当代·天境两阶段变刚度复合桩基础现场测试

郭天祥　林树枝　汪亚建　郑智辉

(1.厦门新区建筑设计院有限公司　福建厦门　361012; 2.厦门市建设局　福建厦门　361001)



当代·天境两阶段变刚度复合桩基础现场测试

郭天祥1林树枝2汪亚建1郑智辉1

(1.厦门新区建筑设计院有限公司福建厦门361012; 2.厦门市建设局福建厦门361001)

两阶段变刚度复合桩基础新技术，其创新点在于端承型桩的变刚度机制的实现。现场测试通过布置沉降观测点、土压力盒以及轴力计等测试仪器采集现场数据，分别从沉降、土应力、桩顶反力、荷载分担比等方面分析两阶段变刚度复合桩基础的工作机理，以验证该工作机理在理论上的合理性。验证结果表明，两阶段变刚度复合桩基础的工作机理，在理论上有其可行性和合理性。

两阶段变刚度；复合桩基础；现场测试

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0　引言

厦门当代·天境项目采用了两阶段变刚度复合桩基础的新技术，其创新点在于端承型桩的变刚度机制的实现。与常规的复合桩基不同，两阶段变刚度复合桩基础是通过在端承型桩桩顶设置变形调节装置，实现了端承型桩与地基土的共同作用。在施工阶段逐步加载过程中，其两阶段的受力机理，表现在第一阶段主要由地基土承载为主，第二阶段主要由端承型桩承担后续增加的荷载[1]。

现场测试研究的目的在于进一步了解该变刚度复合桩基础的共同作用机理，研究桩和地基土在不同阶段的应力发展和变化情况、变形调节装置的工作特点以及整个复合桩基础的受力及变形规律。通过现场测试研究，进一步验证了两阶段变刚度复合桩基础的工作机理在理论上的可行性和合理性，为该新技术进一步在工程实践中推广应用打下基础。本文介绍当代·天境B幢的现场测试研究情况。

1　基础设计概况

当代·天境项目工程用地面积5 263.709m2，位于厦门市思明区民族路西南侧。该项目设两层地下室，地上部分由A、B两幢高层住宅楼组成。其中B幢地上32层，地上1层为大堂，层高6.60m，其余各层均为住宅，层高3.1m，主屋面高度99.900m，剪力墙结构。主楼平面尺寸为30.0*16.2m，为倒T型平面，高宽比为6.20，平面图详见图1。

图1　当代·天境B幢平面图

基础底板以下土层为⑥残积砂质粘性土，局部为⑦全风化花岗岩层，力学性能相对较高。下部坚硬岩土层为⑧强风化花岗岩、⑨中风化花岗岩、⑩微风化花岗岩，其中⑨和⑩层埋藏较深。主要受力土层的力学性能指标如表1。

端承型桩采用直径1.0m的人工挖孔桩，桩长约10.0m，桩端持力层为强风化花岗岩。筏板厚度2.0m，其下地基土层为⑥残积砂质粘性土(局部小范围为⑦全风化花岗岩层)，具体基础布置见图2。

表1　岩土设计参数建议值表

图2　B幢挖孔桩定位平面图

每根桩桩顶均设置由3台调节器并联组成变形调节装置，如图3所示。桩基础与变形调节装置的组合相当于竖向刚度大小相差较大的两个弹簧串联，如图4所示。

图3　变形调节装置的平面布置

图4　两阶段变刚度桩基础示意

由于调节装置的刚度较小，桩基础的竖向支承刚度降低到一个适当的水平，使桩与地基土的支承刚度相协调，保证基础承台产生一定的沉降量而使地基土发挥承载作用，此为第一阶段；当地基土承担的荷载已经接近或达到设计允许值时，将变形调节装置的空腔采用高强材料填充密实，即端承桩的竖向刚度达到设计要求的大刚度水平，后续增加的荷载主要由端承桩来承担，此为第二阶段。

2　现场测试方案

为了进一步研究两阶段变刚度复合桩基础的工作机理，对当代·天境B幢进行现场测试，测试内容主要包括对基础沉降的监测和地基土压力以及桩顶反力的测试等。

2.1测试仪器的布置

根据测试需要，在主楼均匀布置沉降观测点，用于观测主楼结构及地下室的沉降变形情况。在具有代表性的端承型桩顶安装用于测试桩顶反力的轴力计，在地基土与筏板接触处沿筏板纵向和横向布置一定数量的钢弦式土压力盒，便于观测桩土共同作用的情况，具体测试仪器的布置详见本文第3节。

