西安某高层住宅楼倾斜原因分析-赵晓峰

1 西安某高层住宅楼倾斜原因分析 赵晓峰 中国有色金属工业西安勘察设计研究院邮编 西安 摘要 摘要 地基变形计算与分析是整个地基基础工程中的难题之一 至今还没有完全解决 本文采用多种方法 从不同角度和侧面对某已建高层建筑倾斜的原因进行全面系统地分析与研究 得出了科学而准确的结论 为今后类似工程问题的解决提供方法与思路 关键词 关键词 高层建筑 地基沉降 地基变形 倾斜 西安某高层建筑于 2003 年 5 月 22 日主体封顶 2003 年 10 月份建成 在安装电梯时 发现建筑物发生明显倾斜 本文对该建筑物发生倾斜的原因进行了系统地分析 并得出了 科学的结论 为该建筑的安全性评估及纠倾治理方案的选择提供了依据 1 1 工程概况工程概况 1 11 1 建筑结构特点建筑结构特点 该高层住宅楼 由 12F 13F 和 15F 三种不同层高组合而成 大底盘筏板基础 筏板 呈长方形 长度 44 55m 宽度 19 5m 筏板为厚度 850mm 的 C30 钢筋混凝土 基础底面 标高 4 65m 组合式层高的平面分布详见图 1 1 1 上部结构 基础及复合地基立体模型见 图 1 1 2 设计基础底面处的压力平均值 12F Pk 250kPa 13F Pk 270kPa 15F Pk 310kPa 图 1 1 1 下沉式广场及层高平面分布图 2 图 1 1 2 上部结构 基础及复合地基立体模型 1 21 2 高层住宅楼上部荷载特点高层住宅楼上部荷载特点 该建筑物为组合式高层 分别由 12F 13F 和 15F 三种不同层高构成 从高度及荷载的平面分布上看 属于偏心建筑 如图 3 1 所示 1 楼层上 东侧 15F 西侧为 12F 相差 3F 2 平面上 东侧筏板基础满堂建筑 并且是 15F 西侧宽度方向约 1 3 筏板面积上没 有上部建筑 仅 2 3 的面积有建筑 且是 12F 3 Pk值上 西侧 12F 的 Pk为 250kPa 东侧 15F 的 Pk为 310kPa 东西两侧 Pk差值为 60kPa 这个差值造成了东 西两侧基底压力上的差异 但该差值远小于上部偏心荷载之差值 4 此外 该高层结构竖向荷载重心和基础底的平面形心不重合 有偏心力矩作用 综合以上 4 个方面荷载分布等情况 说明该组合式高层建筑应属偏心荷载建筑 1 31 3 地基加固处理地基加固处理 该组合式高层地基加固处理采用素混凝土桩 或叫 CFG 桩 复合地基处理方案 复合地基设计参数 素混凝土桩桩径 d 0 40m 有效桩长 L 6 0m 桩间距 1 20m 3 d 按 建筑地基处理技术规范 JGJ 79 2002 属于小桩间距 桩身混凝土强度等级为 C20 素混凝土桩桩顶设有 0 15m 厚的粗砂砾石褥垫层 桩端置于第 层 古土壤 中 3 详见图 1 3 图 1 3 地基处理剖面 2 2 地基土构成及其有关岩土参数地基土构成及其有关岩土参数 2 12 1 地层地层 场地地基土层自上而下依次为第四系上更新统风积 Q32eol 黄土 残积 Q31el 古土 壤 中更新统风积 Q2eol 黄土和残积 Q2el 古土壤 各层土的主要岩性特征如下 层素填土 混少量碎砖瓦片 煤渣等 厚度 0 5 3 5m 层黄土 Q32eol 黄褐 褐黄色 可塑 硬塑状态 以可塑状态为主 层厚 1 50 4 0m 层黄土 Q32eol 褐黄色 饱和 可塑 流塑状态 以流塑状态为主 层厚 2 80 4 00m 层古土壤 Q31el 棕红色 可塑 流塑状态 以可塑状态为主 层厚 3 90 4 30m 此层为桩端持力层 层黄土 Q2eol 褐黄色 含铁锰质结核及蜗牛壳 可塑 