樁基失效對樁基-結構影響的數值模擬研究

許路平 谷任國

（華南理工大學，廣東 廣州 510641）

0 引言

隨著城市化進程的加速，建筑工程的規模和復雜度不斷提高，對工程安全可靠度的要求也越來越高。其中，樁基檢測是工程安全可靠度中非常重要的檢測項目之一。然而在既有工程項目驗收階段，挖掘、灌注混凝土或安裝樁體等施工沒有按照規范要求進行以及技術設備故障等各種因素可能導致樁基失效或者樁基檢測資料丟失。在這種情況下，為了評估該樁基-結構的安全可靠性，需要考慮最不利的情況，即未檢測的樁基發生失效時對整體樁基-結構的安全性造成的影響。本文以某既有樁基-結構工程為例，基于地層結構法建立三維數值模型，對樁基失效引起的樁基-主體結構應力變形進行分析，為評估項目安全可靠度提供參考。

1 工程概況

某城市中一廣場內營銷中心建筑結構地上兩層，一層層高5.10m，二層層高4.75m；除此還附有一層地下室，地下室的高度為3.62m。地下室的抗浮設計水位絕對標高為4.5m，基礎采用直徑500mm 預應力管樁，結構安全等級為二級，地基設計等級為乙級。房屋結構設計使用年限為50 年，抗震等級為三級，主體結構梁板墻采用C35混凝土，主體柱采用C30混凝土。

根據該場地的詳細勘察報告資料及現場踏勘顯示，該場地原始地貌為濱海平原，后經人工回填整平，現整體地勢較開闊，地形較平坦。施工期間測得各鉆孔孔口高程為2.68～4.41m，最大高差為1.73m。場地內部分鉆孔見地下水，地下水類型分為孔隙水和基巖裂隙水。孔隙水賦存于第四系各地層及全風化巖中，其中填土層為中等透水層，淤泥、淤泥質黏土為微透水層，中粗砂為強透水層，填淤泥、粉質黏土、砂質黏性土及全風化巖為弱透水層。人工填土中為孔隙潛水，淤泥、粉質黏土、淤泥質黏土為隔水層或相對隔水層，其下的地下水為承壓水。基巖裂隙水賦存于強-中風化巖中，強風化及中風化巖為弱-中等透水層，基巖裂隙水具承壓性。

該商業廣場總共擁有175 根樁，抗壓樁兼做抗拔樁。根據《建筑基樁檢測技術規范》（JGJ 106-2014）3.3.5 規定，采用高應變法檢測單樁豎向抗壓承載力時檢測數量不宜少于總樁數的5%，即該商業樓采用高應變法檢測時樁基承載力至少需要監測9 根，此外還需檢測3 根抗拔樁。而由于場地受限，實際采用高應變法檢測了8 根樁基，并檢測了4 根抗拔樁，檢測的樁基都合格，但高應變法檢測數量不足，差1 根。為此，需要研究缺少1 根樁基高應變檢測對結構的影響，主要從以下方面展開研究：

（1）運用有限元軟件建立樁-土-結構三維數值模型，分析高水位（抗浮工況）和低水位（抗壓工況）下樁頂軸力、底板、上部結構（梁、柱）的內力、變形分布特點及規律。

（2）在檢查數量不足的情況下，考慮最不利情況，假定為不合格樁（如最嚴重時為斷樁，對抗拔影響較大），重新按上述樁-底板共同承擔荷載的方法計算安全性，特別要給出不合格樁附近的結構內力、變形分布特征及規律。

利用以上有限元分析結果，為整體樁基-結構的安全可靠度提供參考數據，為進一步評估判斷其安全性提供分析依據。

2 三維數值建模的建立

2.1 地層結構法

巖土工程中結構與結構的相互影響分析主要有兩種方法：一類是荷載-結構法，一類是地層結構法。

荷載結構模型認為地層對結構的作用只是產生作用在地下建筑結構上的荷載（包括主動地層壓力和被動地層抗力），結構在荷載的作用下產生內力和變形。這一方法與設計地面結構時習慣采用的方法基本一致，區別是計算結構內力時需考慮周圍地層介質對結構變形的約束作用。計算時先按地層分類法或由經驗公式確定地層壓力，保證結構能安全承受地層壓力等荷載的情況下，按彈性地基上結構物的計算方法計算結構的內力，并進行結構截面設計。早年常用的彈性連續框架（含拱形構件）、假定抗力法和彈性地基梁（含曲梁）法等都可歸屬于荷載結構法。該工程由于設計構件多，并且傳力路徑復雜，難以用荷載-結構法來模擬。

地層結構法是一種常用的工程分析方法，通過對地層的力學性質和層間相互作用進行建模，可以準確地模擬樁基-結構系統的行為。在本研究中，本文采用地層結構法建立樁-土-結構的三維數值模型，以分析高水位（抗浮工況）和低水位（抗壓工況）下樁頂軸力、底板、上部結構（梁、柱）的內力和變形分布特點。

2.2 幾何模型的建立

首先，本文采用MIDAS/GTS有限元軟件對樁基-結構系統進行建模，將樁、土壤和結構元素離散化為有限元單元。在建模過程中，考慮材料的本構關系、界面的接觸關系和非線性效應等因素，以獲得更真實的模擬結果。針對樁基失效情況，模擬工況分為高水位和低水位兩種工況，在高水位工況下，考慮樁基受到浮力的影響，分析樁頂軸力的分布情況以及底板和上部結構的變形特點。而在低水位工況下，重點關注樁基的抗壓性能，分析樁頂軸力的變化以及結構的變形分布規律。

