不均匀地基沉降对高层混凝土结构的影响分析

不均匀地基沉降对高层混凝土结构的影响分析

张锐

中铁上海工程局集团华海工程有限公司 201101

摘要：黄土高原特有的湿陷性特征会促使高层建筑出现不均匀的地基沉降，因此研究以长治市经开区高端电气产业园工程项目为例，运用灰土挤密法联合水泥粉煤灰砾石桩进行施工。监测结果显示，120天左右的监测点2和3的沉降值约为0.03m，此时局部已经出现明显的剪切破坏；27天时沉降的实际速率到达最高值，为0.26mm/d，后期呈线性增长的趋势。综合来看，联合施工方案下高层混凝土各个结构受力均匀，沉降较为均匀，可以有效应用在实际的高层建筑施工中。

关键词：湿陷性；高层混凝土结构；不均匀地基；灰土挤密法；水泥粉煤灰砾石桩

中图分类号：TU463            文献标识码：A

Analyzing the effect of inhomogeneous foundation settling on a tall structure of steel concrete

Abstract: The unique collapsibility characteristics of the Loess Plateau can cause uneven foundation settlement in high-rise buildings. Therefore, this study takes the high-end electrical industry park project in the Economic Development Zone of Changzhi City as an example and uses the lime soil compaction method combined with cement fly ash gravel piles for construction. The monitoring results show that the settlement values of monitoring points 2 and 3 for about 120 days are about 0.03m, and obvious shear failure has already appeared locally; At 27 days, the actual rate of settlement reached its highest value, which was 0.26mm/d, and showed a linear growth trend in the later stage. Overall, under the joint construction plan, the various structures of high-rise concrete are uniformly stressed and have relatively uniform settlement, which can be effectively applied in actual high-rise building construction.

Keywords: Collapsibility; High rise concrete structures; Uneven foundation; Lime soil compaction method; Cement fly ash gravel pile

引言

建筑在建设过程中或建成后的使用过程中，若发生均匀的沉降，则其对实际的高层建筑内部结构的影响相对较小，不会对高层建筑内部结构产生明显的破坏，但若发生过大的沉降，将会引发一系列的建筑物使用问题[1-2]。在高层建筑物发生不均匀的沉降时，不但会引起高层建筑上部结构内部的相关内力出现再分布的问题，而且可能产生新的内力，从而降低高层建筑的安全性[3-4]。若实际的建筑物出现太大的不均匀沉降，将会造成地基及上部结构出现过度变形，进而引起房屋开裂等。建筑工程建设多处于高压缩性土、湿陷性黄土等不良场地，若未充分考虑或处置不当，将产生不均匀沉降，尤其是上部结构会产生变形[5-6]。但是，在实际工程中，要掌握其差异性变形规律是比较困难的，因此要对建筑在建造过程中及使用过程中的基础变形进行估计，以保证各相关部位间的净空、确定连接方式及施工的相关顺序[7-8]。导致建筑物不均匀沉降造成的原因主要包含内部原因和外部原因两种，内部原因主要是由地基使用土自身的特性决定，当地基使用土受到建筑物的相关荷载时，内部的土粒就会互相挤压，进而出现变形[9]。外部原因则主要是设计、施工等出现问题造成地基不均匀沉降。

另外，湿陷性粉土是黄土高原特有存在的一种土体，这种土体在建筑施工中被称之为不良土体，由于其组成复杂且性能变化大，在外部荷载下极易发生结构性损伤，进而引发不均匀沉降等问题

[10]。当前处理湿陷性粉土的方式多种多样，但换土法等方法均存在成本大或者施工期长的问题，因此在考虑和研究分析长治市经开区高端电气产业园工程项目的实际情况后，研究将灰土挤密法与水泥粉煤灰砾石（Cement Fly-ash Gravel，CFG）桩联合来进行施工。其目的是在分析不均匀地基沉降对高层混凝土结构影响的基础上解决湿陷性粉土对高层建筑造成不均匀沉降的问题，也明确控制方案在实际工程应用中的可靠性，同时拓展了湿陷性粉土的研究。

1.高层混凝土结构中的不均匀地基沉降研究

1.1高层建筑湿陷性粉土入渗规律研究

针对黄土高原特有的湿陷性特征造成高层建筑产生不均匀地基沉降的问题，研究以长治市经开区高端电气产业园工程项目为例，通过采用灰土挤密法来对该建筑下方的湿陷性粉土进行处理，以此加固地基。研究区域位于长治市上党区的南外环路以南，新修鼎新路的西侧，总计投资大约5亿元，占地131855.82平方米，项目中的标准化厂房和市场占用土地总面积为89467.71平方米。公司自行建设的土地面积为42388.11平方米。该项目共分三大功能区，即标准化厂房区、企业自建区、商贸区，共计9座主体建筑，工程工期为36个月。根据勘测报告所揭示的地层情况，并结合区域地质数据，在调查的深度区域根据地层的沉积年代和成因从上到下依次为：第四系晚更新统地层、中更新统的冲洪积底层、下更新统的静湖相沉积层，以填土、湿陷性粉土和粉质粘土为主。具体土质情况如图1所示。

