某高层建筑桩筏基础事故分析及其反思

1、某高层建筑桩筏基础事故分析及其反思Analysis on the quality problem of the piled 2raft of a tall building刘明振 , 韩建刚(西安建筑科技大学 土木工程学院 , 陕西 西安 710055摘 要 :根据现有资料分析了某高层建筑桩筏基础事故发生原因 , 总结了经验教训 。 。 关键词 :挤土桩 ; 桩筏 ; 群桩效应 ; 共同工作中图分类号 :TU 470. 2 文献标识码 :A 文章编号 - -04作者简介 :刘明振 , 男 , 河南襄城县人 , 教授 , 博士生导师 。 。主要从事黄土力学 、 基础设计 理论等方面的研究工作 。

2、LI U Ming 2zhen ,H AN Jian 2gang(College of Civil Engineering , Xi and Technology , Xi an 710055, China Abstract :Based on the data , the reasons why the quality problem of the piled 2raft foundation happened are analysed . From them some experiences and lessons can be drawn . Some new views on seve

3、ral geotechnical engineering problems were put forward .K ey words :displacement pile ; piled 2raft ; pile group effect ; interaction1 工程概况及工程地质条件该工程为一幢多功能综合楼 , 建筑面积 53484m 2, 按地面以上层数可分 4部分 , 最高部分 为筒体塔楼(下称筒体 28层 , 地面以上高度 109. 0 m ; 主体部分 主 要为 26层 , 副体部分 主要为 18 层和只有地下室部分 , 见图 1。 筏基底板长 78. 6m , 宽 35. 9

4、m (含外挑部 分 , 埋深近 11. 0m 。 上部为框架剪力墙结构 , 抗震设防 烈度为 8度 , 抗震等级一级 , 地下室按 5级人防设计。 基础采用振动沉管灌注桩加梁板式筏基 , 桩径 <=500mm , 有效桩长 21. 5m , 共设工程桩 752根 , 满堂布置 , 桩 距主要分 1. 8m ×1. 8m 和 1. 8m ×2. 1m , 见图 2。 设计 单桩承载力标准值 1100kN , 由试桩静载荷试验确定。 筏基主梁依柱网布置 , 柱网分 7. 5m ×8. 4m 、 9. 0m ×8. 4m 和 8. 4m ×8.

5、 4m , 多数为第 3种 ; 为减少筏板厚度 , 采 用主次梁将筏板划分为小的区格 , 区格尺寸多数为 4. 2m ×4. 2m 和 4. 5m ×4. 2m ; 主梁断面 b ×h =1. 40m ×2. 30m , 次梁 0. 60m ×2. 18m ; 筏板厚度 :筒体部分 1. 0m , 其余为 0. 6m , 混凝土设计强度等级 C50, 抗渗 S10。图 1 筏基平面及高度分布Fig. 1 Plan of raft and distribution of building hight图 2 布桩分布Fig. 2 Arrangeme

6、nt of pile 场地处于断陷盆地内的湖泊相沉积平原上 , 在钻探揭示的 70m 深度内 , 全部为第四纪沉积物 , 前期为 湖相 、 湖沼相黏土 、 泥炭层 , 中期为湖相沉积的黏土及 含粉细砂的粉土层 , 后期为冲洪积黏土 、 圆砾和粉土 层 , 每一主层中都伴随亚层 、 夹层或透镜体出现 。 土层 情况见表 1。地下水位稳定埋深在 1. 21. 6m 之间 , 对混凝土无腐蚀性 。筏基底面标高 -11. 4m , 座落在 粉土层 上 , 桩端持力层为黏土层 。2 事故简况及其原因分析2. 1 事故简况事故主要表现为筏基主 、 次梁及筏板开裂 、 渗漏 。 经国家建筑工程质量监督检验中

