高層結(jié)構(gòu)沉降及后澆帶設(shè)置的研究

高 強(qiáng)

（沈陽(yáng)航空航天大學(xué)，沈陽(yáng)110136）

0 引言

現(xiàn)階段，人們對(duì)建筑結(jié)構(gòu)和外觀的要求越來越高，各類復(fù)雜結(jié)構(gòu)相繼出現(xiàn)，帶有裙房的高層結(jié)構(gòu)已成為主流。隨著研究的深入，學(xué)者們發(fā)現(xiàn)高層地基與裙房地基的不均勻沉降已成為重點(diǎn)研究的問題。尤其是近幾年，由于地基不均勻沉降引發(fā)的建筑破壞越來越多，因此解決地基沉降問題已經(jīng)迫在眉睫。對(duì)于地基的不均勻沉降，解決的方法多為設(shè)置沉降縫和沉降后澆帶。雖然經(jīng)過數(shù)百年的發(fā)展，但是無論國(guó)內(nèi)國(guó)外幾乎沒有詳盡的計(jì)算理論和公式。在國(guó)內(nèi)外的規(guī)范中，對(duì)于沉降縫及后澆帶的設(shè)置也不盡相同，設(shè)計(jì)人員無確切條款可依，無法指導(dǎo)施工。因此如何恰當(dāng)?shù)卦O(shè)置沉降縫和沉降后澆帶，是當(dāng)前面臨的重要問題。

裙房指與高層建筑相連的建筑高度不超過24m的附屬建筑。由于裙房和高層建筑高度相差懸殊，自重相差較大，因此兩者地基沉降有很大的差別，這樣會(huì)對(duì)建筑物有很大的影響，重則可能引發(fā)樓體坍塌。目前，處理地基不均勻沉降的方法有2種：第1種是在主樓和裙房之間設(shè)置沉降縫。其設(shè)置方案通常有2種：1）基礎(chǔ)挑梁做法，基礎(chǔ)可以按常規(guī)的形式設(shè)置，在挑梁一側(cè)一般設(shè)置輕質(zhì)隔墻，沉降縫的另一側(cè)正常設(shè)置承重墻體。2）雙柱雙墻做法，沉降縫兩端的墻體都是承重墻體，因此樓體的封閉性和整體性較好。如果2個(gè)基礎(chǔ)之間的距離過小，可以設(shè)置2排交錯(cuò)的基礎(chǔ)，這樣還能夠解決基礎(chǔ)偏心受力的問題。設(shè)縫固然可以解決不均勻沉降問題，但是它給管線的設(shè)置帶來了不便，同時(shí)也給室內(nèi)外的裝修帶來了麻煩，如果有地下室，還可能有滲漏的問題。第2種是設(shè)置沉降后澆帶，它的主要原理是釋放初期帶來的沉降變形，設(shè)置后澆帶能很好地解決高層與裙房的差異沉降。但是通常都等到主樓封頂后才澆筑后澆帶，這使得整個(gè)工程的工期十分緊張，同時(shí)，后澆帶預(yù)留的時(shí)間過長(zhǎng)也會(huì)使施工變得復(fù)雜，難以保證施工的質(zhì)量。近些年，設(shè)計(jì)人員想出了2種高層與裙房之間不設(shè)縫的辦法［1］：第1種是高層和裙房采用不同的基礎(chǔ)形式，再設(shè)法減少不均勻沉降；第2種是把高層與裙房放在一個(gè)剛度極大的基礎(chǔ)上。但是這2種情況還有待于研究，目前，對(duì)于帶裙房的高層建筑來說，并沒有系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。