软塑状态 以软塑状态 为主 层厚 9 20 10 00m 层古土壤 Q2el 棕红色 可塑 硬塑状态 以可塑为主 层厚 4 60 4 80m 层黄土 Q2eol 褐黄色 可塑 硬塑状态 以可塑状态为主 最大揭露厚度 8 80m 4 2 2 地下水 地下水稳定水位埋深为 6 7m 原地表下 相当于标高 8 80m 405 70m 是赋存于 层中之潜水 2 3 地基土主要物理力学指标代表值 对本研究项目建筑范围内有关的 11 16 勘探点 各层土的主要物理力学指标 见表 2 3 各层地基土物理力学指标 表 2 3 地层 kN m3 d kN m3 e C kN m2 IL Es1 2 MN m2 黄土 15 612 61 12640180 425 5 黄土 17 713 31 01325151 084 1 古土壤 18 214 20 8804080 755 7 黄土 18 814 80 8044480 238 8 古土壤 19 315 70 70350100 409 7 黄土 19 115 40 73955150 4313 0 3 3 建筑物现状建筑物现状 据施工单位介绍 在建成后的同时 2003 年 10 月份 安装电梯时即发现 建筑物整 体向南东方向倾斜 后经建筑物沉降监测单位复测证实 最大沉降差已达 87 5mm 经测算 倾斜 3 210 3 801 倾斜方向 S12 09 E S14 36 E 根据沉降观测资料 截至 2004 年 9 月 4 日 建筑物东南角累计沉降量达到 114 2mm 而西北角仅有 9 9mm 明显发生整体向南东方向倾斜 倾斜值为 3 910 5 063 倾斜 方向 S7 4 E S9 7 E 将具有代表性的沉降观测点资料 分别绘制了不同时间的建筑物沉降量等值线图及基 础底面倾斜的立体模型 详见图 3 1 图 3 8 建筑物不同时间的变形量 倾斜以及倾斜方 向详见表 3 建筑物在代表时间点的变形量 倾斜以及倾斜方向 表 3 日 期 最小变形量 mm 最大变形量 mm 倾斜值倾斜方向备 注 2003 年 5 月 22 日 3 50 14 900 0 S4 11 E S7 90 E 主体封顶 2003 年 10 月 12 日 5 30 19 100 0 S12 67 E 发现倾斜异常的前 5 S63 82 E 一次观测数据 2003 年 11 月 22 日 6 30 93 80 0 00321 0 00380 S4 11 E S7 90 E 发现倾斜异常 2004 年 9 月 4 日 9 90 114 20 0 00391 0 00506 S4 11 E S7 90 E 分析报告时 图 3 1 2003 年 5 月 22 日主体封顶时各沉降观测点沉降量等值线图 6 图 3 2 2003 年 5 月 22 日主体封顶时基础底面倾斜立体图 图 3 3 2003 年 10 月 12 日各沉降观测点沉降量等值线图 7 图 3 4 2003 年 10 月 12 日基础底面倾斜立体图 图 3 5 2003 年 11 月 22 日各沉降观测点沉降量等值线图 8 图 3 6 2003 年 11 月 22 日基础底面倾斜立体图 图 3 7 2004 年 9 月 4 日各沉降观测点沉降量等值线图 9 图 3 8 2004 年 9 月 4 日基础底面倾斜立体图 另外 据现场踏勘结果 未发现建筑室外地面有裂缝 建筑物结构也未发现有裂缝 折射出本高层建筑基础和上部结构刚度大 整体性强 具有高层建筑由于地基不均匀变形 导致发生整体倾斜的普遍性特征 4 4 地基均匀性分析地基均匀性分析 4 14 1 地基土成层规律 土层厚度均匀性分析地基土成层规律 