密肋复合墙结构筏板基础基底反力实测分析研究

 张荫，  袁洋，  方运泽，  贺菁

 （西安建筑科技大学土木工程学院，西安710055）

[摘要]  为了研究密肋复合墙结构筏板基础基底反力的分布规律，对基底反力进行了现场原位测试。在现场测试数据的基础上，绘制出各轴线的基底反力分布曲线，得到密肋复合墙结构筏板基础基底反力的分布规律以及影响基底反力分布的因素。分析结果表明：密肋复合墙结构筏板基础基底反力的分布与地基土的组成构造、基础的横纵刚度及上部结构与地基基础的共同作用有关，在纵向轴线上基底反力实测曲线不呈现规律性的马鞍形或凹抛物线形分布，在横向轴线上基底反力实测曲线则呈现明显的马鞍形分布。

[关键词]密肋复合墙结构；筏板基础；基底反力；原位测试

0  引言

密肋复合墙结构是一种充分利用粉煤灰等工业废渣替代粘土砖的轻质、高强、节能、抗震的建筑结构新体系。它主要由预制密肋复合墙板与隐形外框及楼盖现浇而成。边框柱（连接柱）和暗梁形成的隐形框架连接并约束密肋复合墙板，形成密肋复合墙体（图1）。但随着密肋复合墙结构体系的逐渐推广，相比其他功能相同的结构，其基础下基底反力的分布如何，影响基底反力分布的因素又有哪些，均需要现场实测资料来分析研究，但目前关于密肋复合墙结构基础下基底反力的实测资料甚少。

 因此，本文通过对密肋复合墙结构体系基底反力进行现场原位测试，查明其基础基底反力的分布规律及影响因素，以期为研究密肋复合墙结构与地基基础相互作用的理论分析与数值计算提供参考依据，同时也为这一体系在全国的应用及推广提供更重要的理论依据。

1  工程概况及地基土概况

1.1工程概况

 本工程位于河南省兰考县县城南部、迎宾大道与中州路交叉口西南角，为一栋8层密肋复合墙结构住宅楼，主体高度为23. 3m，一层至七层层高均为2. 9m，楼板厚100mm．八层层高3.0m，楼板厚120mm，复合墙板厚200mm。楼板、隐形外框柱、外框梁混凝土强度等级均为C30。采用筏板基础，筏板基础厚400mm，埋深1.5m，悬挑长度为1 000mm，混凝土强度等级为C35。

1.2工程地质概况与地基方案选择

 根据区域资料，该场地所处的地貌单元属黄河泛滥冲积平原，场地土质分布均匀。由该场地工程地质条件可知，由于第①层填土下部分布有淤泥层，不宜作为持力层。第②层粉土分布稳定、厚度变化小、埋藏相对较浅、承载力相对较高、变形小，若采用天然地基方案，适宜作为持力层，则第③层粉土为下卧层。通过对持力层、下卧层强度进行验算可知，持力层强度满足要求，下卧层强度不满足要求，因此不能采用天然地基方案。

根据该场地的工程地质条件及建筑物荷载相对较小的特点，若采用水泥土搅拌桩复合地基方案，建议处理深度为11.0m（从自然地面高程算起，具体深度以电流强度控制），以第⑦层粉土作为桩端持力层，对水泥土搅拌桩复合地基进行方案论证，水泥土搅拌桩复合地基承载力特征值f。。≥170kPa，满足要求。根据《建筑地基处理技术规范》( JGJ 79-2012)式(11.2.9-2)，结合开封地区的有关经验，综合确定复合地基压缩模量。各土层物理力学性质指标参见表1。

2  基底反力量测

2.1压力盒埋设方法

 压力盒采用HXY-2型单膜土压力计（系振弦式结构），对基底反力进行量测时，采用HQ-16T型振弦频率仪进行数据采集（采集数据为频率），再用土压力计标定表将频率换算为压力值。

压力盒埋设前的准备工作：记下压力盒的产品编号，用塑料袋包扎紧。在埋设前，应根据工程设计图选定有代表性的位置进行埋设，且按照编号一一对应。将13个压力盒埋设在基础褥垫层，其中4个压力盒埋设于单榀密肋墙板下的基础褥垫层。将编号为1~4，5—13的压力盒的电缆线从埋设点引出后，分别集中布置在2个集中箱里。为了防止施工破坏测试，将集中箱埋设在建筑物两侧，如图2所示。

