密肋復合墻結(jié)構筏板基礎基底反力實測分析研究
張蔭， 袁洋， 方運澤， 賀菁
（西安建筑科技大學土木工程學院，西安710055）
[摘要] 為了研究密肋復合墻結(jié)構筏板基礎基底反力的分布規(guī)律，對基底反力進行了現(xiàn)場原位測試。在現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)的基礎上，繪制出各軸線的基底反力分布曲線，得到密肋復合墻結(jié)構筏板基礎基底反力的分布規(guī)律以及影響基底反力分布的因素。分析結(jié)果表明：密肋復合墻結(jié)構筏板基礎基底反力的分布與地基土的組成構造、基礎的橫縱剛度及上部結(jié)構與地基基礎的共同作用有關，在縱向軸線上基底反力實測曲線不呈現(xiàn)規(guī)律性的馬鞍形或凹拋物線形分布，在橫向軸線上基底反力實測曲線則呈現(xiàn)明顯的馬鞍形分布。
[關鍵詞]密肋復合墻結(jié)構；筏板基礎；基底反力；原位測試
0 引言
密肋復合墻結(jié)構是一種充分利用粉煤灰等工業(yè)廢渣替代粘土磚的輕質(zhì)、高強、節(jié)能、抗震的建筑結(jié)構新體系。它主要由預制密肋復合墻板與隱形外框及樓蓋現(xiàn)澆而成。邊框柱（連接柱）和暗梁形成的隱形框架連接并約束密肋復合墻板，形成密肋復合墻體（圖1）。但隨著密肋復合墻結(jié)構體系的逐漸推廣，相比其他功能相同的結(jié)構，其基礎下基底反力的分布如何，影響基底反力分布的因素又有哪些，均需要現(xiàn)場實測資料來分析研究，但目前關于密肋復合墻結(jié)構基礎下基底反力的實測資料甚少。
因此，本文通過對密肋復合墻結(jié)構體系基底反力進行現(xiàn)場原位測試，查明其基礎基底反力的分布規(guī)律及影響因素，以期為研究密肋復合墻結(jié)構與地基基礎相互作用的理論分析與數(shù)值計算提供參考依據(jù)，同時也為這一體系在全國的應用及推廣提供更重要的理論依據(jù)。
1 工程概況及地基土概況
1.1工程概況
本工程位于河南省蘭考縣縣城南部、迎賓大道與中州路交叉口西南角，為一棟8層密肋復合墻結(jié)構住宅樓，主體高度為23. 3m，一層至七層層高均為2. 9m，樓板厚100mm．八層層高3.0m，樓板厚120mm，復合墻板厚200mm。樓板、隱形外框柱、外框梁混凝土強度等級均為C30。采用筏板基礎，筏板基礎厚400mm，埋深1.5m，懸挑長度為1 000mm，混凝土強度等級為C35。
1.2工程地質(zhì)概況與地基方案選擇
根據(jù)區(qū)域資料，該場地所處的地貌單元屬黃河泛濫沖積平原，場地土質(zhì)分布均勻。由該場地工程地質(zhì)條件可知，由于第①層填土下部分布有淤泥層，不宜作為持力層。第②層粉土分布穩(wěn)定、厚度變化小、埋藏相對較淺、承載力相對較高、變形小，若采用天然地基方案，適宜作為持力層，則第③層粉土為下臥層。通過對持力層、下臥層強度進行驗算可知，持力層強度滿足要求，下臥層強度不滿足要求，因此不能采用天然地基方案。
根據(jù)該場地的工程地質(zhì)條件及建筑物荷載相對較小的特點，若采用水泥土攪拌樁復合地基方案，建議處理深度為11.0m（從自然地面高程算起，具體深度以電流強度控制），以第⑦層粉土作為樁端持力層，對水泥土攪拌樁復合地基進行方案論證，水泥土攪拌樁復合地基承載力特征值f。。≥170kPa，滿足要求。根據(jù)《建筑地基處理技術規(guī)范》( JGJ 79-2012)式(11.2.9-2)，結(jié)合開封地區(qū)的有關經(jīng)驗，綜合確定復合地基壓縮模量。各土層物理力學性質(zhì)指標參見表1。
2 基底反力量測
2.1壓力盒埋設方法
壓力盒采用HXY-2型單膜土壓力計（系振弦式結(jié)構），對基底反力進行量測時，采用HQ-16T型振弦頻率儀進行數(shù)據(jù)采集（采集數(shù)據(jù)為頻率），再用土壓力計標定表將頻率換算為壓力值。
壓力盒埋設前的準備工作：記下壓力盒的產(chǎn)品編號，用塑料袋包扎緊。在埋設前，應根據(jù)工程設計圖選定有代表性的位置進行埋設，且按照編號一一對應。將13個壓力盒埋設在基礎褥墊層，其中4個壓力盒埋設于單榀密肋墻板下的基礎褥墊層。將編號為1~4，5—13的壓力盒的電纜線從埋設點引出后，分別集中布置在2個集中箱里。為了防止施工破壞測試，將集中箱埋設在建筑物兩側(cè)，如圖2所示。