土层厚度均匀性分析 建筑物地基土构成主要为粘性土类组成 成层规律性明显 特别是 Q3及 Q2残积古土 壤 棕红色 厚度均匀 与黄土交互出现 地层分界明显 各层土在水平方向厚度分布均 匀 4 24 2 基础底面下主要压缩层压缩均匀性分析基础底面下主要压缩层压缩均匀性分析 取基底以下 1 倍基础宽度 b 深度 地基主要压缩层 范围内 采用层厚加权平均值 法求出平均压缩模量 各点平均压缩模量 Es1 2 为 7 08 7 21MPa 极差小 仅为 0 018 从 Es 值上 定性为中高压缩性 从极差上 应定为属于压缩均匀的地基 计算采用的勘探点的平面位置详见图 6 2 10 图 4 2 勘探点平面位置图 4 34 3 各勘探点主要物理力学指标随深度变化各勘探点主要物理力学指标随深度变化 各勘探点液性指数 IL 及压缩模量 Es1 2 值随深度的变化曲线如图 4 3 1 孔隙比及含水 量随深度变化如图 4 3 2 图 4 3 1 各勘探点液性指数和压缩模量随深度变化曲线 11 图 4 3 2 各勘探点含水量和孔隙比随深度变化曲线 由图 4 3 1 及图 4 3 2 显示 各层土的主要物理力学指标随深度变化曲线形态相似 无 异常 具有各向均匀性特点 4 44 4 静力触探指标随深度变化静力触探指标随深度变化 原位测试 双桥静力触探 锥尖阻力 qc及侧阻力 fs随深度 h 的变化曲线见图 4 4 结 果显示 地基土的 fs和 qc值在水平方向上亦比较均匀 以上从不同的侧面 采用与地基均匀性相关的多项岩土参数 通过不同方法和表述 无不显示出 在地基土物理性质上 如 w IL e 等 压缩性质 如 Es 与桩基有关的 参数 fs qc 以及地基土成层稳定性和层位变化上 都应定位为均匀性地基 12 图 4 4 静力触探指标随深度变化曲线 5 5 复合地基变形计算与分析复合地基变形计算与分析 复合地基设计应在满足承载力要求的同时 还应满足变形要求 复合地基的变形包括 复合加固体的压缩变形和复合地基以下压缩土层的压缩变形 复合地基变形分别采用分层总和法和三维有限单元法进行计算 5 15 1 复合地基压缩模量的取值复合地基压缩模量的取值 复合土层的压缩模量 Esp用三种方法进行确定 目的在于对比分析 以利综合评价 1 根据 建筑地基处理技术规范 JGJ 79 2002 第 9 2 8 条确定 Esp Es 式 ak spk f f 式中 Esp 复合土层的压缩模量 MPa Es 天然地基的压缩模量 MPa fspk 复合地基承载力特征值 kPa fak 基础底面以下天然地基承载力特征值 kPa 2 根据经验公式确定 经验公式一 Esp n0 A Ep 1 n0 A Es 式 式中 Es 天然地基的压缩模量 MPa Ep 桩体压缩模量 MPa 可用桩体弹性模量代替 n0 复合地基单位面积上的桩截面积 m2 A 桩横截面面积 m2 经验公式二 Esp m Ep 1 m Es 式 式中 Es 天然地基的压缩模量 MPa Ep 桩体压缩模量 MPa 取桩体抗压强度的 100 倍 m 桩面积置换率 按第 式 计算得 Esp 11 5MPa 第 式计算值分别为 25 0MPa 和 205 0MPa 由此可见 对于素混凝土桩复合地基压缩模量各种取法的差异很大 本工程素混凝土 13 桩桩身强度 C20 其压缩模量非常之高 而桩间土的模量很小 比桩的模量低了 2 个数量 级以上 这两种材料并联受力 起主要作用的应该是素混凝土桩 因此按照桩面积置换率 取值 即公式 比较合理 也有资料认为复合加固段的压缩变形量很小可以忽略不计 复合地基的沉降变形主要为桩端以下的土层的压缩变形 建筑地基处理技术规范 