2.2测试方法

根据实测需要，共埋设13个压力盒，压力盒的平面布置以测定基底纵、横两向较有代表性的反力分布规律为原则，根据建筑物的对称，布置在建筑物基础平面的范围内，多数设置在筏板基础纵、横墙所处轴线位置上及其交点处，也有少数埋在单榀密肋复合墙下的基础褥垫层，用以观察单榀密肋复合墙下基底反力的分布规律，布置情况如图3所示。

3  基底反力实测结果与分析

3.1跟踪测试情况简介

 在基坑开挖到位后，按照上述压力盒的埋设方法，将压力盒一次性埋设在预先选定的位置，随着该工程的施工进度，总共进行了4次反力测试，持续近一年。整理测试数据发现，埋设的13个压力盒中，只有编号5的压力盒失效，其余12个压力盒从工程开始施工到工程竣工均正常工作，成功率为92. 3%。

 工程实测的施工程序是：首先对地基进行处理，待基坑开挖至工程设计要求标高后，铺设粗砂垫层，将压力盒埋设于粗砂垫层，随后施工混凝土垫层，接着进行基础施工，待基础施工完毕后及时回填基坑，然后按施工顺序由下而上逐层施工。2013年10月10日复合地基施工完，埋设压力盒，测量初始压力；2013年11月15日基础施工完成后进行测量，此后回填土到楼底标高处；2014年3月20日上部结构施工至四层时进行测量；2014年6月15日上部结构施工完毕后（未装饰装修）进行测量。

3.2各测点基底反力随楼层增加的关系曲线

将所测数据进行整理，绘制该工程各测点的实测基底反力与主体结构高度的变化曲线，以测点10~ 12为例，如图4所示。由图4可知，通过压力盒测得的各测点的基底反力与建筑物高度基本呈线性增长，这说明压力盒作为测量手段，在定量方面虽有一定的误差，但作为定性分析能够满足要求，并且能够反映基底反力变化的规律。因此，可以将此次密肋复合墙结构筏板基础基底反力的实测结果作为研究分析密肋复合墙结构与地基基础相互作用的有力依据。

图5为各测点基底反力与施工进度（时间）的变化曲线。由图5可知，地基上各测点的基底反力随着上部结构施工层数的增加而逐渐增大，即基底反力随着荷载的增大而增大，在2013年11月15日测得的基底反力增长较快，此后增长较缓慢。这是由于复合地基的压缩变形与卸荷回弹小，且在2013年11月基础施工完毕后，开始进行基坑回填，回填土导致这些测点附近的覆盖压力增长较快，导致基底反力迅速增大。

3.3基底反力的分布规律

 基底反力分布规律如图6所示，由图6可以看出：

 (1)在2013年11月基础施工完毕后，基底反力的分布形态已基本形成，这是由于此时结构处于自重应力阶段，即基础施工完毕后的荷载相当于土自重应力阶段，在这个阶段已基本完成了基底反力的不均匀分布形态。此后，基底反力的分布形状保持不变，以后各阶段的基底反力增量基本趋于均匀。

 (2)如果将基础筏板带看成一个连续梁，垂直于板带的轴线为支座，基底压力看成作用在该连续梁上的荷载，那么该荷载的分布规律是：荷载分布呈波浪形，支座处荷载最大，跨中荷载最小。由图6(a)可以看出，单榀密肋复合墙下基底反力的分布呈波浪形，在基础单榀墙板位置处的压力盒3的实测基底反力值均较支座处的反力值小，在主体结构封顶后约小于支座反力的1.4~2.2倍，且两端的基底反力均比中间大，这是由于支座处的刚度大于跨中的刚度，导致基底反力在支座处集中。

(3)通常由于上部结构一基础一地基共同作用而产生“架越”现象，使得基础基底反力曲线呈现马鞍形或凹抛物线形。但从图6(b)可知，本建筑物在基础中心纵向轴线上，实测基底反力分布曲线并不呈现马鞍形或凹抛物线形，且没有明显的分布规律，基底反力沿X轴呈现不均匀的分布形态。因为本建筑物上部结构参与“架越作用”并不显著，基础的纵向长度长，上部结构与基础在纵向即长向刚度不足，且地基是复合地基，其复合压缩模量高达20MPa，压缩性低，这时在柱（墙）下的小范围内，上部结构传来的荷载将直接由地基土所承担，因此不能形成上部结构一基础一地基三者的“架越作用”，即不能与地基基础形成“完全”共同作用。