2.2測試方法
根據(jù)實測需要，共埋設13個壓力盒，壓力盒的平面布置以測定基底縱、橫兩向較有代表性的反力分布規(guī)律為原則，根據(jù)建筑物的對稱，布置在建筑物基礎平面的范圍內(nèi)，多數(shù)設置在筏板基礎縱、橫墻所處軸線位置上及其交點處，也有少數(shù)埋在單榀密肋復合墻下的基礎褥墊層，用以觀察單榀密肋復合墻下基底反力的分布規(guī)律，布置情況如圖3所示。
3 基底反力實測結(jié)果與分析
3.1跟蹤測試情況簡介
在基坑開挖到位后，按照上述壓力盒的埋設方法，將壓力盒一次性埋設在預先選定的位置，隨著該工程的施工進度，總共進行了4次反力測試，持續(xù)近一年。整理測試數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，埋設的13個壓力盒中，只有編號5的壓力盒失效，其余12個壓力盒從工程開始施工到工程竣工均正常工作，成功率為92. 3%。
工程實測的施工程序是：首先對地基進行處理，待基坑開挖至工程設計要求標高后，鋪設粗砂墊層，將壓力盒埋設于粗砂墊層，隨后施工混凝土墊層，接著進行基礎施工，待基礎施工完畢后及時回填基坑，然后按施工順序由下而上逐層施工。2013年10月10日復合地基施工完，埋設壓力盒，測量初始壓力；2013年11月15日基礎施工完成后進行測量，此后回填土到樓底標高處；2014年3月20日上部結(jié)構施工至四層時進行測量；2014年6月15日上部結(jié)構施工完畢后（未裝飾裝修）進行測量。
3.2各測點基底反力隨樓層增加的關系曲線
將所測數(shù)據(jù)進行整理，繪制該工程各測點的實測基底反力與主體結(jié)構高度的變化曲線，以測點10~ 12為例，如圖4所示。由圖4可知，通過壓力盒測得的各測點的基底反力與建筑物高度基本呈線性增長，這說明壓力盒作為測量手段，在定量方面雖有一定的誤差，但作為定性分析能夠滿足要求，并且能夠反映基底反力變化的規(guī)律。因此，可以將此次密肋復合墻結(jié)構筏板基礎基底反力的實測結(jié)果作為研究分析密肋復合墻結(jié)構與地基基礎相互作用的有力依據(jù)。
圖5為各測點基底反力與施工進度（時間）的變化曲線。由圖5可知，地基上各測點的基底反力隨著上部結(jié)構施工層數(shù)的增加而逐漸增大，即基底反力隨著荷載的增大而增大，在2013年11月15日測得的基底反力增長較快，此后增長較緩慢。這是由于復合地基的壓縮變形與卸荷回彈小，且在2013年11月基礎施工完畢后，開始進行基坑回填，回填土導致這些測點附近的覆蓋壓力增長較快，導致基底反力迅速增大。
3.3基底反力的分布規(guī)律
基底反力分布規(guī)律如圖6所示，由圖6可以看出：
(1)在2013年11月基礎施工完畢后，基底反力的分布形態(tài)已基本形成，這是由于此時結(jié)構處于自重應力階段，即基礎施工完畢后的荷載相當于土自重應力階段，在這個階段已基本完成了基底反力的不均勻分布形態(tài)。此后，基底反力的分布形狀保持不變，以后各階段的基底反力增量基本趨于均勻。
(2)如果將基礎筏板帶看成一個連續(xù)梁，垂直于板帶的軸線為支座，基底壓力看成作用在該連續(xù)梁上的荷載，那么該荷載的分布規(guī)律是：荷載分布呈波浪形，支座處荷載最大，跨中荷載最小。由圖6(a)可以看出，單榀密肋復合墻下基底反力的分布呈波浪形，在基礎單榀墻板位置處的壓力盒3的實測基底反力值均較支座處的反力值小，在主體結(jié)構封頂后約小于支座反力的1.4~2.2倍，且兩端的基底反力均比中間大，這是由于支座處的剛度大于跨中的剛度，導致基底反力在支座處集中。