1 沉降計(jì)算研究現(xiàn)狀

地基產(chǎn)生的變形是由上部荷載所引起的，它將會(huì)使基礎(chǔ)發(fā)生沉降，由于樓體自重的存在，基礎(chǔ)沉降是不可避免的，在一定范圍內(nèi)是可以接受的。由于上部荷載不均勻，因此基礎(chǔ)的沉降也大不相同。如果基礎(chǔ)的沉降量超過一定的限值，就會(huì)對(duì)建筑物造成損壞，例如：門窗歪曲、墻體開裂、嚴(yán)重時(shí)還會(huì)使建筑物傾倒［2］。為了使建筑物處于正常使用狀態(tài)，首先就要對(duì)建筑物的基礎(chǔ)沉降量進(jìn)行預(yù)先的估算。如果沉降值在允許的范圍內(nèi)，建筑物處于安全狀態(tài)，反之，就要想出辦法來解決此問題。計(jì)算沉降量變得尤為重要，由于沉降量和很多因素有關(guān)，如地質(zhì)條件、氣象環(huán)境等，因此計(jì)算沉降量不是一件容易的事。理論聯(lián)系實(shí)際是計(jì)算沉降量的一個(gè)重要步驟，同時(shí)還要遵循所有的沉降守恒定律。下面介紹幾種常見的地基沉降的計(jì)算方法，主要包括2種：理論方法與數(shù)值方法。

1.1 理論和經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的沉降計(jì)算方法

這是一種半理論半經(jīng)驗(yàn)的方法，它是通過在長(zhǎng)期的工程實(shí)踐中測(cè)得數(shù)據(jù)總結(jié)出來的。將這些數(shù)據(jù)通過擬合得出公式，因此所得的公式具有實(shí)用性和可靠性。但是它也具有一定的缺陷，第一是地域性特別強(qiáng)。由于公式是由當(dāng)?shù)氐膶?shí)測(cè)數(shù)據(jù)得出的，因此只適用于計(jì)算當(dāng)?shù)氐某两盗浚坏┑赜蚋淖儯悴荒軠?zhǔn)確的計(jì)算。第二是所測(cè)數(shù)據(jù)的密集性和分散度。數(shù)據(jù)的密集性就是數(shù)據(jù)的多少，也就是數(shù)量，這直接關(guān)系到公式的精度，分散度就是公式的適用范圍，這也決定了公式是否適用。

1.2 考慮歷史條件下的沉降計(jì)算方法

1936年Casagrande在實(shí)驗(yàn)室測(cè)得前期固結(jié)土壓力，比較了現(xiàn)有的有效壓力，將黏性土劃分為次固結(jié)土、正常固結(jié)土和超固結(jié)土這3大類，次固結(jié)土是在現(xiàn)有自重壓力下未完全固結(jié)的土，正常固結(jié)土是現(xiàn)有自重壓力等于先期固結(jié)壓力的土，超固結(jié)土是先期固結(jié)壓力曾大于現(xiàn)有自重壓力的土，Casagrande還對(duì)地基土進(jìn)行沉降計(jì)算，不同的地基土采用不同的方法。

1.3 應(yīng)力路徑法計(jì)算地基沉降

1956年，我國(guó)的黃文熙提出了一個(gè)應(yīng)力路徑的計(jì)算方法。該方法以一維計(jì)算為基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上乘以一個(gè)比1大的系數(shù)，通過此方法來計(jì)算三向應(yīng)力沉降量［3］。在國(guó)外，Skempton－Bjerrum［4］也提出了一個(gè)以一維計(jì)算結(jié)果為基礎(chǔ)的計(jì)算方法，與國(guó)內(nèi)不同的是當(dāng)?shù)氐牡鼗翞榍饭探Y(jié)土，乘以的系數(shù)小于1。1966年，Lambe［5］借助的前人的研究提出了應(yīng)力路徑法來計(jì)算地基沉降，通過繪制豎向應(yīng)變與有效應(yīng)力路徑的關(guān)系曲線，為沉降量的計(jì)算提供了依據(jù)。應(yīng)力路徑法能夠分析多種應(yīng)力狀態(tài)下的沉降值，這種方法的精準(zhǔn)度較其他方法相比提高很大，但是這種方法對(duì)試驗(yàn)操作過程要求很嚴(yán)格，因此在很大程度上限制了適用范圍。1970年，D'appolonia［6］提出了一種新的方法，它的創(chuàng)新點(diǎn)是研究梯形荷載。1976年，Simons［7］研究了堤壩地基的沉降量。1985年，Mesri［8］提出了孔隙比與有效應(yīng)力和時(shí)間具有函數(shù)關(guān)系，通過這2個(gè)變量求出孔隙比，最后求出沉降量。