7、心检测 , 上部结构也 发生了一定的裂缝 。本工程于 1998年 3月开始工程 桩施工 ,1999年 4月主体封顶 ;1998年 12月 , 当上部结 构施工至 12层时 , 发现底板有渗水现象 , 当时的地下 水在 -5. 6m 处 ;1999年元月 , 发现筏基的 7个区格底收稿日期 :2002-08-09 第 25卷 第 3期 岩 土 工 程 学 报V ol. 25 N o. 3 2003年 5月Chinese Journal of G eotechnical EngineeringMay , 2003表 1 工程地质报告提供的土性参数平均值及原位试验成果T able 1 Average

8、 values of s oil parameter and in 2situ test result given by engineering geologic investigation report土层号 土层名称 厚度 -3weI PI LE S 1-2E S 2-3N N 63. 5 杂填土 0. 8 黏土 2. 119. 322. 00. 68180. 0612. 013. 310. 171粉土 1. 118. 827. 00. 7871. 047. 418. 2 圆砾 3. 8+1. 1422 粉土 4. 618. 826. 00. 7570. 714. 86. 511. 15

9、黏土 4. 618. 831. 00. 89220. 1714. 15. 710. 11 粉土 4. 0+1. 519. 224. 00. 7290. 4814. 59301粉质黏土 、 黏土 1. 719. 328. 00. 8013. 4 黏土 1. 719. 824. 00. 690. 17. 0321粉土 2. 519. 123. 012. 416. 6 黏土 3. 2+1. 9+1. 418. 037. 0. 2512. 712. 21粉土 0. 921. 60. 3313. 418. 1162泥炭土 1. 82. 54440. 866. 17. 7 1粉土 0. 21. 00. 6

10、870. 498. 713. 1 黏土 716. 748. 01. 31290. 3911. 611. 5 泥炭土 12. 1118. 02. 30270. 685. 86. 11粉质黏土 0. 819. 623. 00. 69150. 308. 910. 8黏土 5. 1+5. 017. 635. 01. 01210. 3210. 711. 71粉土 1. 018. 725. 00. 7380. 517. 311. 2粉土 18. 923. 00. 7461. 019. 110. 2注 :(1 表中土层号有脚标者为亚层、 夹层或锈镜体。 (2 表中各层土厚度取自 2号孔。 (3 厚度相加项为

11、夹层分隔各层。板漏水 ,3个区格潮湿渗水 ;1999年 4月主体完工时 , 发现 80%的区格底板渗漏 ;1999年 7月再次检查时 , 发现几乎全部底板渗水 、 漏水或开裂 , 同时还发现肋梁 也产生了裂缝 , 此时地下水位为 -2. 3m 。 随着时间的 推移 , 肋梁裂缝继续开展 。筏板裂缝多发生在肋梁组 成的区格对角线上 , 也有一部分在底板与肋梁的交界 处 ; 梁的裂缝主要发生在两端 , 呈现大约 45°60°倾 斜 , 少数为垂直裂缝 。 B 、 C 轴间几乎所有的梁都发生 了开裂 。 筏板缝宽多在 0. 050. 45mm 间 , 肋梁多在 0. 050. 2

12、5mm 间 。裂缝以筒体附近出现得最早 , 也 最密集 。 上部结构裂缝多发生在 6层以下的框架梁 、 填充墙及楼板上 , 一层地下室楼板上最宽裂缝达 0. 70 mm , 空心砖填充墙斜裂缝在 0. 200. 30mm 间 。 2. 2 事故原因分析根据资料分析原因有 : (1 本工程基础设计存在着概念不清问题 。 其中 : a 桩型选择 :在中密密实的饱和黏性土层中选 用密集满堂布置的挤土型振动沉管灌注桩给工程桩施 工埋下了质量隐患 。从地质报告看 , 桩体穿越的土层 几乎全部为饱和超固结土层 , 且大多为黏性土 , 粉土层和粉土夹层也多为中密密实的 , 除黏土层 及其中的泥炭土透镜体外

