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桩端置于第④层(古土壤)中。
详见图1.3。
图1.3地基处理剖面
2地基土构成及其有关岩土参数
2.1地层
场地地基土层自上而下依次为第四系上更新统风积(Q32eol)黄土、残积(Q31el)古土壤、中更新统风积(Q2eol)黄土和残积(Q2el)古土壤。
各层土的主要岩性特征如下。
①层素填土:
混少量碎砖瓦片、煤渣等。
厚度0.5~3.5m。
②层黄土(Q32eol):
黄褐~褐黄色,可塑~硬塑状态,以可塑状态为主,层厚1.50~4.0m。
③层黄土(Q32eol):
褐黄色,饱和,可塑~流塑状态,以流塑状态为主。
层厚2.80~4.00m。
④层古土壤(Q31el):
棕红色,可塑~流塑状态,以可塑状态为主。
层厚3.90~4.30m。
此层为桩端持力层。
⑤层黄土(Q2eol):
褐黄色,含铁锰质结核及蜗牛壳,可塑~软塑状态,以软塑状态为主。
层厚9.20~10.00m。
⑥层古土壤(Q2el):
棕红色,可塑~硬塑状态,以可塑为主。
层厚4.60~4.80m。
⑦层黄土(Q2eol):
褐黄色,可塑~硬塑状态,以可塑状态为主。
最大揭露厚度8.80m。
2.2地下水
地下水稳定水位埋深为6~7m(原地表下),相当于标高-8.80m(405.70m)。
是赋存于③层中之潜水。
2.3地基土主要物理力学指标代表值
对本研究项目建筑范围内有关的(№11~№16勘探点)各层土的主要物理力学指标,见表2.3。
各层地基土物理力学指标表2.3
地层
γ
(kN/m3)
γd
(kN/m3)
e
C
(kN/m2)
φ
(°
)
IL
Es1-2
(MN/m2)
②黄土
15.6
12.6
1.126
40
18
0.42
5.5
③黄土
17.7
13.3
1.013
25
15
1.08
4.1
④古土壤
18.2
14.2
0.880
8
0.75
5.7
⑤黄土
18.8
14.8
0.804
44
0.23
8.8
⑥古土壤
19.3
15.7
0.703
50
10
0.40
9.7
⑦黄土
19.1
15.4
0.739
55
0.43
13.0
3建筑物现状
据施工单位介绍,在建成后的同时(2003年10月份),安装电梯时即发现,建筑物整体向南东方向倾斜。
后经建筑物沉降监测单位复测证实,最大沉降差已达87.5mm。
经测算,倾斜3.210‰~3.801‰,倾斜方向S12.09°
E~S14.36°
E。
根据沉降观测资料,截至2004年9月4日,建筑物东南角累计沉降量达到114.2mm,而西北角仅有9.9mm,明显发生整体向南东方向倾斜,倾斜值为3.910‰~5.063‰,倾斜方向S7.4°
E~S9.7°
将具有代表性的沉降观测点资料,分别绘制了不同时间的建筑物沉降量等值线图及基础底面倾斜的立体模型,详见图3-1~图3-8。
建筑物不同时间的变形量、倾斜以及倾斜方向详见表3
建筑物在代表时间点的变形量、倾斜以及倾斜方向表3
日期
最小变形量
(mm)
最大变形量
倾斜值
倾斜方向
备注
2003年5月22日
-3.50
-14.90
0.000495~0.000949
S4.11°
E~
S7.90°
E
主体封顶
2003年10月12日
-5.30
-19.10
0.000223~0.000900
S12.67°
S63.82°
发现倾斜异常的前一次观测数据
2003年11月22日
-6.30
-93.80
0.00321~
0.00380
发现倾斜异常
2004年9月4日
-9.90
-114.20
0.00391~
0.00506