JGJ 79 2002 第 9 2 8 条明确规定 地基处理后的变形 计算应按现行国家标准 建筑地基基础设计规范 GB 50007 2002 的有规定执行 复合 地基加固层的分层与天然地基相同 各复合土层的压缩模量等于该层天然地基压缩模量的 倍 因此 变形经验系数 s 按 建筑地基处理技术规范 中相应的规定取值 所以 在按 建筑地基基础设计规范 GB 50007 2002 计算复合地基变形时 选用上述 式的计 算值 Esp 11 5MPa 进行评价 三维有限元计算采用上文 式的计算值 Esp 205 0MPa 进行评价 我们认为该 Esp取值比较符合实际 5 25 2 分层总和法计算分层总和法计算 分层总和法计算 采用 建筑地基基础设计规范 GB 50007 2002 5 3 5 公式 计算 结果为建筑物南侧平均沉降量为 150 26mm 北侧平均沉降量为 124 11mm 宽度方向倾斜 0 00134 5 35 3 三维有限元法计算三维有限元法计算 1 三维有限元计算基本参数 按地基土弹塑性应力 应变分析的要求 给出各种材料参数 详见表 5 3 1 地表回填 土厚度为 2 2m 按均布荷载 q 35kPa 施加 材料基本参数 表 5 3 1 编 号材料名称 密度 g cm3 弹性模量 E MPa 泊桑比 粘聚力 C kPa 内摩擦角 1基础1 77200000 20 2复合地基1 70205 00 30 3 基础以外 桩 底以上土体 1 602 60 353015 4 层土1 823 90 33408 5 层土1 886 5033448 6 层土1 938 20 305010 7 层土1 9114 00 305510 14 2 三维有限元计算结果 计算分二种情况进行 第一种情况为模拟建筑物的实际现状 考虑地基的附加压力作用及回填土的地面超载 及局部开挖卸荷影响 第二种情况 只考虑地基附加压力作用 两种计算结果见表 5 3 2 计算结果中有代表性的等位移 等应力阴影图详见图 5 3 1 5 3 4 三维有限元计算结果 表 5 3 2 计算情况 最水沉降量 mm 最大沉降量 mm 沉降差 mm 倾斜倾斜方向 实际模型177 7252 074 3 0 00246 0 002 64 S13 0 E S13 6 E 未考虑下沉式广 场 回填土及开挖 卸荷作用 175 8219 743 9 0 00091 0 000 98 S53 9 E S61 7 E 图 5 3 1 地基实际模型总体沉降等阴影图 15 图 5 3 2 实际模型地基横剖面等应力阴影图 图 5 3 3 实际模型地基横剖面等位移阴影图 图 5 3 4 实际模型基础底面等变形量阴影图 16 5 45 4 复合地基变形计算结果与综合分析复合地基变形计算结果与综合分析 1 分层总和法计算结果分层总和法计算结果 1 分层总和法变形计算公式 由于没有考虑基础刚度对地基变形的影响 因此 对于 倾斜的计算值与实测值相差比较大 仅能显示变化趋势 2 因为是半经验半理论公式 对于规范中的变形计算公式应配套选用相应的计算参数 和修正系数 因此本文利用分层总和法计算结果评价时 选用 建筑地基处理技术规范 中规定的素混凝土桩复合模量的取法 即上文公式 3 分层总和法变形计算公式是一维压缩问题 公式选取的模量为压缩模量 而实际是 三维问题 公式计算的分层总和变形量 乘了一个经验系数 s 对计算结果进行了修正 得出的是最终变形量 经过多年的经验及与实测沉降资料的对比 公式计算的中心点的变 形量与建筑物的最终变形量比较接近 因此 用公式计算出的中心点的最终变形量作为评 价的依据是比较可靠的 2 三维有限元计算结果三维有限元计算结果 