通過對樁基失效前后樁基和主體結構的應力變形情況進行詳細分析，可以更好地理解樁基失效對樁基-結構的影響。

計算模型幾何尺寸X、Y、Z方向分別取150m、120m、50m。計算模型側向加水平約束，底部加豎向約束，頂面為自由面，不加約束。

計算過程中的主要荷載包括各土層的重力、地面超載20kPa，主體結構自重及樁基結構重力，并約束有限元模型底部的豎向位移，計算模型各側面的法向位移。

模型中土體采用三維實體單元，主體結構板、側墻采用板單元，柱子、樁基采用線單元。地面超載荷載20kPa。模型中各土層和構件材料均考慮自重，自重方向Z軸向下，模型中土體本構采用理想彈塑性模型，遵循Mohr-Coulomb 屈服準則，上述相關結構則采用彈性模型。

2.3 分析工況

該工程采用高應變法檢測樁基承載力時缺少一根未檢測，最不利的情況為未檢測的樁基發生了失效。保守起見，考慮受力最大的兩根樁基失效，分析樁基失效后結構的受力與未失效前的受力的變化情況，同時與設計值進行比較，判斷結構的安全性。

分析整體分為4 步：初始應力場計算；地下室土體挖除；施工主體結構、樁基；樁基失效。

本次分析主要在于樁基失效對其余樁基、主體結構影響力學特性分析。

選擇受力最大的樁按照失效處理，其中低水位（抗壓工況）選擇Z1、Z23 樁身存在嚴重缺陷；高水位（抗浮工況）選擇Z39、Z47存在嚴重缺陷。

3 模型分析和結果

3.1 樁基軸力結果分析

根據樁基軸力計算結果，提取樁基各階段對應的軸力值，見表1所示。

表1 樁基軸力（單位：kN）

計算結果表明，低水位工況下，施工步3 樁基軸力最大為1464.90kN，最小為328.82kN；施工步4 樁基軸力最大為1483.50kN，最小為297.17kN；高水位工況下，施工步3 部分樁處于拉應力狀態，根據計算結果，軸拉力最大為105.41kN，最小為0.08kN，軸壓力最大為314.95kN，最小為39.46kN；高水位工況下，施工步4 部分樁處于拉應力狀態，根據計算結果，軸拉力最大為71.65kN，最小為0.46kN，軸壓力最大為312.96kN，最小為46.10kN。

樁長進入強風化巖≥1m 或強風化巖層≥5m。低水位工況下，斷樁選擇Z1和Z23兩根樁。經過計算發現：樁基全部合格的低水位工況下，軸力最大值出現在Z1上，為1459.34kN；Z1 和Z23 發生斷樁的低水位工況下，軸力最大值出現在Z13 樁，樁的軸力由1096.48kN 增加至1483.50kN，變化率為35.4%，而原設計樁基最大軸壓力為2100kN，樁基承載力仍有30%的安全冗余度，樁基結構處于安全狀態。

樁基全部合格的高水位工況下，軸拉力最大值出現在Z1上，為105.4kN，軸壓力最大值出現在Z63上，為314.95kN；Z39 和Z47 發生斷樁的高水位工況下，最大軸拉力和最大軸壓力都變小。樁基受拉工況按照原始最大值105.4kN 考慮，原設計樁基最大軸拉力為200kN，樁基承載力仍有48%的安全冗余度，樁基結構處于安全狀態。

3.2 柱子軸力結果分析

根據主體結構彎矩計算結果，提取主體結構各階段各方向最大的彎矩值，見表2所示。

表2 主體結構最大彎矩匯總（單位：N ?m）

低水位工況下，樁基失效后，底板Y方向彎矩最大值變小，X方向彎矩增加，彎矩增加幅度為14.79%，但是小于原結構板最大彎矩，由于結構板采用雙向配筋，故主體結構處于安全狀態。高水位工況下，底板X和Y方向彎矩基本沒變化，故主體結構處于安全狀態。

3.3 柱子軸力結果分析

根據主體結構中柱子軸力計算結果，提取各階段軸力結果，見表3所示。

表3 主體結構主子軸力匯總表（單位：kN）

從表3 可知，低水位工況下，施工步3 柱子軸力最大為1158.45kN；施工步4 柱子軸力最大為1159.28kN。高水位工況下，施工步3 柱子軸力最大為1180.76kN；施工步4 柱子軸力最大為1180.75kN。從以上軸力分析可知，結構柱受力基本沒變化，主體結構處于安全狀態。

4 結束語

本文借助大型巖土工程有限元軟件Midas/GTS建立三維計算模型，對某營銷中心樁基失效前后引起的樁基和主體結構應力變形進行了分析與評估，結論如下：

（1）低水位工況下，樁基失效后，樁的最大軸力由1096.48kN 增加至1483.50kN，變化率為35.4%，樁基承載力仍有30%的安全冗余度，樁基結構處于安全狀態。高水位工況下，樁基失效后最大軸拉力和軸壓力都變小，按原設計工況考慮，樁基抗拉承載力有48%的安全冗余度，樁基結構處于安全狀態。

（2）低水位工況下，樁基失效后，底板Y方向彎矩最大值變小，X方向彎矩增加，彎矩增加幅度為14.79%，但是整體上小于原結構板最大彎矩，由于結構板采用雙向配筋，故主體結構處于安全狀態。高水位工況下，底板Y方向彎矩基本沒變化，X方向彎矩減少，故主體結構處于安全狀態。

（3）低、高水位工況下，結構柱軸力變化不大，代表柱子處于安全狀態。

綜上，該工程兩根受力最大的樁基發生失效不會影響樁基-結構的安全，即采用高應變法少檢測一根樁基不影響整個結構的安全。