1.4 由變形特征進(jìn)行沉降計(jì)算

在上部荷載作用下，地基會(huì)發(fā)生一定的變化，土?xí)l(fā)生3次沉降，首先是初始沉降，然后是主固結(jié)沉降和次固結(jié)沉降，由于土有剪切蠕變和壓縮蠕變，土在發(fā)生主固結(jié)沉降時(shí)，次固結(jié)沉降同時(shí)發(fā)生，因此將主次固結(jié)沉降分開有一定難度。對(duì)初始沉降而言，彈性力學(xué)可以解決初始沉降量，地基還能夠產(chǎn)生塑性變形，因此在計(jì)算時(shí)讓初始沉降值乘以一個(gè)小于1的系數(shù)。

1.5 沉降的數(shù)值計(jì)算方法［9］

沉降的數(shù)值計(jì)算方法大致有4種：有限元分析法、邊緣分析法、變分法、加權(quán)余量法。有限元法和邊緣分析法是目前最常用的。它們能夠很好地解決彈塑性問題和黏塑性問題，能夠計(jì)算出各個(gè)時(shí)期的固結(jié)沉降值，對(duì)施工分期加載進(jìn)行精準(zhǔn)的模擬。以上提到的數(shù)值方法，它們具有一定的優(yōu)勢(shì)，但是也都有缺陷，那就是參數(shù)的選取。如果選取的不合乎實(shí)際，便會(huì)導(dǎo)致軟件計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)值相差較大。因此用軟件計(jì)算沉降量時(shí)，設(shè)計(jì)者應(yīng)該對(duì)結(jié)果具備分析和判斷的能力。

1.6 地基沉降計(jì)算的綜合法

綜合法就是人工測(cè)量和計(jì)算機(jī)理論計(jì)算相結(jié)合的方法，這2種方法對(duì)比得出地基沉降值，并提供給設(shè)計(jì)人員。隨著方法的多樣化、參數(shù)選取的合理化、積累的沉降數(shù)據(jù)越來越多、計(jì)算機(jī)功能更加強(qiáng)大，這使得通過計(jì)算機(jī)對(duì)地基沉降的計(jì)算更加準(zhǔn)確。

2 沉降后澆帶的研究情況

后澆帶是為了適應(yīng)環(huán)境溫度變化、混凝土收縮、結(jié)構(gòu)不均勻沉降等因素影響，在梁、板（包括基礎(chǔ)底板）、墻等結(jié)構(gòu)中預(yù)留的具有一定寬度且經(jīng)過一定時(shí)間后再澆筑的混凝土帶。沉降后澆帶有兩大優(yōu)勢(shì)：第一是能夠很好地解決不均勻沉降，第二是能夠減少溫度應(yīng)力帶來的影響［10］。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)沉降后澆帶的系統(tǒng)計(jì)算理論還不夠了解，國(guó)內(nèi)外的規(guī)范也大不相同，這給設(shè)計(jì)者帶來了很多不便，以至于設(shè)置不夠合理。

為此，很多學(xué)者從不同角度，對(duì)該問題進(jìn)行了探索與研究，取得了一定的成就。1999年，趙錫宏［11］提出設(shè)置沉降后澆帶應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)沉降觀測(cè)的結(jié)果，來校核與修正差異沉降，確定后澆帶的澆注時(shí)間。同年，李寅華、趙錫宏、朱靈平、馮兆順［12］以上海某帶裙房的高層為例，通過沉降觀測(cè)和理論分析來指導(dǎo)施工，并指出該類高層與裙房之間的作用機(jī)理，配合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)沉降值，為不設(shè)置后澆帶提供了有利的依據(jù)。2000年，魯松［13］通過研究沉降觀測(cè)資料，提出高層建筑施工的后澆帶可以提前封閉。2007年，朱浩［14］提出了一種確定整體建筑基礎(chǔ)沉降后澆帶時(shí)間點(diǎn)的簡(jiǎn)化方法，并以上海某多塔樓工程為例，實(shí)地應(yīng)用。2007年，黃子貺［10］歸納出沉降后澆帶作用的變化規(guī)律，提出了確定后澆帶設(shè)置位置及后澆帶的封閉時(shí)間的建議。2009年，馬衛(wèi)生、梁鳳嶺［15］指出實(shí)際工程中，可以綜合考慮實(shí)際加載量與建筑最終荷載的比值、理論沉降量與實(shí)測(cè)沉降量的比值等因素，合理調(diào)整各部位的沉降差，可以提前封閉沉降后澆帶。2011年，葉家強(qiáng)、遲鈴泉［16］采用有限元軟件模擬沉降后澆帶的封閉與否，最后提出提前封閉沉降后澆帶不會(huì)使上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大次應(yīng)力。

