成都地区大直径素混凝土桩复合地基筏板受力特性

吴平，董骜,2

（1.安徽省建筑科学研究设计院，安徽 合肥 230001；2.西南交通大学，四川 成都 610031）

0 前 言

素混凝土桩复合地基是近年来被广泛应用的一种复合地基型式[1-3]。它与普通桩基础的区别在于：桩身不配钢筋，在基础和桩之间铺设褥垫层，通过褥垫层将上部结构荷载传递到桩和桩间土，使得桩及桩间土的自身承载力潜能能够得到充分的发挥，因此具有良好的经济性和适用性，已成为地基处理的一种重要方法，在我国广东、福建、江浙、湖北和四川等省都有应用[4-5]。其特点主要有以下几个方面[6-11]：①适用范围广；②承载力高；③复合地基变形小；④用以减小地基的不均匀沉降效果明显；⑤具有良好的经济效益和社会效益。

与普通素混凝土桩相比，大直径素混凝土桩桩径更大，一般在800mm～1200mm，使得施工作业方便，置换率相对较高，能够更有效的发挥地基土的作用，同时可以提高复合地基的整体刚度，减小地基沉降[12]。本文通过对成都地区软岩场地工程项目现场实测，分析大直径混凝土复合地基及上部筏基协同作用的力学特性，从而为复合地基设计优化提供依据。

1 工程概述

某置业投资有限公司拟兴建的“ICON·云端”项目位于成都市高新区天府大道东侧。该工程包括：1栋主塔（46层），高186.90m，设3层地下室，框架核心筒结构，柱最大竖向荷载92900kN，采用筏板基础；1栋住宅楼(6～18层)，高20.4m～60m，设1层地下室，剪力墙结构；地下室1～3层(地面无建筑)，负一层层高6.0m，负二层层高3.9m，负三层层高3.9m，框架结构，独立基础+抗水板。+0.00标高483.60m。

由于主塔楼区域内地质条件无法满足上部结构荷载的设计承载力要求，经分析研究采用了直径800mm～1000mm的大直径钻孔素砼桩复合地基对场地进行处理，以提高场地的地基承载能力。根据上部结构荷载分布不同，将场地划分为A、B、C三个区域：A区域基底压力为700kPa（纯地下室）；B区域基底压力为900kPa（高层住宅楼、主塔附楼）；C区域基底压力为1500kPa（主塔）。

2 地质水文概况

2.1 地形地貌

拟建物场地开阔，地形有一定起伏。场地自然地坪标高(钻孔孔口标高)480.22m～487.05m，相对高差6.83m。地貌单元属成都平原岷江水系一级阶地。

2.2 气象特征

场地所处成都地区属亚热带季风型气候，其主要特点是：四季分明、气候温和、雨量充沛、夏无酷暑、冬少冰雪。主导风向为NNE向，常年平均风速为1.2m/秒，年平均风压140Pa，最大风压约250Pa，年平均降雨量为900mm～1000mm，7、8月份雨量集中，易形成暴雨。

2.3 场区地层构成及特征

由详细勘察报告可知，该场地强风化、中风化泥岩互层严重，节理裂隙发育。由上至下，其场地土(岩)层依次为：

①第四系全新统人工填土层，厚度2.0m～10.3m。

②第四系全新统冲积层：

a.细砂：最大厚度2.3m；

b.中砂：最大厚度约1.6m；

c.卵石：包括松散卵石、稍密卵石、中密卵石和密实卵石四个亚层；

③白垩系灌口组泥岩。

2.4 地下水

根据施工勘察报告，场地内基岩中有裂隙水，该裂隙水有一定承压性，深度在地基下13.0m～40.0m，均有分布，经腐蚀性分析，场地地下水对混凝土结构具有弱腐蚀性，对混凝土结构中的钢筋具微腐蚀性。

3 监测内容及方案

3.1 监测内容

3.1.1 桩顶受力监测

对大直径素混凝土灌注桩采用混凝土应变计进行监测。了解筏板基础下桩的受力分布规律，比较不同桩位的受力状况和荷载分布。在筏板施工及上部结构施工等过程中，及时跟踪监测，以防止局部发生超限荷载等非常状况，确保工程安全。