13、, 孔隙比在 0. 690. 89之 间 , 按桩距 1. 8m ×1. 8m 计算 , 若不考虑土体隆起 , 则 挤密后桩间土的孔隙比达到 0. 410. 58, 其挤压程度 可想而知 。 因此沉桩施工必定使土体发生横向挤压和 竖向隆起 , 导致已沉入桩的偏位 、 挠曲 、 上浮 , 出现缩 径 、 断桩 、 吊脚等质量问题 。b 桩端持力层的选择 :选择土层 作为桩端持力 层是不够慎重的 , 因为在桩穿过的土层中 , 按表 1给出 的数据 , 土层 是最差的 , 该层土的平均孔隙比 e = 1. 05, 且其中有以夹层或透镜体形式存在的泥炭土 e =2. 54, 其下一定范围内土

14、层也存在类似问题 。这种 软弱层的存在 , 增大了持力层的压缩性和不均匀性 。 作为桩端持力层来说 , 常规的作法是选择压缩性较低 、 性质较均匀的稳定土层 。尽管本工程的桩属摩擦型 桩 , 在正常工作条件下桩端提供的承载力很小 , 但作为 群桩时 , 由于应力的叠加 , 使下卧层和持力层内的附加 应力比较大 , 导致总沉降量和差异沉降增加 , 土层 、 、 作为本工程桩基的主要持力层和下卧层 , 其压缩 性和均匀性对桩基沉降量和沉降差的影响是不可忽视 的 , 但设计并未进行变形计算 。c 采用桩土分担的假设是没有根据的 :设计假定 上部荷载由桩及桩间土共同分担 , 其中桩分担 90%。 由前

15、分析可知 , 工程桩施工引起地基土隆起并产生很 高的超孔隙水压力是无法避免的 , 超孔隙水压力的消 散将导致筏板与地基土脱离 。根据施工组织预测 , 地 基土的隆起高度约 0. 81. 0m , 总隆起土方量约 2500 3000m 3。 在此情况下是不应考虑土的分担作用的 。 d 设计采用了各桩均匀分担上部荷载的假设 :设 计假定 ,752根桩均匀分担了扣除桩间土反力和水浮413岩 土 工 程 学 报 2003年 力后的全部剩余荷载 。在此基础上进行了桩 、 筏板和 主次梁的设计 。 首先 , 该工程上部荷载分布是十分不 均匀的 , 立面上看 , 上部楼层主要分 28层 、 26层 、 18

16、层 和 0层 4部分 , 荷载差别很大 。从结构上看 , 有筒体 、 剪力墙 , 也有框架 , 刚度变化可观 。 按事后提供的荷载 来看 , 筒体 1部分平均荷重为 1394kN m 2, 筒体 2部分 为 1207kN m 2; -轴之间为 697kN m 2, 按整个基 础面积平均则仅为 430kN m 2, 差别之悬殊可见一斑 。 但桩的布置在近 23底面积上是 1. 8m ×1. 8m , 少数 按 1. 8m ×2. 1m , 相差仅 16. 7%。 其次是外挑地下室 的一部分也布了桩 ,桩一样分担了相同的竖向荷载。 实际上 ,到其自然水位时 , m , 过地下室

17、部分的自重 ,荷重。 :桩数量如此之多 , 密度如此之大 , 桩端持力层又相对软弱且不均匀 , 群桩 效应是很强烈的。 群桩效应使得中间桩和边桩在相同 沉降时 , 不能分担相等的荷载 , 欲分担相等的荷载 , 则必 需使筏基产生足够的挠曲变形。 本工程荷载又集中在 中间部分 , 筏板由此产生的变形是不容忽视的。e 筏基设计不够合理 :如果仅从结构力学的观点 出发 , 梁板式筏基比大厚度的板式筏基是先进的 , 但从 施工难度 、 大体积混凝土均匀散热和收缩的角度出发 , 前者存在着一定的缺陷 。一方面 , 梁板式筏基增加了 施工的难度和开挖深度 , 延长了工期 ; 另一方面刚度的 差异造成梁板交

