超高层建筑桩基础混凝土耐久性优化

李方枢

（中节能实业发展有限公司，浙江 杭州 310012）

我国建筑工程产业规范中，40 m以上及建筑高度超过100 m的住宅及公共建筑，被界定为是超高层。作为现代城市建筑的主要方式，超高层住宅不仅具有空间承载量大，采光效果高、绿色节能应用普及水平高等方面优势，成为现代城市建筑特色文化的重要形式。作为高层建筑稳定性的基本保障结构，桩基础能够将桩和桩顶承台依照技术规范要求连接，确保地基基础承载力，有效控制基础沉降量。在桩基础施工中，通过对应的技术措施提升混凝土耐久性，是确保工程建设质量和经济效益的基本保障。

1 建筑桩基础混凝土耐久性优化意义

1.1 建筑工程施工质量控制的基本要求

工程施工质量控制是项目管理的核心内容，尤其是对超高层建筑而言，材料、人员、技术等各个方面因素，都会对工程质量产生不同形式影响。桩基础作为建筑工程基础施工的主要形式，能够更为有效地传递整体结构荷载。混凝土是桩基础施工的主要材料，在施工设计中，需要依据“经济合理、技术可靠、质量优先”的基本原则，对混凝土结构性能进行整体优化。在施工质量控制体系中，耐久性是指材料抵抗自身和自然环境双重因素长期破坏作用的能力，也可以理解为材料的使用寿命。更高的耐久性，能够确保项目运行质量得以有效保障，有效提升项目建设经济效益水平。

1.2 建筑桩基础混凝土性能优化的基本要求

混凝土作为现代建筑工程的基础材料，从多方面改变了工程产业建设形式，更是超高层建筑工程项目建设经济效益和社会效益实现的基本保障。混凝土工程施工中，需要确保和易性、强度、变形和耐久性等基本性能，当前技术条件下，混凝土强度和变形性能已经达到较高水平，但是在耐久性控制方面，还难以达到建筑物设计运行寿命要求。在超高层建筑桩基础施工中，利用数值模拟、应力分析等方法，基于现场条件分析耐久性的主要影响因素，采用针对性的优化方案，提升混凝土结构运营年限，是确保建筑项目经济效益和社会效益的基本要求。

2 超高层建筑桩基础混凝土耐久性优化

2.1 基于复杂应力环境下的耐久性优化

2.1.1 优化研究出发点

超高层建筑基础埋深设计中，需要考虑地层构造应力对混凝土材料的影响，具有准确分析外力作用条件下，混凝土结构的力学性质及破坏模式。相关学者利用三维颗粒流数值模拟法等，分析围压作用、冻融损伤等外力条件变化时混凝土结构的细观特性。本课题研究中，以常规超高层建筑桩基础设计规范为要求，采用颗粒流数值模拟法，研究不同围压条件下，不同深度地层的应力变化特征，进一步分析应力变化所产生的破坏形式，以此能够为相关设计优化提供理论依据。

2.1.2 混凝土混合比设计

利用颗粒流数值模拟法分析混凝土结构应力变化情形下的耐久性，首先要做好混凝土混合比设计，制备与工程项目实际相一致的混凝土材料，在制备完成后，采用常规三轴压缩试验对混凝土试件进行分析，同时考虑模拟过程中地层深部所受构造应力特征，适当缩小粗集料尺寸。本课题研究中，依据《普通混凝土配合比设计规程》，结合项目工程前期勘察和设计方案要求，配合比设计为水泥：水：砂：粗集料=389∶197∶566∶1321，经混掺和加水搅拌处理后，制作成直径为50 mm，高为100 mm的标准圆柱试件。试验平台为MTS815.02多功能伺服试验系统，围压值范围设定在2～8 MPa之间。

2.1.3 数值模型建立

采用PFC3D三轴压缩模拟软件建模，采用颗粒离散单元法，分析颗粒相互作用下峰值强度变化。具体实施流程是在生成试样后，给定不同参数赋值进行预压处理，在伺服机制施加围压后，采集对应的数值。为确保模拟软件运行效果，将材料组成设定为集料和胶凝材料，材料形状均视为球形。在进行模拟试验是，分别在顶面、底面墙体位置，模拟刚性加载板，在圆柱墙体位置，模拟围压加载板，在围压达到设定参数后，完成数据采集。最后是在加载板施压至试样失稳破坏后，试验结束。