1 因为三维有限元法系模拟建筑实际情况 考虑了上部荷载 地面填土 地面局部挖 土 以及不同土层的空间分布等因素 其计算结果无需进行修正 所以 复合地基变形模 量选择了经验公式 公式 计算的 Esp Esp 205 0MPa 2 从地基总的沉降变形的倾斜的方向看 与实测结果非常相近 见图 5 3 4 4 从地基附加压力在地基中分布看 反映了附加压力随深度减小的变化规律 并且明 显偏向附加压力较大的一侧 15F 侧 5 表 5 3 2 显示 在建筑物的西北角变形量为 177 70mm 而在东南角变形量为 252 00mm 倾斜为 2 46 2 64 倾斜方向 S13 0 E S13 6 E 与实测的倾斜方向 S7 4 E S9 7 E 比较接近 6 在不考虑地表回填土及下沉式广场的卸荷作用 仅考虑上部结构荷载情况 计算出 的结果显示 总的变形量有所减小 但减小的幅度不大 只占总沉降量的 1 13 而建 筑物倾斜的方向由 S13 0 E S13 6 E偏至 S53 9 E S61 7 E 向东偏了 40 50 这说明仅在上部荷载作用下 建筑物倾斜的方向大致为 S 偏 E60 而在填土及挖方等多 因素作用下其方向变成 S 偏 E13 与目前实测的倾斜方向比较接近 3 复合地基变形计算结果综合分析复合地基变形计算结果综合分析 17 1 按 建筑地基基础设计规范 GB 50007 2002 规范中 分层总和法 计算的地基 总变形量 东侧 15F 中心点变形量为 282 35mm 西侧 12F 中心点变形量为 188 74mm 2 三维有限元 计算的地基总变形量 东侧 15F 最大变形量为 252 00mm 西侧 12F 为 177 70mm 2 以上二种方法计算出的地基最终变形量数值非常接近 不妨以三种方法的平均值作 为地基的最终变形量 即 东侧 15F 中心点最终变形量平均值为 267 18mm 西侧 12F 中心点最终变形量平均值为 183 22mm 计算倾斜值为 2 53 此值大于高层建筑倾斜限定在 1 5 3 0 的低限 5 由于影响建筑物地基沉降变形的因素很多 理论计算无法完全模拟工程实际 因而 计算结果和实测结果不可能完全一致 4 复合地基变形计算结果与建筑物实测沉降量对比分析 为了便于分析对比 将天然地基 复合地基的计算变形量与沉降观测的实测沉降量列 于表 5 4 变形计算结果与建筑物实测沉降量对比分析 表 5 4 15F 中心点变形量 mm 12F 中心点变形量 mm 计算倾斜值备 注 天然地基526 17461 680 00184 复合地基 现状 267 18183 220 00253 沉降观测 2004 9 4 实测 114 209 900 00391 0 00506 倾斜方向 S7 4 E S9 7 E 表 5 4 结果显示 1 经素混凝土桩加固后地基变形量与天然地基相比减小的幅度是显著的 2 将复合地基的最终变形量与实测建筑物的沉降量相比 表明建筑物的沉降变形 还 未最终完成 两者之差 就是地基未来将要产生变形量的 当然 变形计算与实际之间不 可避免的存在一些差异 但趋势是可靠的 6 6 建筑物倾斜原因分析建筑物倾斜原因分析 建筑物倾斜的原因主要从地基的均匀性 地基处理方法的适宜性 上部结构荷载的均 匀性 结构措施的合理性以及地基处理施工质量及基础施工工序的科学性等方面入手 18 1 地基压缩均匀性与建筑物倾斜有无因果关系分析 从不同侧面对地基的均匀性进行了系统地分析和评述 并明确表述了本工程地基属于 压缩性均匀地基 因此 完全可以排除建筑倾斜与地基均匀性之间存在因果关系 2 建筑物上部结构偏心荷载是建筑物产生倾斜的诱因 