 除了施工条件外，相邻建筑物的远近和平面布置形式也是一个重要影响因素。本建筑物的东边有一栋在建的建筑物，此建筑物与本建筑物几乎是同时建造的，由于相邻建筑物的荷载影响，本建筑物中间的沉降增加量比端部小，使得基础端部与地基土的接触逐渐发生懈弛而形成基底反力卸载，其卸载的基底反力向基础纵向中部转移，这种现象从基础刚度形成一直延续到建筑物封顶。

 (4)横向基底反力分布规律呈马鞍形，随着上部结构荷载的增加，各测点的基底反力值在均匀增大，而基底反力分布基本保持不变，如图6(c)所示。主要因为建筑物横向长度较短，此时上部结构与基础的横向高宽比为2.1，纵向为0.6，横向是纵向的3.5倍，虽然复合地基压缩模量E没变，但是横向刚度大幅增大，使得上部结构参与相互作用，基底反力向边缘集中。随着上部结构层数的增加，上部密肋复合墙结构与筏基形成的整体密肋结构体系的刚度逐渐增大，而此时结构逐渐发生不均匀沉降，使受拉状态的筏基在开裂后刚度减小，筏基两端上翘趋势逐渐明显，反力在基底两端则逐渐减小。但上部结构约束基础的上翘，使上部结构内力产生了重分布，边、角柱轴力加大，中间柱轴力减小，基础承受反向弯矩，导致基础承受整体弯曲的总弯矩减小，使结构基底反力在横向呈马鞍形分布。

4  不同地基基底反力分布规律的比较分析

 (1)对于一般软黏土地基，基础中心处的基底反力小于边缘处的基底反力，且随着地基土压缩性的增大，基底反力分布越来越平缓均匀，当地基为软黏土地基时，在基础长向，基础基底反力分布为马鞍形，在基础短向，基底反力分布则为抛物线形。

 (2)对于砂土地基或砂卵石地基，当上部结构在某一方向有足够刚度可以形成共同作用时，基底反力向基础边缘集中的趋势比一般软黏土地基要强烈，有实测结果反映基底边缘处的最大反力为中心处最小值的2倍。这主要是由于砂卵石地基相对黏土和软土地基压缩性小，砂卵石地基不易发生脆性破坏，即形成接触应力向中心发展所需要的荷载是相当大的。

 (3)对于岩石地基，与土质地基相比，基础基底反力向基底中心及边缘集中趋势较强烈，基底反力分布的特点是从基础边缘到中心先减小再增大，在基础中心和边缘皆出现反力集中的现象。对于软弱岩基，其基底反力的特点是边缘大、中间小，反力在基础边缘和中部相差较大，非线性特征较明显。

 (4)对于复合地基，其压缩性小、强度高，类似于砂卵石地基，基底反力的分布也类似于砂卵石地基，即基底反力在基础边缘的集中趋势比一般软黏土地基集中趋势要强烈。

5  结论

 (1)密肋复合墙结构体系基底反力的分布与一般结构体系基底反力的分布大体相同，本文整理分析了单榀密肋复合墙下基础的基底压力分布特点及规律。单榀密肋复合墙下基底反力的分布呈波浪形，两端的基底反力均比中间大。

 (2)基底反力的大小与地基土的组成构造有密切的关系，依据土的力学性质的不同，基底反力的分布也不尽相同。随着地基土压缩模量及强度的增大，基础的“架越作用”也逐渐增强。由于本工程为复合地基，压缩性低，类似于砂卵石地基，密肋复合墙结构体系纵向刚度小，纵向基底反力的分布并不呈现马鞍形或凹抛物线形；同时结构基础横向刚度大，横向基底反力的分布呈现马鞍形。

 (3)基底反力的分布还与相邻建筑物的远近及平面布置形式有关。由于纵向相邻建筑物的影响，基础端部与地基土的接触逐渐发生懈弛而形成基底反力卸载，其卸载的基底反力向基础纵向中部转移。