基于沉降觀測的強風化巖地基主裙樓差異沉降分析*

葉 林,張同波,李翠翠,許衛曉,王文浩

(1.青建集團股份公司,山東 青島 266071; 2.青島理工大學,山東 青島 266033)

0 引言

高層及超高層建筑在城市建設中越來越多,由于功能需要,很多工程在高層建筑的一側布置裙房,主樓與裙房上部結構荷載和剛度相差很大,會使得主裙樓基礎底板發生不均勻沉降,導致主裙樓連接處基礎底板發生開裂,影響建筑安全。為解決上述問題,目前主裙樓結構中多采用沉降后澆帶。然而沉降后澆帶的留置直接影響地下工程的后續工序穿插,對工程工期影響很大,且后澆帶留置時間過長,將對地下室防水質量造成嚴重影響,同時沉降后澆帶部分易出現涌水等問題。

花崗巖在我國分布廣泛,大量工程在花崗巖地區建設,并選擇強風化層作為持力層,如青島地區強風化帶花崗巖的深度為0.5～18.4 m,變形模量為28～155 MPa。強風化巖地基由于承載力達到要求,變形模量大,結構沉降量小,主樓與裙樓間的沉降差異也小,使得取消沉降后澆帶或提前封閉沉降后澆帶成為可能,然而目前絕大多數強風化巖地基工程仍設置了沉降后澆帶。

1 強風化巖地基上高層建筑沉降觀測分析

1.1 工程概況

本工程占地面積32 536m2,項目包含1棟高層、1棟多層連體建筑、1棟多層建筑及1棟裙房,整體地下1層,如圖1所示。場區第四系主要由全新層人工填土層、全新統海相沉積層及沼澤化層、全新統陸相洪沖積層、上更新統沖積層組成,基巖主要為新元古代斤寧期片麻狀花崗巖,局部穿插后期侵入的煌斑巖、細粒花崗巖巖脈。各巖土層主要力學性質如表1所示。

表1 各巖土層主要力學性質Table 1 Main mechanical properties of each rock and soil layer

1.2 沉降觀測概況

觀測對象為1棟地上21層、地下1層的主樓以及地上2/3層、地下1層裙樓,結構尺寸如圖2所示。主樓為框架-核心筒結構,總高97.5 m,2層裙樓總高為12 m,3層裙樓總高為15.9 m,基礎形式均為筏板基礎。主裙樓地基持力層均為強風化花崗巖。

圖2 主裙樓結構尺寸(單位:m)Fig.2 Structural dimensions of the main-podium building(unit:m)

根據結構設計要求及建筑物特點,主裙樓共布設41個沉降觀測點,點位布置如圖3所示。

圖3 監測點位布置Fig.3 Layout of monitoring points

1.3 主裙樓沉降與沉降差異分析

1)沉降量隨時間變化規律

數據整理得到主裙樓沉降隨時間變化數據,如表2～5所示(表中相同層數為間隔一段時間后的第2次監測結果),沉降曲線如圖4所示。

圖4 各點隨時間變化沉降曲線Fig.4 Settlement curve of each point over time

表2 主樓沉降Table 2 Main building settlement mm

表3 A2區裙樓沉降Table 3 Settlement of podium building of A2 area mm

表4 A3區裙樓沉降Table 4 Settlement of podium building of A3 area mm

表5 A4區裙樓沉降Table 5 Settlement of podium building ofA4 area mm

由以上分析可知:主樓沉降隨施工層數增加快速增長,封頂后沉降量增加減緩并慢慢趨于穩定。主樓最大沉降出現在建筑邊軸中部32號點。裙樓施工地下1層時,沉降出現快速增長,其后隨施工層數增加而增長,封頂后沉降量增加變緩并趨于穩定。裙房區域2021年9月6日停止降水,青島雨季為6月底到9月初,此時地下水位上升,裙房沉降值明顯減小,表現為圖中的上升段。雨季結束后,地下水位下降,沉降再次增大,表現為圖中下降段,說明地下水浮力對裙樓沉降影響明顯。

2)沉降量平面變化規律

繪制各點的最終沉降曲線如圖5,6所示。可以看出,主樓沉降呈現“鍋底”形,中心位置處沉降最大,邊緣位置沉降較小。裙房整體沉降平緩,因裙房部分樓層高度不一致,故3層裙房下部的沉降大于2層裙房下部的沉降,其中裙房最大沉降位于3層裙房。最終沉降時主樓區邊地下存在黏土層,故沉降明顯較大,中間部位沉降最大,達到41.51 mm;裙樓區最大沉降位置出現在3層裙樓,為8.41 mm。在主裙樓交界處沉降曲線是平滑的,表明在主裙樓交界處沒有突變。由于地基條件的不均勻性,建筑的沉降出現局部不均勻現象。

圖5 最終沉降剖面線Fig.5 Final settlement profile

圖6 最終沉降等值線Fig.6 Final settlement contour

3)主裙樓間沉降差規律分析

統計隨實際施工進度工況下主樓與裙房最大沉降點間、后澆帶兩側沉降差與樓層差之間的關系,如表6,7和圖7～10所示。可以看出,實際工況下:主裙樓最大沉降點、后澆帶兩側沉降差均隨樓層差的增大而增大,隨時間增長逐漸趨于穩定;前期增加較慢,樓層差達到9層以上,沉降差增加變快。主樓封頂后,主裙樓最大沉降點、后澆帶兩側沉降差均隨時間繼續增大。