建筑物上部结构为 12F 13F 及 15F 的组合体 荷载在平面上分布不均 东 西两侧 相比 东面 15F 比西侧 12F 荷载要大 加之西南角又少去了约 10 4 6 3m2 建筑面积 所 以两者叠加 东侧荷载明显大于西侧 南侧与北侧相比 南侧 13F 和 15F 占的面积相对较 大 因此南侧荷载比北侧大 属于上部荷载偏心的组合式高层建筑 地基的附加压力是地基产生变形的直接原因 在同等条件下 附加压力越大 地基的 沉降变形越大 因此当地基有偏心荷载作用时 受压力大的一侧沉降变形必然偏大 所以 偏心荷载的作用是产生建筑倾斜的主要诱发原因 3 地基土整体上为中高压缩性土 整体偏软 而地基处理的加固深度偏浅 使得地 基总变形量偏大 而偏心荷载大的部位变形量必然偏大 于是地基产生不均匀沉降 这是 建筑物整体倾斜的直接原因和必然的结果 如果地基处理的深度加深 便可以大幅度减少地基的总变形量 建筑物即便有变形差 它的绝对变形量将会明显减少 倾斜自然会微不足道 素混凝土桩复合地基的设计主要靠素混凝土桩的桩长来控制复合地基的沉降变形量 随着桩长的增加 变形量和倾斜程度都明显缓解 4 地面回填土及下沉式广场局部挖方卸载作用 如前文所述述 建筑之前平均自然地面标高 412 0m 建筑主体在 2003 年 5 月 22 日封 顶 基坑周边及室外回填土约在 2003 年 8 月完成 在回填土的同时 也进行了下沉式广场 的开挖工作 室外回填至标高 414 20m 即建筑物周边回填土的厚度为 2 2m 回填土的范 围详见图 12 1 中阴影部分 这种较大面积的填土 如同在建筑物南侧周围地面施加了一定 的附加压力 从而使土体产生附加沉降 与此相反北侧下沉式广场则要进行土方开挖 相 当于卸载作用 至少是没有附加荷载作用 这样 也使南侧与北侧地基土的受力条件有所 不同 在这种因素作用下南侧的沉降量将有所增大 同时也加剧了建筑物倾斜的发展 但 就其影响的程度而言 从三维有限元法未考虑填土和挖方影响的情况与实际模型计算结果 对比可以看出 回填土的影响充其量也只占到总变形量的 10 15 而上部结构荷载和 地基土的因素引起的沉降变形占到总变形量的 85 90 19 5 素混凝土桩复合地基 在荷载值为 250kPa 300kPa 范围内 应力比 n 13 19 之 间 相应的褥垫层厚度不宜小于 250mm 当褥垫层厚度 150mm 时 施工的均匀性不易控 制 同时易产生应力调整失衡 因此 褥垫层的厚度为 150mm 似乎有些偏小 另外 本工程所用材料采用砂 石比例为 3 7 没有严格的尺寸 粒径 概念和级配比 例规定 不符合褥垫层施工的有关技术要求 不能有效地起到褥垫层应有的调节桩土应力 比的作用 6 基础施工工艺及工序不合理 素混凝土桩复合地基施工 采用长螺旋成孔 压灌混凝土成桩工艺 本场地地下水位 标高 405 70 m 桩底标高 403 70m 桩下端 2m 在地下水位以下 而地下水位附近土为饱 和的软塑 流塑状态黄土 极易造成缩孔或混凝土窜孔 使桩体施工质量下降 事后从施 工记录中就发现至少有 5 根桩混凝土的超灌量超过正常灌注量的 7 8 倍 单根桩灌注量达 5m3 以上 表明在复合地基施工时 局部地基中出现异常 施工组织设计中未见有关于施 工工序的针对性措施 且单桩混凝土灌注量也没有实测记录 因此素混凝土桩的施工质量 控制不到位 对地基变形也造成了不同程度的影响 7 基槽回填不及时 按规定 基坑开挖 基础施工完成后 应尽快对基槽进行回填处理 而本工程却是在 主体封顶后三个月才进行基坑回填的 不及时回填基坑 会使地基承载力降低 从而会引 起地基的变形量增大 8 基