分析报告时
图3-1:
2003年5月22日主体封顶时各沉降观测点沉降量等值线图
图3-2:
2003年5月22日主体封顶时基础底面倾斜立体图
图3-3:
2003年10月12日各沉降观测点沉降量等值线图
图3-4:
2003年10月12日基础底面倾斜立体图
图3-5:
2003年11月22日各沉降观测点沉降量等值线图
图3-6:
2003年11月22日基础底面倾斜立体图
图3-7:
2004年9月4日各沉降观测点沉降量等值线图
图3-8:
2004年9月4日基础底面倾斜立体图
另外,据现场踏勘结果,未发现建筑室外地面有裂缝,建筑物结构也未发现有裂缝,折射出本高层建筑基础和上部结构刚度大,整体性强。
具有高层建筑由于地基不均匀变形导致发生整体倾斜的普遍性特征。
4地基均匀性分析
4.1地基土成层规律、土层厚度均匀性分析
建筑物地基土构成主要为粘性土类组成,成层规律性明显。
特别是Q3及Q2残积古土壤(棕红色)厚度均匀,与黄土交互出现,地层分界明显。
各层土在水平方向厚度分布均匀。
4.2基础底面下主要压缩层压缩均匀性分析
取基底以下1倍基础宽度(b)深度(地基主要压缩层)范围内,采用层厚加权平均值法求出平均压缩模量,各点平均压缩模量Es1-2为7.08~7.21MPa,极差小,仅为0.018。
从Es值上,定性为中高压缩性;
从极差上,应定为属于压缩均匀的地基。
计算采用的勘探点的平面位置详见图6.2。
图4.2:
勘探点平面位置图
4.3各勘探点主要物理力学指标随深度变化
各勘探点液性指数IL及压缩模量Es1-2值随深度的变化曲线如图4.3-1;
孔隙比及含水量随深度变化如图4.3-2。
图4.3-1:
各勘探点液性指数和压缩模量随深度变化曲线
图4.3-2:
各勘探点含水量和孔隙比随深度变化曲线
由图4.3-1及图4.3-2显示:
各层土的主要物理力学指标随深度变化曲线形态相似,无异常,具有各向均匀性特点。
4.4静力触探指标随深度变化
原位测试(双桥静力触探)锥尖阻力qc及侧阻力fs随深度h的变化曲线见图4.4。
结果显示:
地基土的fs和qc值在水平方向上亦比较均匀。
以上从不同的侧面,采用与地基均匀性相关的多项岩土参数,通过不同方法和表述,无不显示出:
在地基土物理性质上(如w、IL、e等)、压缩性质(如Es)、与桩基有关的参数(fs、qc),以及地基土成层稳定性和层位变化上,都应定位为均匀性地基。
图4.4:
静力触探指标随深度变化曲线
5复合地基变形计算与分析
复合地基设计应在满足承载力要求的同时,还应满足变形要求。
复合地基的变形包括复合加固体的压缩变形和复合地基以下压缩土层的压缩变形。
复合地基变形分别采用分层总和法和三维有限单元法进行计算。
5.1复合地基压缩模量的取值
复合土层的压缩模量Esp用三种方法进行确定,目的在于对比分析,以利综合评价。
(1)根据《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-2002)第9.2.8条确定:
Esp=ζ·
Es............①式
ζ=
式中Esp——复合土层的压缩模量(MPa);
Es——天然地基的压缩模量(MPa);
fspk——复合地基承载力特征值(kPa);
fak——基础底面以下天然地基承载力特征值(kPa);
(2)根据经验公式确定:
经验公式一:
Esp=n0·
A·
Ep+(1-n0·
A)Es............②式
式中Es——天然地基的压缩模量(MPa);
Ep——桩体压缩模量(MPa),可用桩体弹性模量代替;
n0——复合地基单位面积上的桩截面积(m2);
A——桩横截面面积(m2).