图1 研究施工项目区域土质情况

从图1中可以看出，研究施工区域主要包含素填土，层厚0.80～1.80m；湿陷性粉土，层厚2.10～3.60m，层底埋深3.30～4.80m；粉质粘土（黄褐、褐红色），层厚1.20～3.20m，层底埋深5.50～7.40m；粉质粘土（黄红色），层厚0.50～7.80m，层底埋深12.00～18.900m。粉质粘土（黄褐～黄灰色），层厚0.50～7.80m，层底埋深 12.00～18.900m；粉质粘土（褐灰色），层厚1.10～4.20m，层底埋深 20.00～22.50m；粉质粘土（黄褐色），该层未揭穿，最大揭露厚度为9.00米，此次勘察最大揭露深度30.0m。其中，湿陷性粉土是该项目工程的主要地质，其是造成不均匀地基沉降的主要原因之一，同时也是影响高层混凝土结构的主要原因之一。由于该地质结构是黄土高原显著的地质特征，因此主要对其进行分析研究。黄土微结构系统中以骨架粒子和聚集体为主体，水分渗透会破坏其骨架，弱化其结合强度，造成黄土湿陷。此外，不同骨架的连接方式和接触模式，也会直接影响到黄土结构系统的粘接强度，从而影响其结构系统的稳定性。

整体上来讲，在该工程高层建筑施工过程中极易发生不均匀沉降，当地基出现不均匀沉降时，不仅会造成建筑物上方内部结构的相关内力出现重新分配的现象，还会使得高层建筑内部的部分结构出现新的内力，进而影响建筑物的整体安全。如果不同结构之间的沉降差异明显，就很容易造成地基的损伤且上方相关内部结构会出现较大的变形[11-13]。另外，湿陷性粉土因其欠压密、强湿陷性等不利工程特性，在受水浸泡后，其强度急剧下降，变形急剧增大，造成建筑基础产生沉陷或不均匀沉降，严重制约了工程结构的使用寿命[14-15]。因此，针对湿陷性粉土进行必要的处理尤为重要。

1.2灰土挤密法和CFG桩联合施工方案设计

针对不良土质地基中湿陷性粉土的处理方式通常包含换土法、强夯法、挤密法、预浸法、化学加固法。换土法就是将不良土挖除然后进行置换，但是成本较大，工期较长；强夯法是通过强有力的锤击使得土质产生强制压密从而减少其压缩性并提升强度，但是对饱和的粉土和粘性土无明显的加固效果[16]。预浸法是利用黄土受水后发生湿陷的特性，在施工期之前，先将其大量浸水，以使其发生自重湿陷，从而消除其湿陷，但是其耗水量大，且工期较长[17]。考虑研究分析的工程情况，研究选择了灰土挤密法联合CFG桩作为施工方案，施工时先打灰土挤密桩再打CFG桩。其中，灰土挤密桩中灰土的换算公式表达如式（1）所示。

   （1）

式（1）中，表示干料质量；表示湿料质量；表示含水量。而挤密桩单柱处理面积计算表达如式（2）所示。

    （2）

式（2）中，表示单桩处理面积；表示桩间距。在式（1）和式（2）的支撑下施工区域的灰土量与挤密桩数依据实际情况可得出，并以此给出施工方案。在施工前进行技术准备和现场准备。技术准备包含工作计划安排；工程施工图纸的审阅、审查和会审；熟悉并整理相关技术资料；编制详细的安全、技术交底，按规定程序进行交底。现场准备包含完成施工范围内地表土清理，平整场地；做好防水措施，施工时严禁雨水，施工用水及其他用水侵入地基。及时调运施工材料，做好物料的防水、保护工作。安装架设施工用水用电；完成便道施工，组织机械设备进场，现场设机械停放场地及材料存放场地；施工前检测设备各部件性能，确保正常施工。两个准备工作完成后可以进行灰土挤密桩的施工。整体方案流程如图2所示。

图2 整体施工方案时间流程示意图

从图2中可以看出，该工程计划投入1台灰土挤密桩桩机，预计从2020年6月13日开始3#标准化厂房基坑灰土挤密桩施工，至7月14日3#基坑3310根灰土挤密桩全部完成。7月15日桩机从3#基坑移位至2#基坑，开始2#基坑的灰土桩施工，至8月14日2#基坑3310根灰土挤密桩全部完成。8月15日桩机从2#基坑移位至1#基坑，开始1#基坑的灰土桩施工，至9月15日1#基坑3310根灰土挤密桩全部完成，1#、2#、3#标准化厂房共9930根灰土挤密桩全部完成。经过检测工程场地土方内部的粉质粘土可以用作灰土桩的土料，数量不够则从场外运土。根据计算，最少需要1746m3的石灰，该工程使用石灰需统一招标采购，选用新鲜的消石灰或生石灰粉，不得夹有未熟化的生石灰块粒及其他杂质，粒径不应大于5mm。消石灰的质量应合格，有效CaO+MgO含量不得低于60%。