3.1.2 基底土压力监测

采用土压力盒监测大直径素混凝土灌注桩桩顶、桩底及桩周的土压力，筏板与地基土之间的接触压力（基底反力），了解地基土的受力状态以及桩土共同作用时的荷载分布规律。

3.1.3 筏板应力监测

筏板受力状况监测主要是对筏板内部设置钢筋应力计及混凝土应变计进行监测，了解施工加载期间筏板内部荷载变化情况，分析计算筏板的受力、变形特征。

3.2 监测方案

3.2.1 大直径素砼桩监测点位选择

由于设计承载力要求的不同，将场地划分为A、B、C共3个区域，各区域内的桩长，桩径不尽相同。其中：

A区桩径1000mm，桩间距2.7m，共计71根，桩长不小于9.00m。且桩端进入中风化泥岩。单桩3200kN。混凝土强度等级C25。

B区桩径1000mm，桩间距2.8m，共计68根，桩长不小于13.00m。且桩端进入中风化泥岩。单桩5100kN。混凝土强度等级C25。

C区桩径1300mm，桩间距2.7m，共计400根，除电梯井标高-21.600(462.00m)范围桩长不小于19.00m，且桩端进入中风化泥岩或微风化泥岩。单桩9300kN。混凝土强度等级C25。

为了全面合理的掌握场地内各个素混凝土桩的受力及变形情况，需在各个区域选择不同的桩形进行监测。所选试桩位置如图1所示，其信息汇总于表1。桩内量测断面、桩周土压力盒的布置方式见图2。

图1 试桩位置示意图

4 筏板监测点选择

与A区及B区相比，C区的基底压力水平最高，故选C区的筏基为监测对象。

测点沿X1、X2、Y1、Y2这4条线布置，每条线上布置9～11个测点。此外，考虑到结构柱下的基底反力较大，故在部分结构柱处设置测点，对筏基内力及基底反力进行量测。测点布置方案如图3、图4、图5所示。

图2 监测桩测点布置示意图

试桩信息汇总表 表1

图3 压力盒测点布置方案

5 数据分析

5.1 桩身荷载传递

图4 筏基测点(钢筋计与混凝土应变计)布置方案

图5 钢筋计与应变计位置及编号示意图

根据现场测量结果可得到每期量测结果中不同桩体各个截面的轴力，由于受施工方及建设方等多方面因素影响，总共只获取了5期监测成果。每一期报告对应的上部结构增加两层，相应的荷载随之增加。监测结果取C区复合地基（承载力最高区）的3根特征桩进行分析，分别为216#、300#及140#桩，图6、图7、图8分别为216#、300#及140#桩的桩身轴力变化图。

图6 216#桩身轴力变化

从图6(a)可以看出，桩身各个截面的轴力基本随着上部荷载的增大而同步增大，最大轴力为595kN，轴力的增幅随着上部荷载的增大也随之变大。桩身轴力从桩顶沿桩身向下逐渐衰减，说明随着的荷载的增大，桩身侧阻逐渐发挥作用。荷载较低时，桩身各个截面轴力相差并不大，随着荷载增加，各个截面的轴力差随之变大。图6(b)显示：整个过程中桩的上部一直存在负摩阻力且数值较大，主要存在于0m～2.5m之间（桩顶算起），约为桩径2倍的范围内。

从图7(a)可以看出，桩身各个截面的轴力基本随着上部荷载的增大而同步增大，最大轴力为450kN。桩身轴力从桩顶到桩低逐渐衰减，说明随着的荷载的增大，桩身侧阻逐渐发挥作用。图7(b)显示：整个过程中桩的上部一直存在负摩阻力但数值较小，主要存在于0m～2.5m之间（桩顶算起），大概是桩径2倍的范围内。

图7 300#桩身轴力变化

图8 140#桩身轴力变化

从图8(a)可以看出，桩身各个截面的轴力随着基本荷载的增大而同步增大，最大轴力为500kN。图8(b)中可以看出140#桩桩身截面轴力沿深度变化趋势，12m以后桩身轴力衰减速率明显加快，桩底侧摩阻发挥充分。在0～2.5m处，大约为桩径2倍范围内出现了负摩阻力。