2.1.4 试验结果分析

基于桩基础混凝土试样常规三轴压缩应力-应变曲线分析，可以看出混凝土试样结构在围压加载过程中，结构变形可以分为四个阶段：第一阶段为弹性阶段，也就是试样结构会出现轻微的弹性变形；第二阶段为塑性屈服阶段，也就是试样结构塑性会出现明显变化，由脆性破坏转变为塑性破坏；第三阶段为峰后应力跌落阶段，也就是试样结构耐久性已经明显不足，曲线由上升转变为跌落状态；第四阶段是残余阶段，试样结构耐久性已完全丧失。试验结果数据显示，在围压由2 MPa增加至8 MPa时，峰值强度提升53.39%、峰值应变提升30.01%、弹性模量提升20.99%。通过对试验结果曲线分析，试样峰值强度、峰值应变及弹性模量，都会随围压变化而逐渐变化，与围压之间满足线性函数关系，具有较为明显的相关性。

2.1.5 优化路径

分析应力变化对超高层建筑桩基础混凝土试样性能进行分析，可以看出峰值强度受围压变化影响最为显著。在具体施工组织中，需要先对混凝土结构进行试样，通过调整配合比和添加剂的合理优化，尽量提升材料结构耐压性能，有效提升耐久性。

2.2 基于干湿循环作用的耐久性优化

2.2.1 优化研究出发点

建筑工程桩基础混凝土耐久性除受材料自身性能影响外，对外部环境影响也较为敏感，尤其是在干湿条件不断变化时，结构性能会出现多种形式变化。相关研究显示，混凝土结构在干湿循环作用下，试样质量、抗压强度、劈裂强度、耐腐蚀性能等性质参数都会发生明显变化。在干湿循环作用中，溶液性质不同、浓度不同，所产生的作用水平也明显不同，会对混凝土耐久性和服役寿命产生直接影响。基于计算机模拟软件，依托具体超高层建筑工程项目，分析不同干湿循环次数下桩基础混凝土试样的物理特征参数变化，能够为相关工程项目桩基础施工提供更为准确的指导。

2.2.2 试验准备与方法

为确保试验结果准确性，需要在试验前做好试验材料和试样制备，准备工作开展重点需要考虑混凝土结构能否达到承载力、耐久性和施工便利性要求。所选用的水泥试样材料，需要与现场施工材料保持一致，本课题研究中，依据《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55-2011）要求，需用某企业所提供的C65标号水泥，经室内试验与施工现场相对比，试验材料包括水泥、粉煤灰、硅粉、细骨料、粗骨料、水及减水剂等，每立方米混凝土，上述材料质量分别为447kg、92 kg、41 kg、1 060 kg、680 kg、177 kg、15.31 kg。试样制备方式为超高层建筑桩基础水泥混凝土标准制样模具，直径为50 mm，高为100 mm，所有试样满足国际岩石力学标准要求。

加载试验平台为MTS815.02多功能伺服试验系统，具体方法为先利用应力控制方式对试样同时加载轴压和围压。在轴压加载达到设定值后，稳定加载速率并保持恒定状态。在围压达到设定值并保持恒定后，将轴压调整为位移控制方式，直至试样结构破坏为止。干湿循环试验流程为先将试样浸泡在水中，浸泡时长为16 h、水温为20±20 ℃。浸泡处理完成后，将试样擦拭干净并进行烘干处理，烘干时长为7 h，温度控制在75±2 ℃，烘干完成后，取出试样在室温下冷却5 h，即完成一个干湿循环过程。干湿循环处理完成后，采用仪器测量试样的动弹性模量和质量损失率，直至试样结构破坏，无法进行应力加压试验为止。通过对加载过程前后相关试验结果对比分析，即可得出干湿循环作用对混凝土试样结构耐久性的具体影响。

2.2.3 加载前试验结果

课题研究中，依据上述试验方法，制备三组试样分别进行试验，试验结果显示，试样结构动弹模量受干湿循环作用影响较为显著，均出现先增后减变化趋势。在试验次数n=2时数值最大，n=9时下降趋势变缓，n=15时，试样结构完全破坏，试验结束。试验结果显示，质量损失率曲线变动呈同样特征。参考相关研究及试验原理，结果产生主要原因是在干湿循环作用前期，水化反应会使水泥和粉煤灰反应产物填充至孔隙中，增加试样的致密性，使得回弹模量会有所升高，质量损失率降低。在后续循环作用中，混凝土内部会持续出现干缩湿涨现象，反复承受张拉和收缩应力作用，导致内部结构损伤严重，动弹模量下降、质量损失率不断升高。

