基于沉降观测的强风化岩地基主裙楼差异沉降分析*

叶 林,张同波,李翠翠,许卫晓,王文浩

(1.青建集团股份公司,山东 青岛 266071; 2.青岛理工大学,山东 青岛 266033)

0 引言

高层及超高层建筑在城市建设中越来越多,由于功能需要,很多工程在高层建筑的一侧布置裙房,主楼与裙房上部结构荷载和刚度相差很大,会使得主裙楼基础底板发生不均匀沉降,导致主裙楼连接处基础底板发生开裂,影响建筑安全。为解决上述问题,目前主裙楼结构中多采用沉降后浇带。然而沉降后浇带的留置直接影响地下工程的后续工序穿插,对工程工期影响很大,且后浇带留置时间过长,将对地下室防水质量造成严重影响,同时沉降后浇带部分易出现涌水等问题。

花岗岩在我国分布广泛,大量工程在花岗岩地区建设,并选择强风化层作为持力层,如青岛地区强风化带花岗岩的深度为0.5～18.4 m,变形模量为28～155 MPa。强风化岩地基由于承载力达到要求,变形模量大,结构沉降量小,主楼与裙楼间的沉降差异也小,使得取消沉降后浇带或提前封闭沉降后浇带成为可能,然而目前绝大多数强风化岩地基工程仍设置了沉降后浇带。

1 强风化岩地基上高层建筑沉降观测分析

1.1 工程概况

本工程占地面积32 536m2,项目包含1栋高层、1栋多层连体建筑、1栋多层建筑及1栋裙房,整体地下1层,如图1所示。场区第四系主要由全新层人工填土层、全新统海相沉积层及沼泽化层、全新统陆相洪冲积层、上更新统冲积层组成,基岩主要为新元古代斤宁期片麻状花岗岩,局部穿插后期侵入的煌斑岩、细粒花岗岩岩脉。各岩土层主要力学性质如表1所示。

表1 各岩土层主要力学性质Table 1 Main mechanical properties of each rock and soil layer

1.2 沉降观测概况

观测对象为1栋地上21层、地下1层的主楼以及地上2/3层、地下1层裙楼,结构尺寸如图2所示。主楼为框架-核心筒结构,总高97.5 m,2层裙楼总高为12 m,3层裙楼总高为15.9 m,基础形式均为筏板基础。主裙楼地基持力层均为强风化花岗岩。

图2 主裙楼结构尺寸(单位:m)Fig.2 Structural dimensions of the main-podium building(unit:m)

根据结构设计要求及建筑物特点,主裙楼共布设41个沉降观测点,点位布置如图3所示。

图3 监测点位布置Fig.3 Layout of monitoring points

1.3 主裙楼沉降与沉降差异分析

1)沉降量随时间变化规律

数据整理得到主裙楼沉降随时间变化数据,如表2～5所示(表中相同层数为间隔一段时间后的第2次监测结果),沉降曲线如图4所示。

图4 各点随时间变化沉降曲线Fig.4 Settlement curve of each point over time

表2 主楼沉降Table 2 Main building settlement mm

表3 A2区裙楼沉降Table 3 Settlement of podium building of A2 area mm

表4 A3区裙楼沉降Table 4 Settlement of podium building of A3 area mm

表5 A4区裙楼沉降Table 5 Settlement of podium building ofA4 area mm

由以上分析可知:主楼沉降随施工层数增加快速增长,封顶后沉降量增加减缓并慢慢趋于稳定。主楼最大沉降出现在建筑边轴中部32号点。裙楼施工地下1层时,沉降出现快速增长,其后随施工层数增加而增长,封顶后沉降量增加变缓并趋于稳定。裙房区域2021年9月6日停止降水,青岛雨季为6月底到9月初,此时地下水位上升,裙房沉降值明显减小,表现为图中的上升段。雨季结束后,地下水位下降,沉降再次增大,表现为图中下降段,说明地下水浮力对裙楼沉降影响明显。

2)沉降量平面变化规律

绘制各点的最终沉降曲线如图5,6所示。可以看出,主楼沉降呈现“锅底”形,中心位置处沉降最大,边缘位置沉降较小。裙房整体沉降平缓,因裙房部分楼层高度不一致,故3层裙房下部的沉降大于2层裙房下部的沉降,其中裙房最大沉降位于3层裙房。最终沉降时主楼区边地下存在黏土层,故沉降明显较大,中间部位沉降最大,达到41.51 mm;裙楼区最大沉降位置出现在3层裙楼,为8.41 mm。在主裙楼交界处沉降曲线是平滑的,表明在主裙楼交界处没有突变。由于地基条件的不均匀性,建筑的沉降出现局部不均匀现象。