3 地基類型對(duì)沉降量及沉降后澆帶的影響

2010年，馬安東［17］對(duì)硬質(zhì)巖地基超高層結(jié)構(gòu)沉降及后澆帶設(shè)置問題進(jìn)行了研究。硬巖地基高層結(jié)構(gòu)總體沉降較小，高層主體沉降值大約為8～30mm，裙房的沉降值大約為4～35mm。初期，基礎(chǔ)沉降較快，后期趨于穩(wěn)定。對(duì)于硬質(zhì)巖地基而言，多數(shù)工程都沒有考慮不均勻沉降問題，高層主體和裙房的沉降相差很小，基本都小于6mm。因此硬質(zhì)巖地基的高層建筑有些可以不設(shè)置沉降后澆帶。根據(jù)理論結(jié)果和有限元分析結(jié)果，并與工程相結(jié)合，給出不設(shè)置后澆帶的硬質(zhì)巖基地建筑高度范圍。同時(shí)也采用有限元模擬，考慮多種情況組合下，硬巖地基高層建筑差異沉降的變化，綜合前人的研究，并結(jié)合實(shí)際工程的經(jīng)驗(yàn)，提出硬巖地基高層帶裙房結(jié)構(gòu)，提前封閉或取消沉降后澆帶的一般條件。

2010年，李才成［18］對(duì)復(fù)合地基高層結(jié)構(gòu)沉降及后澆帶設(shè)置問題進(jìn)行了研究。復(fù)合地基高層建筑沉降量不大，主樓的沉降量不大于100mm，裙房的沉降量在4～20mm之間，初期沉降變化較大，后期較平穩(wěn)。以實(shí)際工程為例采用不同的方法計(jì)算建筑物的沉降量，對(duì)比分析了工程中實(shí)際的沉降量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)有限元計(jì)算的沉降值略小于工程實(shí)際沉降值，有限元的計(jì)算結(jié)果偏于保守。綜合前人的研究，并結(jié)合實(shí)際工程的經(jīng)驗(yàn)，給出了建筑物在不同高度下，沉降后澆帶的封閉建議時(shí)間范圍。

2012年，桂芳［19］對(duì)軟巖地基高層結(jié)構(gòu)沉降及后澆帶設(shè)置問題進(jìn)行了研究。軟巖地基高層結(jié)構(gòu)總體沉降良好，沉降量較小，差異沉降不突出，在一定情況下，可以提前封閉或取消沉降后澆帶。對(duì)規(guī)范法中軟巖地基沉降計(jì)算進(jìn)行了研究，指出了理論計(jì)算中的不足，按規(guī)范法手算實(shí)際工程的差異沉降，并利用軟件擬合回歸，給出了相應(yīng)的計(jì)算公式。利用有限元軟件，對(duì)不同情況進(jìn)行分析，結(jié)果表明：在一般情況下，沉降后澆帶能承受的差異沉降大約1cm。同時(shí)也考慮了多種情況組合下，軟巖地基高層建筑差異沉降的變化，綜合前人的研究，并結(jié)合實(shí)際工程的經(jīng)驗(yàn)，提出軟巖地基高層帶裙房結(jié)構(gòu)提前封閉或取消沉降后澆帶的一般條件，詳見其原文。

4 結(jié)語(yǔ)

1）分析了目前高層建筑和裙房地基的不均勻沉降問題，詳細(xì)地介紹了沉降計(jì)算的研究現(xiàn)狀，并詳細(xì)地給出了6種理論計(jì)算方法。

2）簡(jiǎn)單介紹了沉降后澆帶的作用，并詳細(xì)介紹了國(guó)內(nèi)對(duì)沉降后澆帶的研究進(jìn)展。

3）介紹了3種地基類型對(duì)沉降量和沉降后澆帶的影響。分別對(duì)硬質(zhì)巖地基、軟質(zhì)巖地基和復(fù)合地基進(jìn)行理論分析和有限元模擬分析，并結(jié)合工程實(shí)例提出經(jīng)驗(yàn)公式和一些建議。

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