经验公式二:
Esp=m·
Ep+(1-m)Es...............③式
Ep——桩体压缩模量(MPa),取桩体抗压强度的100倍;
m——桩面积置换率。
按第①式,计算得Esp=11.5MPa;
第②、③式计算值分别为25.0MPa和205.0MPa。
由此可见,对于素混凝土桩复合地基压缩模量各种取法的差异很大,本工程素混凝土桩桩身强度C20,其压缩模量非常之高,而桩间土的模量很小,比桩的模量低了2个数量级以上,这两种材料并联受力,起主要作用的应该是素混凝土桩,因此按照桩面积置换率取值(即公式③)比较合理。
也有资料认为复合加固段的压缩变形量很小可以忽略不计,复合地基的沉降变形主要为桩端以下的土层的压缩变形。
《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-2002)第9.2.8条明确规定,“地基处理后的变形计算应按现行国家标准《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2002)的有规定执行。
复合地基加固层的分层与天然地基相同,各复合土层的压缩模量等于该层天然地基压缩模量的ζ倍”,因此,变形经验系数ψs按《建筑地基处理技术规范》中相应的规定取值。
所以,在按《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2002)计算复合地基变形时,选用上述①式的计算值(Esp=11.5MPa)进行评价。
三维有限元计算采用上文③式的计算值(Esp=205.0MPa)进行评价,我们认为该Esp取值比较符合实际。
5.2分层总和法计算
分层总和法计算,采用《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2002)5.3.5公式。
计算结果为建筑物南侧平均沉降量为150.26mm;
北侧平均沉降量为124.11mm,宽度方向倾斜0.00134。
5.3三维有限元法计算
(1)三维有限元计算基本参数
按地基土弹塑性应力、应变分析的要求,给出各种材料参数,详见表5.3-1。
地表回填土厚度为2.2m,按均布荷载q=35kPa施加。
材料基本参数表5.3-1
编 号
材料名称
密度ρ
(g/cm3)
弹性模量E
(MPa)
泊桑比μ
粘聚力C
(kPa)
内摩擦角φ
1
基础
1.77
20000
0.20
2
复合地基
1.70
205.0
0.30
3
基础以外,桩底以上土体
1.60
2.6
0.35
30
4
④层土
1.82
3.9
0.33
5
⑤层土
1.88
6.5
033
6
⑥层土
1.93
8.2
7
⑦层土
1.91
14.0
(2)三维有限元计算结果
计算分二种情况进行:
第一种情况为模拟建筑物的实际现状,考虑地基的附加压力作用及回填土的地面超载及局部开挖卸荷影响;
第二种情况,只考虑地基附加压力作用。
两种计算结果见表5.3-2。
计算结果中有代表性的等位移、等应力阴影图详见图5.3-1~5.3-4。
三维有限元计算结果表5.3-2
计算情况
最水沉降量
最大沉降量
沉降差
倾斜
实际模型
177.7
252.0
74.3
0.00246~0.00264
S13.0°
E~S13.6°
未考虑下沉式广场
回填土及开挖卸荷作用
175.8
219.7
43.9
0.00091~0.00098
S53.9°
E~S61.7°
图5.3-1:
地基实际模型总体沉降等阴影图
图5.3-2:
实际模型地基横剖面等应力阴影图
图5.3-3:
实际模型地基横剖面等位移阴影图
图5.3-4:
实际模型基础底面等变形量阴影图
5.4复合地基变形计算结果与综合分析
(1)分层总和法计算结果
1)分层总和法变形计算公式,由于没有考虑基础刚度对地基变形的影响,因此,对于倾斜的计算值与实测值相差比较大,仅能显示变化趋势。
2)因为是半经验半理论公式,对于规范中的变形计算公式应配套选用相应的计算参数和修正系数。
因此本文利用分层总和法计算结果评价时,选用《建筑地基处理技术规范》中规定的素混凝土桩复合模量的取法,即上文公式①。
3)分层总和法变形计算公式是一维压缩问题,公式选取的模量为压缩模量,而实际是三维问题;
公式计算的分层总和变形量,乘了一个经验系数ψs,对计算结果进行了修正,得出的是最终变形量。