18、界处的应力集中 ; 不同的厚度使散热 不均匀 , 混凝土凝固过程中 , 梁和板不同步收缩 , 从而 在板中产生了较大的次应力 。本工程筏基主梁断面 1. 40m ×2. 30m , 次梁 0. 60m ×2. 18m , 而筏板厚仅 0. 60m , 不论从刚度 , 还是从抗渗的角度来看 , 筏板都 显得薄了一些 。 尤应指出的是 , 筒体内板厚 1. 0m , 而 筒外仅 0. 6m , 在筒边发生的突变使筒体过大的荷载 难以传递出去 , 同时也引起较大的无法计算的集中应 力和收缩应力 , 这可能是导致筒体周围裂缝密集和出 现较早的原因之一 。f 忽视构造要求 :构造要求

19、是为了解决计算上的 不足及预防意外情况而提出的 。 由于土的复杂性和上 部结构传递下来荷载的不确定性 , 它显得尤为重要 。 本工程的梁筏设计有多处不满足最小配筋率的规定 ; 交叉梁处的八字角也不满足最小净距的要求 , 从而增 大了柱荷载对筏板的冲切力和剪应力 。更为严重的 是 , 从图 1可以看出 , 剪力墙分布杂乱无序 , 连续性差 , 影响了结构调整荷载的能力 。(2 其它原因a 施工措施不力加速了事故的出现 :筏板在上部 结构达到 12层时就开始渗水 , 不应该说都是设计方面 的问题 , 措施不力对先天不足的桩筏基础来说更是雪 上加霜 。 首先未对饱和黏土层中进行挤土型桩施工采 取可靠

20、的质量保证措施 ; 其次是对高强度 、 大体积 、 防 渗要求高的筏基施工认识不足 , 部分混凝土塌落度大 于规范限定值 ; 在混凝土的配制中增大了水泥用量 , 使 其达到 420440kg m 3( , 并且在东段筏 。 更有甚者 。 所有这些不 , 加大了混凝土的收缩性 , , , 加速了底板和梁的开 , 混凝土浇捣不密实 , 底板的最低 密实度为 75%, 肋梁最低的为 86. 7%。 一部分肋梁的 配筋也未达到设计的要求 。底板开裂后 , 不是立即停止施工 , 分析原因 , 阻止 事态的继续发展 。而是采取隐瞒并盲目堵漏 , 在堵漏 失败后才通知设计方 , 同时还继续上部结构施工加荷

21、的作法 , 使开裂范围进一步扩大 , 错过了分析和处理的 最佳时机 。b 不规范的工程桩检测给事故的发生创造了条 件 :工程桩质量检测是对桩基工程质量评价的最重要 的环节 , 按照 建筑桩基技术规范 J G J 94 94的规定 , 本工程桩基应进行质量检测 , 设计要求 “工程桩动测 20%” 。 但未注明采用什么方法和要不要检测承载力 。 最终仅采用低应变法检测工程桩 68根 , 而报告只给出 60根桩的评价结果 , 远低于设计要求的抽检率 , 并且 检测方法和质量的可靠性都值得怀疑 。3 对事故的反思 (1 关于概念设计问题 :就本工程 , 无论是设计还是 施工 , 对很多基本概念都没搞

22、清楚 , 以至于酿成事故。 问题之一是关于地基 、 基础与上部结构共同工作 。 设计者把荷载和刚度条件差异如此之大的情况按基本 均布的地基反力来布桩并进行筏基计算 , 想来最充分 的理由莫过于 “ 共同工作” 的调整作用 。 考虑这种调整 作用时必须要弄清一些概念问题 ; 首先 , 荷载的转移是 以结构有足够的刚度和产生差异变形为前提的 , 差异 变形将在结构内产生次应力 , 目前还无法把这种次应 力计算清楚 ; 其次 , 结构的调整能力是有限的 , 黄熙龄 院士的模型试验证明了这一点 1; 再次是上部结构只 能有一部分提供共同工作的刚度 , 到底哪些部分参与 工作以及提供多大的刚度还不能计算