(3)通常由于上部結(jié)構一基礎一地基共同作用而產(chǎn)生“架越”現(xiàn)象，使得基礎基底反力曲線呈現(xiàn)馬鞍形或凹拋物線形。但從圖6(b)可知，本建筑物在基礎中心縱向軸線上，實測基底反力分布曲線并不呈現(xiàn)馬鞍形或凹拋物線形，且沒有明顯的分布規(guī)律，基底反力沿X軸呈現(xiàn)不均勻的分布形態(tài)。因為本建筑物上部結(jié)構參與“架越作用”并不顯著，基礎的縱向長度長，上部結(jié)構與基礎在縱向即長向剛度不足，且地基是復合地基，其復合壓縮模量高達20MPa，壓縮性低，這時在柱（墻）下的小范圍內(nèi)，上部結(jié)構傳來的荷載將直接由地基土所承擔，因此不能形成上部結(jié)構一基礎一地基三者的“架越作用”，即不能與地基基礎形成“完全”共同作用。
除了施工條件外，相鄰建筑物的遠近和平面布置形式也是一個重要影響因素。本建筑物的東邊有一棟在建的建筑物，此建筑物與本建筑物幾乎是同時建造的，由于相鄰建筑物的荷載影響，本建筑物中間的沉降增加量比端部小，使得基礎端部與地基土的接觸逐漸發(fā)生懈弛而形成基底反力卸載，其卸載的基底反力向基礎縱向中部轉(zhuǎn)移，這種現(xiàn)象從基礎剛度形成一直延續(xù)到建筑物封頂。
(4)橫向基底反力分布規(guī)律呈馬鞍形，隨著上部結(jié)構荷載的增加，各測點的基底反力值在均勻增大，而基底反力分布基本保持不變，如圖6(c)所示。主要因為建筑物橫向長度較短，此時上部結(jié)構與基礎的橫向高寬比為2.1，縱向為0.6，橫向是縱向的3.5倍，雖然復合地基壓縮模量E沒變，但是橫向剛度大幅增大，使得上部結(jié)構參與相互作用，基底反力向邊緣集中。隨著上部結(jié)構層數(shù)的增加，上部密肋復合墻結(jié)構與筏基形成的整體密肋結(jié)構體系的剛度逐漸增大，而此時結(jié)構逐漸發(fā)生不均勻沉降，使受拉狀態(tài)的筏基在開裂后剛度減小，筏基兩端上翹趨勢逐漸明顯，反力在基底兩端則逐漸減小。但上部結(jié)構約束基礎的上翹，使上部結(jié)構內(nèi)力產(chǎn)生了重分布，邊、角柱軸力加大，中間柱軸力減小，基礎承受反向彎矩，導致基礎承受整體彎曲的總彎矩減小，使結(jié)構基底反力在橫向呈馬鞍形分布。
4 不同地基基底反力分布規(guī)律的比較分析
(1)對于一般軟黏土地基，基礎中心處的基底反力小于邊緣處的基底反力，且隨著地基土壓縮性的增大，基底反力分布越來越平緩均勻，當?shù)鼗鶠檐涴ね恋鼗鶗r，在基礎長向，基礎基底反力分布為馬鞍形，在基礎短向，基底反力分布則為拋物線形。
(2)對于砂土地基或砂卵石地基，當上部結(jié)構在某一方向有足夠剛度可以形成共同作用時，基底反力向基礎邊緣集中的趨勢比一般軟黏土地基要強烈，有實測結(jié)果反映基底邊緣處的最大反力為中心處最小值的2倍。這主要是由于砂卵石地基相對黏土和軟土地基壓縮性小，砂卵石地基不易發(fā)生脆性破壞，即形成接觸應力向中心發(fā)展所需要的荷載是相當大的。
(3)對于巖石地基，與土質(zhì)地基相比，基礎基底反力向基底中心及邊緣集中趨勢較強烈，基底反力分布的特點是從基礎邊緣到中心先減小再增大，在基礎中心和邊緣皆出現(xiàn)反力集中的現(xiàn)象。對于軟弱巖基，其基底反力的特點是邊緣大、中間小，反力在基礎邊緣和中部相差較大，非線性特征較明顯。
(4)對于復合地基，其壓縮性小、強度高，類似于砂卵石地基，基底反力的分布也類似于砂卵石地基，即基底反力在基礎邊緣的集中趨勢比一般軟黏土地基集中趨勢要強烈。
5 結(jié)論
(1)密肋復合墻結(jié)構體系基底反力的分布與一般結(jié)構體系基底反力的分布大體相同，本文整理分析了單榀密肋復合墻下基礎的基底壓力分布特點及規(guī)律。單榀密肋復合墻下基底反力的分布呈波浪形，兩端的基底反力均比中間大。
(2)基底反力的大小與地基土的組成構造有密切的關系，依據(jù)土的力學性質(zhì)的不同，基底反力的分布也不盡相同。隨著地基土壓縮模量及強度的增大，基礎的“架越作用”也逐漸增強。由于本工程為復合地基，壓縮性低，類似于砂卵石地基，密肋復合墻結(jié)構體系縱向剛度小，縱向基底反力的分布并不呈現(xiàn)馬鞍形或凹拋物線形；同時結(jié)構基礎橫向剛度大，橫向基底反力的分布呈現(xiàn)馬鞍形。
(3)基底反力的分布還與相鄰建筑物的遠近及平面布置形式有關。由于縱向相鄰建筑物的影響，基礎端部與地基土的接觸逐漸發(fā)生懈弛而形成基底反力卸載，其卸載的基底反力向基礎縱向中部轉(zhuǎn)移。