经过多年的经验及与实测沉降资料的对比,公式计算的中心点的变形量与建筑物的最终变形量比较接近。
因此,用公式计算出的中心点的最终变形量作为评价的依据是比较可靠的。
(2)三维有限元计算结果
1)因为三维有限元法系模拟建筑实际情况,考虑了上部荷载,地面填土,地面局部挖土,以及不同土层的空间分布等因素,其计算结果无需进行修正。
所以,复合地基变形模量选择了经验公式“公式③”计算的Esp(Esp=205.0MPa)。
2)从地基总的沉降变形的倾斜的方向看,与实测结果非常相近,见图5.3-4;
4)从地基附加压力在地基中分布看,反映了附加压力随深度减小的变化规律,并且明显偏向附加压力较大的一侧(15F侧);
5)表5.3-2显示,在建筑物的西北角变形量为177.70mm;
而在东南角变形量为252.00mm;
倾斜为2.46‰~2.64‰;
倾斜方向S13.0°
与实测的倾斜方向(S7.4°
E)比较接近。
6)在不考虑地表回填土及下沉式广场的卸荷作用,仅考虑上部结构荷载情况,计算出的结果显示,总的变形量有所减小,但减小的幅度不大,只占总沉降量的1%~13%。
而建筑物倾斜的方向由S13.0°
E偏至S53.9°
E,向东偏了40°
~50°
。
这说明仅在上部荷载作用下,建筑物倾斜的方向大致为S偏E60°
,而在填土及挖方等多因素作用下其方向变成S偏E13°
,与目前实测的倾斜方向比较接近。
(3)复合地基变形计算结果综合分析
1)按《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2002)规范中“分层总和法”计算的地基总变形量:
东侧15F中心点变形量为282.35mm,西侧12F中心点变形量为188.74mm;
2)“三维有限元”计算的地基总变形量:
东侧15F最大变形量为252.00mm,西侧12F为177.70mm;
2)以上二种方法计算出的地基最终变形量数值非常接近,不妨以三种方法的平均值作为地基的最终变形量,即:
东侧15F中心点最终变形量平均值为267.18mm;
西侧12F中心点最终变形量平均值为183.22mm。
计算倾斜值为2.53‰。
此值大于高层建筑倾斜限定在1.5‰~3.0‰的低限。
5)由于影响建筑物地基沉降变形的因素很多,理论计算无法完全模拟工程实际,因而计算结果和实测结果不可能完全一致。
(4)复合地基变形计算结果与建筑物实测沉降量对比分析
为了便于分析对比,将天然地基、复合地基的计算变形量与沉降观测的实测沉降量列于表5.4。
变形计算结果与建筑物实测沉降量对比分析表5.4.
15F中心点变形量
12F中心点变形量
计算倾斜值
天然地基
526.17
461.68
0.00184
复合地基(现状)
267.18
183.22
0.00253
沉降观测
2004.9.4实测
114.20
9.90
0.00391~0.00506
倾斜方向S7.4°
表5.4结果显示:
1)经素混凝土桩加固后地基变形量与天然地基相比减小的幅度是显著的。
2)将复合地基的最终变形量与实测建筑物的沉降量相比,表明建筑物的沉降变形,还未最终完成,两者之差,就是地基未来将要产生变形量的。
当然,变形计算与实际之间不可避免的存在一些差异,但趋势是可靠的。
6建筑物倾斜原因分析
建筑物倾斜的原因主要从地基的均匀性、地基处理方法的适宜性、上部结构荷载的均匀性、结构措施的合理性以及地基处理施工质量及基础施工工序的科学性等方面入手。
(1)地基压缩均匀性与建筑物倾斜有无因果关系分析
从不同侧面对地基的均匀性进行了系统地分析和评述,并明确表述了本工程地基属于压缩性均匀地基。
因此,完全可以排除建筑倾斜与地基均匀性之间存在因果关系。
(2)建筑物上部结构偏心荷载是建筑物产生倾斜的诱因
建筑物上部结构为12F、13F及15F的组合体,荷载在平面上分布不均。
东、西两侧相比,东面15F比西侧12F荷载要大,加之西南角又少去了约10.4×
6.3m2建筑面积,所以两者叠加,东侧荷载明显大于西侧;
南侧与北侧相比,南侧13F和15F占的面积相对较大,因此南侧荷载比北侧大。
属于上部荷载偏心的组合式高层建筑。
地基的附加压力是地基产生变形的直接原因。
在同等条件下,附加压力越大,地基的沉降变形越大。
因此当地基有偏心荷载作用时,受压力大的一侧沉降变形必然偏大。