23、清楚 , 它除了受 结构自身的影响外 , 还与施工过程 、 方法和速度等因素 有关 , 这些因素都是在设计阶段无法搞清楚的 。目前 解决问题的最好办法是对应上部荷载分布情况进行布 513 第 3期 刘明振 , 等 1某高层建筑桩筏基础事故分析及其反思桩 , 这种处理方法的优点是 :受力明确 , 荷载传递路径 短 , 最大限度地减少结构的变形和次应力 , 不仅设计起 来方便 , 而且减小构件的断面 , 降低造价 。 必须重视构 造要求 , 重视概念设计 。问题之二是 “共同工作” 中关于桩基变形计算问 题 ; 众所周知 , 目前关于天然地基变形的计算还是非常 不准确的 , 桩基变形计算的误差就更

24、大 , 下面就 “共同 工作” 分析中常用的几种方法谈一点看法 。a 利用单桩静载荷试验的结果确定桩的刚度 :这 种计算方法在建立桩的刚度矩阵时 , 输入的参数是来 自单桩静载荷试验的 Q -S 曲线 。实际上 ,论上说 , 还是从实测结果来看 ,验的结果 , , , 只有在际 。 这种方法类似于文克尔模型的弹性地基梁计算 , 因此它具有这种计算理论所固有的缺陷 。 它把桩视为 相互独立的弹簧 , 各桩之间互不影响 。如果假想承台 和上部结构为一有较大均匀刚度的板 , 在均匀地基 、 均 匀布桩和均布荷载下 , 在单桩承载力允许的范围内 , 用 这种方法所计算出各桩顶反力和沉降应该是相同的 。

25、 但实测表明 , 桩顶反力的分布是马鞍形的 , 其中角桩最 大 , 边桩次之 , 中桩最小 , 且各桩沉降量也不相等 。就 本工程来说 , 由于布桩密集 , 工程桩与试桩差异大 , 使 用这种方法计算的结果是不符合实际的 。b 另 一 种 常 用 的 方 法 是 明 德 林 法 2或 P oulos 法 3, 从理论上说 , 这类方法可以考虑群桩效应 , 但由 于计算麻烦 , 参数确定困难且有一定的随意性 , 使用上 也受到限制 。 它们与弹性地基梁计算中的弹性半空间 理论相似 , 由于对地基土进行了不切实际的假设 , 其计 算结果也不能说是准确的 。 但对定性分析基础和上部 结构的受力以及变

26、形情况是有指导意义的 。c 有限元方法 , 它在很大程度上取决于对桩和地 基土的假定以及参数的选择 , 桩基施工的影响更增加 了确定参数的难度 。从土的本构模型来看 , 目前还没 有一种适用于各种土的万能模型 , 因此对这种计算的 期望值也不宜过高 , 在使用这类模型时 , 一定要弄清它 的假设条件和适用范围 , 决不可盲目套用 。对目前的 一些商业性软件更应该重视这一问题 。对于 “ 共同工作” 的问题 , 笔者还想再说一点 :实测 表明 , 高层建筑桩箱 、 桩筏基础边桩的反力要比内桩 大 , 因此有人建议通过减少中间桩桩数 , 增加边桩的密 度来提高桩的利用率 , 这种作法应该注意到两个

27、问题 : 边桩密度的增加将加大边桩间的相互作用 , 从而降 低边桩的承载能力 ; 将增大上部结构的差异变形 , 导 致更大的次应力 , 在结构设计中必需考虑这种无法计 算清楚的次应力的影响 。(2 关于群桩和单桩工作性状的差别问题 :由于应 力的迭加 、 施工影响以及承台的作用等 , 使得群桩与单 桩的工作性状差别很大 , 关于这方面的论述已很多 。 笔者要着重说明的一点是 :不少人认为 , 在按试桩载荷 试验结果确定承载力时 , 只要选用的承载力特征值所 (如西安地区常 限定在 56求 对于摩擦桩来说 , 在正常使 , 单桩沉降主要是由桩和桩长范围内 ; 而群桩 , 特别是桩数比较多 、 布桩 比较密时 , 桩端持力层及其下卧层的影响往往是决定 性的 。 因此 , 必须区分土层情况 ,