另外，计划2020年9月1日投入1台长螺旋钻孔CFG桩机。2020年9月1日开始进行3#标准化厂房施工，2020年9月10日施工完成，工期10天，移机至2#标准化厂房。2020年9月12日开始进行2#标准化厂房CFG施工，2020年9月21日施工完成，工期10天，移机至1#标准化厂房。2020年9月23日开始进行1#标准化厂房CFG施工，2020年10月3日施工完成，工期10天。

2.联合法施工效果分析

为了分析不均匀沉降法对高层混凝土结构的影响并验证联合法的应用效果，研究采用监测法对高层混凝土结构进行施工中与施工后的长期健康监测，整体监测时间持续2年。监测过程中外部沉降中在实际的高层建筑核心筒周围布置4个监测点，设定为监测点B、C、D和J；高层建筑的外层架构柱上同样布置4个监测点，设定为A、E、H和K；高层建筑裙楼中布置3个安全监测点，设定为F、G、I。地下沉降布置9个应变计在GFC桩中，分别处于监测点Q、O、B、M、L、S、G、D和R，进行长期数据监测。施工过程沉降分析结果如图3所示。

图3 施工过程沉降分析结果

从图3（a）中可以看出，120天左右的监测点2和3的沉降较为明显，沉降大约0.03m，此时局部已经出现明显的剪切破坏。从图3（b）中可以看出，外围架构柱的实际受力较为分散，且受力数值较小，4个监测点显示监测周期内其始终沉降较为均匀。从图3（c）中可以看出，裙楼的沉降量与图3（a）和图3（b）的变化趋于一致，但小于前两个的变动结果。综合来看，前期的不均匀沉降使得高层混凝土结构出现了变化，但在联合法施工下总体工期内整体沉降较为均匀，核心筒、外层架构柱以及裙楼的平均沉降量分别为196mm、194mm和192mm，处于高层建筑结构的允许沉降量范围内。而在监测期间各个高层混凝土结构与沉降的对比以及平均沉降速率结果如图4所示。

图4 各个高层混凝土结构与沉降的对比以及平均沉降速率变化

从图4（a）中可以看出，0~320天时各个结构整体均平稳沉降，高程变化维持在0.05m以内，而320天后各个结构整体趋于同步下降，沉降较为均匀。从图4（b）中可以看出，27天时沉降的实际速率到达最高值，此时为0.26mm/d，后期呈线性增长的趋势，实际的平均沉降速率达到0.21mm/d，符合相关的规范要求。综合来看，联合法为高层建筑的施工提供了保障，也降低了不均匀沉降对高层混凝土结构的负性影响程度。最后，研究对高层混凝土结构变形特征进行了分析。其中，桩体本身应变分析中各个结构的正应变变化曲线如图5所示。

图5 高层混凝土各结构的正应变变化曲线

图5（a）中将不同监测点的标定值设定为2500με。从图5（a）中可以看出，整体的沉降变化同图3中的趋于一致，单纯针对湿陷性粉土来讲，当骨架继续受压，直至气体和湿气完全排除时，其应力就会传递给该骨架，从而从正应变突变成负应变。从图5（b）中可以看出，外层架构的变动相比核心筒来讲更为平缓，不同监测点的正应变力变化均呈现波动性下降，变化区间均维持在3120με~3300με之间。综合来看，在联合法的施工下各个结构的受力更为均匀，实际的沉降更为稳定。为了进一步验证图5，研究对各个结构的负应变变化进行了分析，其结果如图6所示。

图6 高层混凝土各结构的负应变变化曲线

从图6（a）中可以看出，监测点18的负应力值最大，为这是因为核心筒周围存在着应力集中，桩身内部钢筋受到很大的压应力，而越远的地方，施工强度就越低。从图6（b）中可以看出，外层架构不同监测点的变动曲线基本保持一致，负应变值上下浮动不超过-40με。综合来看，由于前期快速施工造成的基础变形在短期内也有恢复的可能，因此，远距离的影响不大，符合工程实际情况，该结果变形规律类似于正应变。

3.结论

针对湿陷性粉土造成高层建筑产生不均匀地基沉降的问题，研究采用灰土挤密法和CFG桩联合的方式对长治市经开区高端电气产业园工程项目进行施工，并对其施工效果进行了验证。实验结果表明，120天左右的监测点2和3的沉降较为明显，沉降大约0.03m，在联合法施工下总体工期内整体沉降较为均匀。另外，不同监测点的正应变力变化均呈现波动性下降，维持在3120με~3300με之间。综合来看，不均匀地基沉降对高层混凝土结构产生负面影响，但在联合施工方案下地基沉降更为均匀。但是，研究针对高层结构的应变仅考虑了线性变化，后续可以研究非线性变化。

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