所以,偏心荷载的作用是产生建筑倾斜的主要诱发原因。
(3)地基土整体上为中高压缩性土,整体偏软,而地基处理的加固深度偏浅,使得地基总变形量偏大,而偏心荷载大的部位变形量必然偏大,于是地基产生不均匀沉降。
这是建筑物整体倾斜的直接原因和必然的结果。
如果地基处理的深度加深,便可以大幅度减少地基的总变形量,建筑物即便有变形差,它的绝对变形量将会明显减少,倾斜自然会微不足道。
素混凝土桩复合地基的设计主要靠素混凝土桩的桩长来控制复合地基的沉降变形量。
随着桩长的增加,变形量和倾斜程度都明显缓解。
(4)地面回填土及下沉式广场局部挖方卸载作用
如前文所述述,建筑之前平均自然地面标高412.0m,建筑主体在2003年5月22日封顶,基坑周边及室外回填土约在2003年8月完成,在回填土的同时,也进行了下沉式广场的开挖工作。
室外回填至标高414.20m,即建筑物周边回填土的厚度为2.2m,回填土的范围详见图12-1中阴影部分。
这种较大面积的填土,如同在建筑物南侧周围地面施加了一定的附加压力,从而使土体产生附加沉降。
与此相反北侧下沉式广场则要进行土方开挖,相当于卸载作用,至少是没有附加荷载作用。
这样,也使南侧与北侧地基土的受力条件有所不同。
在这种因素作用下南侧的沉降量将有所增大,同时也加剧了建筑物倾斜的发展。
但就其影响的程度而言,从三维有限元法未考虑填土和挖方影响的情况与实际模型计算结果对比可以看出,回填土的影响充其量也只占到总变形量的10%~15%。
而上部结构荷载和地基土的因素引起的沉降变形占到总变形量的85%~90%。
(5)素混凝土桩复合地基,在荷载值为250kPa~300kPa范围内,应力比n=13~19之间。
相应的褥垫层厚度不宜小于250mm。
当褥垫层厚度150mm时,施工的均匀性不易控制,同时易产生应力调整失衡。
因此,褥垫层的厚度为150mm似乎有些偏小。
另外,本工程所用材料采用砂、石比例为3:
7没有严格的尺寸(粒径)概念和级配比例规定,不符合褥垫层施工的有关技术要求,不能有效地起到褥垫层应有的调节桩土应力比的作用。
(6)基础施工工艺及工序不合理
素混凝土桩复合地基施工,采用长螺旋成孔,压灌混凝土成桩工艺。
本场地地下水位标高405.70m,桩底标高403.70m,桩下端2m在地下水位以下,而地下水位附近土为饱和的软塑~流塑状态黄土,极易造成缩孔或混凝土窜孔,使桩体施工质量下降。
事后从施工记录中就发现至少有5根桩混凝土的超灌量超过正常灌注量的7~8倍,单根桩灌注量达5m3以上,表明在复合地基施工时,局部地基中出现异常。
施工组织设计中未见有关于施工工序的针对性措施,且单桩混凝土灌注量也没有实测记录。
因此素混凝土桩的施工质量控制不到位,对地基变形也造成了不同程度的影响。
(7)基槽回填不及时
按规定,基坑开挖,基础施工完成后,应尽快对基槽进行回填处理,而本工程却是在主体封顶后三个月才进行基坑回填的,不及时回填基坑,会使地基承载力降低,从而会引起地基的变形量增大。
(8)基础施工时局部基槽受水
由于长时间没有回填基坑,基础施工期间,也未针对场地地表水设置有效的排水设施,雨天,地表水流入基坑,使得基坑局部区域基槽受水,使局部地基软化,使地基初期的不均匀沉降变形量偏大。
据施工单位介绍,在发现建筑倾斜后,对基坑南侧基槽土的含水量进行实测,其含水量值达27%,达到饱和状。
当然这此因素现在都无法定量评价。
(9)建筑物变形监测没能有效及时地进行报警,造成这一严重问题没有能及时发现、及早采取措施,以致于错过了处理问题的最佳时期,这也是一个重要因素。
以上(4)~(9)项,属于加剧建筑物发生倾斜因素,不是倾斜发生的直接原因。
通过以上分析和讨论,可以做出以下结论:
导致建筑物发生倾斜的诱发原因是偏心荷载;
而造成倾斜的直接原因是素混凝土桩的长度不够,不能有效地控制地基变形量,于是,最终变形量偏大;
荷载大的建筑部位和荷载轻的部位桩长相同,荷载大的一侧沉降变形大,荷载小的一侧变形小,于是,地基产生了不均匀沉降,建筑物的倾斜产生了。
当然,建筑物倾斜的产生,也是以上各种因素综合作用的结果。
结语:
(1)地基土是一种复杂介质,且地基沉降变形是地基—基础—上部结构共同作用的结果,因此科学、准确地评价
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