圖7 實際工況主裙樓最大沉降點沉降差、相對沉降差與樓層差關系曲線Fig.7 Curve of the relationship between the maximum settlement point settlement difference, relative settlement difference, and floor difference of the main podium building under actual working conditions

圖8 實際工況主裙樓最大沉降點沉降差、相對沉降差隨時間變化曲線Fig.8 Time varying curves of the maximum settlement point settlement difference and relative settlement difference of the main podium building under actual working conditions

圖9 實際工況主裙樓后澆帶兩側沉降差、相對沉降差與樓層差關系曲線Fig.9 Relationship curve between settlement difference, relative settlement difference, and floor difference on both sides of the postcast strip of the main podium building under actual working conditions

圖10 實際工況主裙樓后澆帶兩側沉降差、相對沉降差隨時間變化曲線Fig.10 Time varying curves of settlement difference and relative settlement difference on both sides of the post poured strip of the main podium building under actual working conditions

表6 主裙樓最大沉降點沉降差隨施工進度統計Table 6 Statistics of the maximum settlement point settlement difference of the main podium building with construction progress

表7 實際工況主裙樓后澆帶兩側沉降差統計Table 7 Statistics of settlement difference on both sides of the postcast strip of the main podium building under actual working conditions

2 基于沉降觀測的沉降差異數值模擬分析

采用軟件建立結構基礎和地基模型如圖11所示,其中主樓地上21層,裙房保持樓層一致,考慮最不利因素將其均設置為地上2層。

圖11 有限元模型Fig.11 Finite element model

提取主樓最大沉降點數據作沉降量-時間曲線,并與現場監測結果進行比對,如圖12所示,當主樓封頂時,現場沉降監測數值為27.41 mm,模擬計算最大沉降量為31.07 mm,可以看出主樓最大沉降數值模擬結果與現場實際監測結果在沉降規律及數值上都較為接近。

圖12 有限元與實測值最大沉降點對比Fig.12 Comparison of the maximum settlement point between finite element analysis and measured values

模擬取消沉降后澆帶,實現主樓與裙房基礎整體連接,模型如圖13所示。對于主裙樓結構取消或提前封閉沉降后澆帶應綜合考慮主裙樓間差異沉降、基礎底板強度以及剛度,依據GB 50007—2011《建筑地基基礎設計規范》從3個方面判定主裙樓結構是否可取消沉降后澆帶。

圖13 取消沉降后澆帶模型Fig.13 Model of postcast strip with cancellation of settlement

1)帶裙房的高層建筑下的整體筏形基礎,主樓與相鄰裙房柱的差異沉降不應大于其跨度的0.1%。

2)帶裙房的高層建筑下的整體筏形基礎,主樓下筏板基礎的整體撓度值不應大于0.05%。

3)基礎底板最大拉應力不應大于C35混凝土的極限抗拉強度值2.2 MPa。

主樓21層施工結束的模擬結果如圖14所示,從中可以看出主樓最大沉降出現在主樓中心處且主樓沉降整體呈現“鍋底”形,主裙樓連接處沉降是連續的,未出現沉降突變現象。主樓最大沉降為35.25 mm,裙房最大沉降為27.46 mm,主樓下筏板基礎的整體撓度值為2.27×10-4,主樓與裙房相鄰柱的相對沉降差為3.23×10-4,主樓四周處拉應力最大為0.95 MPa,符合取消沉降后澆帶要求。

圖14 底板沉降及應力分布Fig.14 Bottom plate settlement and stress distribution

在保持裙房樓層不變的基礎上,繼續增加主樓高度,以上述3條原則作為判別是否可取消沉降后澆帶的依據,計算結果如表8所示。

表8 不同主樓高度對應基礎底板沉降及應力計算Table 8 Calculation of foundation plate settlement and stress for different main building heights

由表8可知,主樓與裙房相鄰柱間相對沉降、主樓筏板基礎整體撓度值以及基礎底板最大拉應力均隨主樓樓層增加而增加,其中當主樓增加至32層時,基礎底板最大拉應力均符合規范要求,但主樓與裙房相鄰一側相對沉降差為1.01×10-3,超出規范限值。因此當主樓32層、裙房2層時,不適宜直接取消沉降后澆帶。

3 結語

通過強風化巖地基上高層建筑沉降觀測分析和沉降差異及基礎底板應力數值模擬分析,得出以下結論。

1)主樓最大沉降出現在主樓中心處且主樓沉降整體呈現“鍋底”形,主裙樓連接處沉降是連續的,未出現沉降突變現象,裙樓沉降分布與上部結構分布有關。

2)主裙樓沉降差隨時間增長逐漸趨于穩定,建造過程中沉降差異變化與主裙樓高度差相關。施工過程中,存在主裙樓沉降差異大的可能,應保持主裙樓施工進度差,以控制主裙樓差異沉降。

3)主裙樓沉降與基礎下部巖土層有直接關系,地基條件的不均勻性,會使建筑沉降出現局部不均勻現象。

4)地下水浮力對裙樓沉降影響明顯,施工過程中地下水位上升會引起主裙樓沉降差增大。裙樓小于2層時,主裙樓沉降差異計算分析應考慮浮力因素,考慮一定增大系數。

5)當主裙樓地基條件為強風化花崗巖(變形模量為25 MPa),裙房高度為地上2層時,主樓高度在31層及以下可取消沉降后澆帶。