2.2测试方法和频率

2.2.1沉降观测

采用精密水准经纬仪进行沉降观测。沉降观测点均匀布置于建筑物周圈及核心筒位置。地下2层剪力墙施工完成后，即在墙上埋置沉降观测点开始记录基础沉降，待地上1层剪力墙施工完毕后，再将沉降观测点引至地上1层柱墙上进行后续观测。

沉降观测频率：监测元件埋设好后即进行1～2次初测，以后结构每施工2层观测1次，结构封顶后至竣工验收每两个月观测1次。

2.2.2地基土压力测试

为了解建筑物在施工及使用过程中的地基土中的应力情况，采用钢弦式土压力盒对基础底土层的应力进行监测。为了监测建筑物横向及纵向的土应力分布规律，将土压力盒布置于8轴及E轴左半部(建筑物对称)，并延伸至主楼外相关范围。在垫层浇捣完毕后，按设计要求，埋设好土压力盒并进行初测，将导线引至邻近柱位地下室二层底板标高面上1m左右，并安装导线保护箱，做明显标记。

地基土压力测试频率：应力计埋设好后即进行1～2次初测，地下室施工期间，每施工1层，观测1次；上部结构施工过程中，结构每施工2层观测1次，结构封顶后至竣工验收每三个月观测1次。

2.2.3桩顶反力测试

采用轴力计监测桩基在上部结构施工及使用过程中的反力。在地下室二层底板施工前，在每个指定监测点的桩顶，埋设3个桩顶轴力计，埋设好后进行初测，并将导线引至地下室二层底板标高面上1m左右。桩顶反力测试频率与地基土压力测试相同。

3　现场测试分析与研究

本工程于2009年进行设计并动工；2010年3月完成地下室土方开挖并开始施工人工挖孔桩；2011年12月建筑物主体结构封顶，接着开始桩顶变形调节装置空腔的“注浆”(采用高强度的灌浆料进行填充)。现场测试自2010年11月开始至2013年6月，共历时约两年半。

3.1建筑物沉降

两阶段变刚度复合桩基础的沉降变形，主要发生在第一阶段，第二阶段桩基础顶部的变形调节装置”注浆”，端承桩的刚度实现到”大刚度”水平，第二阶段后续荷载主要由端承桩承担，第二阶段的沉降量很小，可忽略不计。也就是说，两阶段变刚度复合桩基础的沉降具有阶段性的特点。

根据实测资料，B幢共设置9个沉降观测点，具体分布见图5。B幢复合桩基础从2010年7月完成基础筏板的混凝土浇筑至2011年12月24日结构封顶并对变形调节装置“注浆”，该阶段为两阶段变刚度复合桩基础第一阶段，沉降观测12次；变形调节装置“注浆”填充后至2012年7月为第二阶段，观测7次。其中2012年1月15日的观测数据点为复合桩基础沉降变形观测的“拐点”，见图6。

图5　建筑沉降观测点布置示意图

图6　建筑主楼平均沉降时程曲线图

根据实测资料，B幢实测最大沉降为10.3mm，最小沉降为8.9mm，平均沉降为9.4mm。其平均沉降随时间的变化曲线见图6。由图可见：①变形调节装置“注浆”前后的观测数据反映出沉降变形呈现明显的两阶段特征，第一阶段变形量大，曲线陡降，第二阶段变形很小，曲线平缓；②第一阶段的平均沉降量为8.9mm，第二阶段的平均沉降量为2.8mm；③2010年1月15日至2010年3月15日这一时间段内，基础沉降很小，约为1.6mm，而从2010年3月15日开始，变形曲线开始大幅下探，基础开始逐渐产生较大的沉降变形。分析以上数据，可以得到以下4个结论：

(1)第一阶段主要由地基土承担大部分荷载，沉降变形主要发生在该阶段，沉降量较大；第二阶段后续荷载主要由端承型桩承担，沉降量很小。

(2)第二阶段观测到后续荷载作用下，端承型桩有2.8mm的沉降量，在总沉降量中的所占比例较预估的略大。初步分析认为，桩端持力层为全风化岩层，持力层泡水软化可能是造成沉降偏大的原因。