图5 最终沉降剖面线Fig.5 Final settlement profile

图6 最终沉降等值线Fig.6 Final settlement contour

3)主裙楼间沉降差规律分析

统计随实际施工进度工况下主楼与裙房最大沉降点间、后浇带两侧沉降差与楼层差之间的关系,如表6,7和图7～10所示。可以看出,实际工况下:主裙楼最大沉降点、后浇带两侧沉降差均随楼层差的增大而增大,随时间增长逐渐趋于稳定;前期增加较慢,楼层差达到9层以上,沉降差增加变快。主楼封顶后,主裙楼最大沉降点、后浇带两侧沉降差均随时间继续增大。

图7 实际工况主裙楼最大沉降点沉降差、相对沉降差与楼层差关系曲线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

图8 实际工况主裙楼最大沉降点沉降差、相对沉降差随时间变化曲线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

图9 实际工况主裙楼后浇带两侧沉降差、相对沉降差与楼层差关系曲线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

图10 实际工况主裙楼后浇带两侧沉降差、相对沉降差随时间变化曲线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 主裙楼最大沉降点沉降差随施工进度统计Table 6 Statistics of the maximum settlement point settlement difference of the main podium building with construction progress

表7 实际工况主裙楼后浇带两侧沉降差统计Table 7 Statistics of settlement difference on both sides of the postcast strip of the main podium building under actual working conditions

2 基于沉降观测的沉降差异数值模拟分析

采用软件建立结构基础和地基模型如图11所示,其中主楼地上21层,裙房保持楼层一致,考虑最不利因素将其均设置为地上2层。

图11 有限元模型Fig.11 Finite element model

提取主楼最大沉降点数据作沉降量-时间曲线,并与现场监测结果进行比对,如图12所示,当主楼封顶时,现场沉降监测数值为27.41 mm,模拟计算最大沉降量为31.07 mm,可以看出主楼最大沉降数值模拟结果与现场实际监测结果在沉降规律及数值上都较为接近。

图12 有限元与实测值最大沉降点对比Fig.12 Comparison of the maximum settlement point between finite element analysis and measured values

模拟取消沉降后浇带,实现主楼与裙房基础整体连接,模型如图13所示。对于主裙楼结构取消或提前封闭沉降后浇带应综合考虑主裙楼间差异沉降、基础底板强度以及刚度,依据GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》从3个方面判定主裙楼结构是否可取消沉降后浇带。

图13 取消沉降后浇带模型Fig.13 Model of postcast strip with cancellation of settlement

1)带裙房的高层建筑下的整体筏形基础,主楼与相邻裙房柱的差异沉降不应大于其跨度的0.1%。

2)带裙房的高层建筑下的整体筏形基础,主楼下筏板基础的整体挠度值不应大于0.05%。

3)基础底板最大拉应力不应大于C35混凝土的极限抗拉强度值2.2 MPa。

主楼21层施工结束的模拟结果如图14所示,从中可以看出主楼最大沉降出现在主楼中心处且主楼沉降整体呈现“锅底”形,主裙楼连接处沉降是连续的,未出现沉降突变现象。主楼最大沉降为35.25 mm,裙房最大沉降为27.46 mm,主楼下筏板基础的整体挠度值为2.27×10-4,主楼与裙房相邻柱的相对沉降差为3.23×10-4,主楼四周处拉应力最大为0.95 MPa,符合取消沉降后浇带要求。

图14 底板沉降及应力分布Fig.14 Bottom plate settlement and stress distribution

在保持裙房楼层不变的基础上,继续增加主楼高度,以上述3条原则作为判别是否可取消沉降后浇带的依据,计算结果如表8所示。

表8 不同主楼高度对应基础底板沉降及应力计算Table 8 Calculation of foundation plate settlement and stress for different main building heights

由表8可知,主楼与裙房相邻柱间相对沉降、主楼筏板基础整体挠度值以及基础底板最大拉应力均随主楼楼层增加而增加,其中当主楼增加至32层时,基础底板最大拉应力均符合规范要求,但主楼与裙房相邻一侧相对沉降差为1.01×10-3,超出规范限值。因此当主楼32层、裙房2层时,不适宜直接取消沉降后浇带。

3 结语

通过强风化岩地基上高层建筑沉降观测分析和沉降差异及基础底板应力数值模拟分析,得出以下结论。

1)主楼最大沉降出现在主楼中心处且主楼沉降整体呈现“锅底”形,主裙楼连接处沉降是连续的,未出现沉降突变现象,裙楼沉降分布与上部结构分布有关。

2)主裙楼沉降差随时间增长逐渐趋于稳定,建造过程中沉降差异变化与主裙楼高度差相关。施工过程中,存在主裙楼沉降差异大的可能,应保持主裙楼施工进度差,以控制主裙楼差异沉降。

3)主裙楼沉降与基础下部岩土层有直接关系,地基条件的不均匀性,会使建筑沉降出现局部不均匀现象。

4)地下水浮力对裙楼沉降影响明显,施工过程中地下水位上升会引起主裙楼沉降差增大。裙楼小于2层时,主裙楼沉降差异计算分析应考虑浮力因素,考虑一定增大系数。

5)当主裙楼地基条件为强风化花岗岩(变形模量为25 MPa),裙房高度为地上2层时,主楼高度在31层及以下可取消沉降后浇带。