2.2.4 加载后试验结果

加载后试验结果分析，主要是通过应力-应变曲线和混凝土特征参数进行分析。依据超高层建筑桩基础混凝土三轴加载试验结果，绘制设定围压值、不同干湿循环次数下混凝土试样结构应力-应变曲线。基于曲线结果可以看出，试样三轴加载应力-应变曲线可以分为四个阶段：第一阶段是结构的微缺陷压密阶段；第二阶段则出现明显的弹性变形；第三阶段属于塑性屈服阶段；第四阶段在出现峰后应变软化。在干湿循环作用下，混凝土试样的内部骨架结构会逐渐劣化，部分物质逐渐被溶解，内部孔隙不断增大，这也就会导致试样偏应力峰值强度在小幅增加后开始逐渐减少。混凝土试样结构偏应力不断降低，表示骨架结构的承载能力较低，强度性能不断降低，失去结构耐久性。

在本课题研究中，将围压条件分别设定为1 MPa、3 MPa、5 MPa、7 MPa，重复进行15次干湿循环作用试验，记录0次、5次、10次及15次相关参数记录，结果显示混凝土试样峰值强度最高出现在围压7 MPa/0次循环，数值为120.58 MPa；最低出现在围压3 MPa/15次循环、数值为82.47 MPa。峰值应变最高出现在围压7 MPa/0次循环，数值为2.36%；最低出现在围压1 MPa/15次循环，数值为1.09%。弹性模量最高出现在围压7 MPa/0次循环，数值为16.67 GPa；最低出现在围压1 MPa/15次循环，数值为14.16 GPa。泊松比最高出现在1 MPa/0次循环，数值为0.269 v；最低出现在7 MPa/15次循环，数值为0.247 v。同时可以看出受峰值应变受干湿循环作用影响最为显著。

2.2.5 优化路径

基于试验研究可以看出，在超高层建筑桩基础混凝土设计与施工环节，要确保耐久性能够长期保持稳定状态，应当重点关注结构整体峰值应力变化的影响因素。由于峰值应变具有高度的局部性，不会引起结构较为显著的变形现象，但是在反复性的干湿环境影响下，会产生疲劳破坏或脆性断裂现象，因此在施工设计和组织中，首先要考虑混凝土混合比对峰值应力变化的影响，通过调整粉煤灰、骨料等主要材料的占比，选择合适的添加剂材料并优化添加比例，以此更好地提升峰值应力上限值，延长混凝土结构微缺陷压密阶段和弹性变形阶段时长，确保结构承载力水平保持稳定状态，更好地提升混凝土结构耐久性。

2.3 基于施工技术的耐久性优化

当前理论研究中，专门针对超高层建筑桩基础混凝土施工技术对结构耐久性影响的研究相对较少，结合桩基础工程施工一般规定，施工技术优化应当从如下方面着手：一是混凝土生产过程的质量控制，原材料选择在确保成本控制基础上，必须确保水泥强度达标、细骨料碱活性参数控制到位，不能含有易发生冻裂的物质，合理选用引气剂、减水剂等外加剂材料，确保混凝土结构抗渗性能和防腐性能达到要求。二是在冬季施工条件下，混凝土运输要采用合适的保温措施，做好混凝土出罐及浇筑温度监测，在温度控制无法达到要求时，应当采取对应处理措施。三是在浇筑过程中，要做好钢筋及模板的清理工作，在确保钢筋笼放置合理无误后，再安装灌注导管，单桩灌注时长不得超过8 h。四是在单桩灌注作业中，要随时做好检测，准确测定管桩实际深度和承载力，在作业完成后，要对单个桩进行荷载检测，根据检测结果调整施工方案。五是在检测结果达到验收标准后，要根据现场情况做好混凝土养护，避免由于气候环境变化、人为因素等对混凝土结构造成破坏，确保混凝土耐久性水平达到超高层建筑运行要求。

3 结束语

超高层建筑桩基础混凝土施工，对工程项目整体质量具有重要影响，混凝土耐久性受各方面因素影响较为显著。利用计算机模拟软件，设定对应的参数，能够较为准确地模拟复杂应力环境和干湿循环作用条件下，混凝土结构耐久性的主要影响因素，根据试验结果分析不同影响因素的作用方式及作用效果。在工程设计及施工过程中，技术人员应当根据现场条件和模拟试验结果，选择最为优化的施工方案，合理确定施工材料及配合比，尽量减少外部条件对混凝土结构耐久性的影响，确保桩基础结构峰值应变、弹性模量、泊松比等参数达到更为优化水平，以此为施工质量控制奠定良好基础。