(3)2010年1月15日至2010年3月15日这一时间段内基础沉降很小，之后沉降才逐渐加大加快。分析认为，前期基础荷载远远小于基坑开挖挖除的土自重，地基土处于欠补偿状态，基底不会产生附加应力或者附加应力很小，因此该阶段的基础沉降不明显。

(4)实测沉降量远小于理论估算值，分析其主要原因有以下两点：①地质报告中提供的土层变形模量可能比实际偏小；②实际工程中，受地下室刚度对上部荷载扩散影响，主塔楼的基础荷载小于数值分析时的荷载。因此，工程设计沉降计算的理论值尚应考虑一个适当的经验折减系数。

3.2基底土应力

从图7可以看出，E轴线上土压力盒沿筏板基础布置于8轴左侧。图8为E轴线的土应力分布。为了便于观察E轴土应力分布情况，在图8中，将土应力值关于8轴镜像。其中，13#土压力盒数据缺失；4#与12#土压力盒间距较大，中间数据采用两者插值。从图可以看到，建筑物封顶半年后的实测基底最大土应力为98kPa(3#土压力盒)，具体位置位于主楼最外边一侧山墙附近；最小土应力为65kPa(12#土压力盒)，具体位置位于筏板中部(电梯基坑处)。沿纵向，外侧端部基底反力是中部基底反力的1.5倍；从第二次观测开始，沿纵向基底反力边端较大而中部较小的分布就基本形成。随着上部荷载的增加，基底反力基本同步增加，增加的幅度也基本均匀，逐渐形成常规筏板基础典型的“马鞍形”土反力分布[2]。但埋设位置位于中部的12#土压力盒的数据表现异常，随着荷载逐层增加，土反力反而出现减小情况，原因不明。此外，离主楼范围12m处1#土压力盒土压力为86kPa，大于设计预估值，说明地下室对主塔楼荷载的扩散作用明显。

图7　土应力观测点布置示意图

图8　E轴土应力分布图

图9为⑧轴线的土应力分布，该轴线上土压力盒沿筏板基础全长布置，其中，13#与15#土压力盒数据缺失，以两侧土压力盒数据插值代替。与E轴土压力曲线分布相似，从图中可以看到，建筑物封顶半年后的土反力较大位置出现在主楼外侧筏板端部，16#和6#土压力盒位置，分别位于主楼外侧约10m和5.5m处，其中16#土压力盒土反力为152kPa，6#土压力盒为113kPa。土反力最小处出现在11#土压力盒位置，位于筏板中部靠近电梯基坑处。边端土压力最大值为中部土压力最小值的1.7倍。同样的，从第二次观测开始，沿横向基底反力边端较大而中部较小的分布就基本形成，且随着上部荷载的增加，基底反力基本同步均匀增加，逐渐形成常规筏板基础典型的“马鞍形”土反力分布。此外，离主楼范围9.5m处5#土压力盒土压力为92kPa，大于理论计算值，说明地下室对主塔楼荷载的扩散作用明显。

图10为B幢基底平均土应力随时间和荷载增加的增长变化曲线。从图中看到，基底平均土应力随着时间的增长近似呈线性增大，主楼部分基底最终土应力平均值约为75kPa，远小于设计预估值400kPa。

图9　⑧轴土应力分布

图10　基底平均土应力

分析以上数据，认为有三方面原因：

(1)2012年7月停止土压力的测试时，建筑装修和幕墙工程以及少量砌体砌筑工程还未完成，该阶段荷载大约为预估荷载的85%；

(2)地下室为两层，主楼范围内的地下室为钢筋混凝土剪力墙结构，刚度很大，主楼以外地下室对上部主楼荷载的扩散，使得主楼范围平均土压力减小；

(3)地下水对基础筏板的浮托作用。

另外可以看到，在2011年12月结构封顶并对变形调节装置“注浆”，此后平均土应力增长缓慢，基本不变，说明在进入第二阶段后，后续增加的荷载开始由端承桩承担，地基土基本不再承担荷载，该曲线反映了两阶段变刚度复合桩基础的两阶段特征。

3.3桩顶反力

从图11中可以看出，桩顶反力计布置于主楼核心筒下74#～76#桩，图12为此三根桩桩顶反力随时间的变化曲线。第一阶段桩顶反力逐渐增长，其中，从监测开始至2011年4月8日增速较缓，然后至2011年5月7日桩顶反力迅速增大，随后平缓增长，最大值为556kN(76#桩)，在第一阶段末略有下降；第二阶段桩顶反力基本不变。