216#、300#和140#桩的桩体位置不同，其各截面受力趋势大体相同，可见：

①核心地区桩216#的最大轴力为595kN大于角桩300#桩的最大轴力为450kN和边桩140#桩的最大轴力为500kN。经分析认为：位于核心地区的桩，筏板上设有局部凹形下凸的电梯井，其对筏板有侧向支撑作用，对桩体约束较强，故荷载集中作用桩体上。

②在0m～2.5m处，大约在桩径的2倍范围内均出现了负摩阻力。经分析认为：由于设置了褥垫层，受到荷载时大直径素混凝土桩“刺入”褥垫层，土体的竖向位移大于桩身竖向位移，引起土体对桩产生向上“拔”的负摩阻力，因此增加了此范围内的桩身轴力。

5.2 筏基内钢筋计量测结果分析

根据现场监测数据，可得每一期X1、X2、Y1、Y2四个截面线的上部和下部钢筋应力的分布，结果见图9、图10、图11和图12。

X1、X2、Y1和Y2四个截面的上的钢筋应力分布趋势大体相同。

①在结构柱作用处的应力水平较高，但筏板中部的应力水平较低。筏板中部是核心筒部分，上部刚度约束较大，筏板的变形限制较为明显，故应力水平较低。

②在两个结构柱之间的应力分布出现反弯点，上部钢筋受拉，下部钢筋受压。在两个结构柱的集中荷载作用下，两个结构柱之间的筏板出现了上“拱”效应，出现上部钢筋受拉、下部钢筋受压的情形。

③下部钢筋的拉应力分布较上部钢筋的压应力分布更加均匀，未出现拉、压交替分布的情形。由于筏板自身的刚度在荷载传递的过程中起到了变形协调的作用，使底部的荷载分布更为均匀。

X1剖面线筏板中上、下钢筋的应力分布见图9。

图9 X1 钢筋的应力分布

X2剖面线筏板中上、下钢筋的应力分布见图10。

图10 X2 钢筋应力分布

Y1剖面线筏板中上、下钢筋的应力分布见图11。

图11 Y1 钢筋应力分布

Y2剖面线筏板中上、下钢筋的应力分布见图12。

图12 Y2 钢筋应力分布

5.3 筏基底部土压力盒量测结果分析

由于受施工过程中的种种因素的影响，筏基底土压力量测结果中的X1截面和Y2截面的土压力盒大部分测点未能获得数据。因此在此仅分析X2和Y1两个截面的土压力盒的量测结果。图13和图14分别给出了X2和Y1截面的筏基底部反力分布。

从图可以看出，筏基基底反力随着上部荷载的增大同步增大。筏基底部反力在桩顶处应力较为集中，而在桩侧的土体应力水平较低，整体分布呈波浪型。在筏板中部核心筒底部的桩体应力较外侧桩体更大。从图中还可以看出，桩顶的桩土应力比在10左右，随荷载增大保持稳定基本没有变化。

整个复合地基反力分布趋势呈现马鞍形分布，与绝对刚性条件下地基反力的分布形式类似，经分析认为，这是由于设计保守，筏基刚度很大，同时上部结构荷载并未完全加载，筏基自身刚度足以抵抗上部荷载产生的相对挠曲，因此其分布与绝对刚性的基础分布类似。

6 结 论

通过对桩身荷载传递分析、筏基内钢筋计测量结果分析和筏基底部土压力测量结果分析，得到以下几点结论。

①从桩身轴力分布可以看出，大直径素混凝土桩的桩侧一直存在负摩阻力，且存在于桩身上端0～2.5m，大约桩径2倍的位置处。说明最顶部的桩间土变形较大，此范围下变形逐步减弱，主要通过桩与正摩阻力共同承担上部荷载。

②桩身轴力随着深度线性衰减，桩底部轴力很小，整个桩呈现摩擦桩型的传力特征。

③从筏基内钢筋计测量结果可以看出，结构柱下筏基内钢筋应力集中，在核心筒处水平较低，钢筋应力分布与上部结构的约束密切相关。两个结构柱之间会出现反弯点，即结构柱之间的筏基上“拱”效应。筏基底部的钢筋应力分布较顶部更加均匀，基本全部受拉，未出现拉、压交替出现的分布。

④筏基基底应力分布呈现波浪形，即桩顶应力集中，而桩间土应力水平远低于桩顶。桩顶的桩土应力比在10左右，不随荷载的增大而变化，整个基底反力分布趋势呈现马鞍形。

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