體影響。

2.2.3 加載前試驗結果

課題研究中，依據上述試驗方法，制備三組試樣分別進行試驗，試驗結果顯示，試樣結構動彈模量受干濕循環作用影響較為顯著，均出現先增后減變化趨勢。在試驗次數n=2時數值最大，n=9時下降趨勢變緩，n=15時，試樣結構完全破壞，試驗結束。試驗結果顯示，質量損失率曲線變動呈同樣特征。參考相關研究及試驗原理，結果產生主要原因是在干濕循環作用前期，水化反應會使水泥和粉煤灰反應產物填充至孔隙中，增加試樣的致密性，使得回彈模量會有所升高，質量損失率降低。在后續循環作用中，混凝土內部會持續出現干縮濕漲現象，反復承受張拉和收縮應力作用，導致內部結構損傷嚴重，動彈模量下降、質量損失率不斷升高。

2.2.4 加載后試驗結果

加載后試驗結果分析，主要是通過應力-應變曲線和混凝土特征參數進行分析。依據超高層建筑樁基礎混凝土三軸加載試驗結果，繪制設定圍壓值、不同干濕循環次數下混凝土試樣結構應力-應變曲線。基于曲線結果可以看出，試樣三軸加載應力-應變曲線可以分為四個階段：第一階段是結構的微缺陷壓密階段；第二階段則出現明顯的彈性變形；第三階段屬于塑性屈服階段；第四階段在出現峰后應變軟化。在干濕循環作用下，混凝土試樣的內部骨架結構會逐漸劣化，部分物質逐漸被溶解，內部孔隙不斷增大，這也就會導致試樣偏應力峰值強度在小幅增加后開始逐漸減少。混凝土試樣結構偏應力不斷降低，表示骨架結構的承載能力較低，強度性能不斷降低，失去結構耐久性。

在本課題研究中，將圍壓條件分別設定為1 MPa、3 MPa、5 MPa、7 MPa，重復進行15次干濕循環作用試驗，記錄0次、5次、10次及15次相關參數記錄，結果顯示混凝土試樣峰值強度最高出現在圍壓7 MPa/0次循環，數值為120.58 MPa；最低出現在圍壓3 MPa/15次循環、數值為82.47 MPa。峰值應變最高出現在圍壓7 MPa/0次循環，數值為2.36%；最低出現在圍壓1 MPa/15次循環，數值為1.09%。彈性模量最高出現在圍壓7 MPa/0次循環，數值為16.67 GPa；最低出現在圍壓1 MPa/15次循環，數值為14.16 GPa。泊松比最高出現在1 MPa/0次循環，數值為0.269 v；最低出現在7 MPa/15次循環，數值為0.247 v。同時可以看出受峰值應變受干濕循環作用影響最為顯著。

2.2.5 優化路徑

基于試驗研究可以看出，在超高層建筑樁基礎混凝土設計與施工環節，要確保耐久性能夠長期保持穩定狀態，應當重點關注結構整體峰值應力變化的影響因素。由于峰值應變具有高度的局部性，不會引起結構較為顯著的變形現象，但是在反復性的干濕環境影響下，會產生疲勞破壞或脆性斷裂現象，因此在施工設計和組織中，首先要考慮混凝土混合比對峰值應力變化的影響，通過調整粉煤灰、骨料等主要材料的占比，選擇合適的添加劑材料并優化添加比例，以此更好地提升峰值應力上限值，延長混凝土結構微缺陷壓密階段和彈性變形階段時長，確保結構承載力水平保持穩定狀態，更好地提升混凝土結構耐久性。

2.3 基于施工技術的耐久性優化

當前理論研究中，專門針對超高層建筑樁基礎混凝土施工技術對結構耐久性影響的研究相對較少，結合樁基礎工程施工一般規定，施工技術優化應當從如下方面著手：一是混凝土生產過程的質量控制，原材料選擇在確保成本控制基礎上，必須確保水泥強度達標、細骨料堿活性參數控制到位，不能含有易發生凍裂的物質，合理選用引氣劑、減水劑等外加劑材料，確保混凝土結構抗滲性能和防腐性能達到要求。二是在冬季施工條件下，混凝土運輸要采用合適的保溫措施，做好混凝土出罐及澆筑溫度監測，在溫度控制無法達到要求時，應當采取對應處理措施。三是在澆筑過程中，要做好鋼筋及模板的清理工作，在確保鋼筋籠放置合理無誤后，再安裝灌注導管，單樁灌注時長不得超過8 h。四是在單樁灌注作業中，要隨時做好檢測，準確測定管樁實際深度和承載力，在作業完成后，要對單個樁進行荷載檢測，根據檢測結果調整施工方案。五是在檢測結果達到驗收標準后，要根據現場情況做好混凝土養護，避免由于氣候環境變化、人為因素等對混凝土結構造成破壞，確保混凝土耐久性水平達到超高層建筑運行要求。

3 結束語

超高層建筑樁基礎混凝土施工，對工程項目整體質量具有重要影響，混凝土耐久性受各方面因素影響較為顯著。利用計算機模擬軟件，設定對應的參數，能夠較為準確地模擬復雜應力環境和干濕循環作用條件下，混凝土結構耐久性的主要影響因素，根據試驗結果分析不同影響因素的作用方式及作用效果。在工程設計及施工過程中，技術人員應當根據現場條件和模擬試驗結果，選擇最為優化的施工方案，合理確定施工材料及配合比，盡量減少外部條件對混凝土結構耐久性的影響，確保樁基礎結構峰值應變、彈性模量、泊松比等參數達到更為優化水平，以此為施工質量控制奠定良好基礎。