由于桩顶反力计均集中布置于主楼中部核心筒下，缺少主楼两侧桩顶反力监测数据，因此对于结果分析具有一定的局限性，难以反映桩基础整体受力情况。

图11　桩顶反力观测点布置示意图

图12　74#～76#桩顶反力图

3.4桩土荷载分担比

从图13中可以看到，第一阶段桩所承担的荷载值稳定地保持在一个较低的水平，约为20%～30%，而地基土承担的荷载约为上部荷载的70%～80%，这

图13　桩土荷载分担比随时间的变化曲线

一阶段桩土荷载分担比保持平稳，该阶段复合桩基础的荷载承担机制与常规筏板基础类似。

第二阶段地基土分担的荷载基本不变，桩承担的荷载基本保持在原有水平，实测桩顶荷载未出现较大幅度的增长，该现象似与两阶段变刚度复合桩基础的受力机理不符。但进一步的分析发现，实测结果与理论分析不一致，系实测数据采集范围受限所致。桩顶反力计均集中布置在主楼中部范围，缺少周边桩顶反力监测数据，未能真实反映出桩基础分担荷载的整体情况；而根据有关研究[3]，受厚度较大的筏板“架越作用”的影响，推测其后续增加的荷载应多由边端基桩分担，因此中部基桩分担荷载增幅不大。根据第二阶段地基土反力基本保持不变也可以推测出，此阶段增加的荷载主要由桩基础承担。

4　结语

(1)两阶段变刚度复合桩基础在第一阶段主要由地基土承担荷载；到第二阶段，后续荷载主要由端承型桩承担。

(2)两阶段变刚度复合桩基础的沉降变形呈现明显的两阶段特征，基础沉降主要发生在第一阶段，第二阶段沉降量很小，可以忽略不计；此外，实测沉降量远小于理论估算值，则采用规范推荐公式进行沉降计算时，应结合当地工程经验，考虑对计算结果进一步折减。

(3)两阶段变刚度复合桩基础在第一阶段的基底土应力的特性与常规筏板基础相似，呈现边端大、中部小的“马鞍形”分布规律。

(4)实测基底反力小于理论计算值，初步分析其影响因素有：地下水的浮托作用、纯地下室部分对主楼荷载的扩散作用、土压力盒的精度以及其它人为因素等，尚有进一步研究和探查的必要。

(5)主楼与纯地下室交界处外侧一定范围内，地下室对主楼荷载扩散作用明显，该范围地基土反力实测值大于计算值，应引起注意。

[1]林树枝，郭天祥，何波.两阶段变刚度端承桩复合桩基的设计及应用[J].福建建筑，2010(005)：1-4.

[2]高大钊.土力学与基础工程[M].北京：中国建筑工业出版社，1999.

[3]华南理工大学，浙江大学,等.基础工程(第二版)[M].北京：中国建筑工业出版社，2008.9：68-73.

郭天祥(1971.3-)，男，高级工程师,主要从事结构设计方面的研究。

林树枝(1963.5- )，男，教授级高级工程师,主要从事结构工程、地基基础方面的研究。

汪亚建(1984.9-)，男，工程师,主要从事结构设计方面的研究。

郑智辉(1985.8-)，男，工程师,主要从事结构设计方面的研究。

Field testing on composite pile foundation of two phase variable stiffness for Dangdai tianjing

GUOTianxiang1LINShuzhi2WANGYajian1ZHENGZhihui1

(1.Xiamen New Urban Architectural Design Institute Co.,Ltd.,Xiamen 361012;2.Xiamen Construction Bureau,Xiamen 361003)

In this paper, the field test of the composite pile foundation is introduced, through the arrangement of settlement observation point, soil pressure box and axial force meter measuring instrument to collect field data. Respectively from the the settlement, soil stress, pile force and load sharing ratio analysis of composite pile foundation, the rationality of the working mechanism in theory and reference for engineering design were verfied.

Two phase variable stiffness；Composite pile foundation；Field testing

厦门市建设科技计划(2011-2-2)资助项目。

郭天祥(1971.3-)，男，高级工程师。

2015-09-01

TU47

A

1004-6135(2016)01-0030-05