樁基失效對(duì)樁基-結(jié)構(gòu)影響的數(shù)值模擬研究

許路平 谷任國(guó)

（華南理工大學(xué)，廣東 廣州 510641）

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的加速，建筑工程的規(guī)模和復(fù)雜度不斷提高，對(duì)工程安全可靠度的要求也越來(lái)越高。其中，樁基檢測(cè)是工程安全可靠度中非常重要的檢測(cè)項(xiàng)目之一。然而在既有工程項(xiàng)目驗(yàn)收階段，挖掘、灌注混凝土或安裝樁體等施工沒(méi)有按照規(guī)范要求進(jìn)行以及技術(shù)設(shè)備故障等各種因素可能導(dǎo)致樁基失效或者樁基檢測(cè)資料丟失。在這種情況下，為了評(píng)估該樁基-結(jié)構(gòu)的安全可靠性，需要考慮最不利的情況，即未檢測(cè)的樁基發(fā)生失效時(shí)對(duì)整體樁基-結(jié)構(gòu)的安全性造成的影響。本文以某既有樁基-結(jié)構(gòu)工程為例，基于地層結(jié)構(gòu)法建立三維數(shù)值模型，對(duì)樁基失效引起的樁基-主體結(jié)構(gòu)應(yīng)力變形進(jìn)行分析，為評(píng)估項(xiàng)目安全可靠度提供參考。

1 工程概況

某城市中一廣場(chǎng)內(nèi)營(yíng)銷(xiāo)中心建筑結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)水位絕對(duì)標(biāo)高為4.5m，基礎(chǔ)采用直徑500mm 預(yù)應(yīng)力管樁，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，地基設(shè)計(jì)等級(jí)為乙級(jí)。房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50 年，抗震等級(jí)為三級(jí)，主體結(jié)構(gòu)梁板墻采用C35混凝土，主體柱采用C30混凝土。

根據(jù)該場(chǎng)地的詳細(xì)勘察報(bào)告資料及現(xiàn)場(chǎng)踏勘顯示，該場(chǎng)地原始地貌為濱海平原，后經(jīng)人工回填整平，現(xiàn)整體地勢(shì)較開(kāi)闊，地形較平坦。施工期間測(cè)得各鉆孔孔口高程為2.68～4.41m，最大高差為1.73m。場(chǎng)地內(nèi)部分鉆孔見(jiàn)地下水，地下水類(lèi)型分為孔隙水和基巖裂隙水?？紫端x存于第四系各地層及全風(fēng)化巖中，其中填土層為中等透水層，淤泥、淤泥質(zhì)黏土為微透水層，中粗砂為強(qiáng)透水層，填淤泥、粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)黏性土及全風(fēng)化巖為弱透水層。人工填土中為孔隙潛水，淤泥、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)黏土為隔水層或相對(duì)隔水層，其下的地下水為承壓水。基巖裂隙水賦存于強(qiáng)-中風(fēng)化巖中，強(qiáng)風(fēng)化及中風(fēng)化巖為弱-中等透水層，基巖裂隙水具承壓性。

該商業(yè)廣場(chǎng)總共擁有175 根樁，抗壓樁兼做抗拔樁。根據(jù)《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》（JGJ 106-2014）3.3.5 規(guī)定，采用高應(yīng)變法檢測(cè)單樁豎向抗壓承載力時(shí)檢測(cè)數(shù)量不宜少于總樁數(shù)的5%，即該商業(yè)樓采用高應(yīng)變法檢測(cè)時(shí)樁基承載力至少需要監(jiān)測(cè)9 根，此外還需檢測(cè)3 根抗拔樁。而由于場(chǎng)地受限，實(shí)際采用高應(yīng)變法檢測(cè)了8 根樁基，并檢測(cè)了4 根抗拔樁，檢測(cè)的樁基都合格，但高應(yīng)變法檢測(cè)數(shù)量不足，差1 根。為此，需要研究缺少1 根樁基高應(yīng)變檢測(cè)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，主要從以下方面展開(kāi)研究：

（1）運(yùn)用有限元軟件建立樁-土-結(jié)構(gòu)三維數(shù)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(jié)構(gòu)（梁、柱）的內(nèi)力、變形分布特點(diǎn)及規(guī)律。

（2）在檢查數(shù)量不足的情況下，考慮最不利情況，假定為不合格樁（如最嚴(yán)重時(shí)為斷樁，對(duì)抗拔影響較大），重新按上述樁-底板共同承擔(dān)荷載的方法計(jì)算安全性，特別要給出不合格樁附近的結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形分布特征及規(guī)律。

利用以上有限元分析結(jié)果，為整體樁基-結(jié)構(gòu)的安全可靠度提供參考數(shù)據(jù)，為進(jìn)一步評(píng)估判斷其安全性提供分析依據(jù)。

2 三維數(shù)值建模的建立

2.1 地層結(jié)構(gòu)法

巖土工程中結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)的相互影響分析主要有兩種方法：一類(lèi)是荷載-結(jié)構(gòu)法，一類(lèi)是地層結(jié)構(gòu)法。

荷載結(jié)構(gòu)模型認(rèn)為地層對(duì)結(jié)構(gòu)的作用只是產(chǎn)生作用在地下建筑結(jié)構(gòu)上的荷載（包括主動(dòng)地層壓力和被動(dòng)地層抗力），結(jié)構(gòu)在荷載的作用下產(chǎn)生內(nèi)力和變形。這一方法與設(shè)計(jì)地面結(jié)構(gòu)時(shí)習(xí)慣采用的方法基本一致，區(qū)別是計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)力時(shí)需考慮周?chē)貙咏橘|(zhì)對(duì)結(jié)構(gòu)變形的約束作用。計(jì)算時(shí)先按地層分類(lèi)法或由經(jīng)驗(yàn)公式確定地層壓力，保證結(jié)構(gòu)能安全承受地層壓力等荷載的情況下，按彈性地基上結(jié)構(gòu)物的計(jì)算方法計(jì)算結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)截面設(shè)計(jì)。早年常用的彈性連續(xù)框架（含拱形構(gòu)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(jié)構(gòu)法。該工程由于設(shè)計(jì)構(gòu)件多，并且傳力路徑復(fù)雜，難以用荷載-結(jié)構(gòu)法來(lái)模擬。

地層結(jié)構(gòu)法是一種常用的工程分析方法，通過(guò)對(duì)地層的力學(xué)性質(zhì)和層間相互作用進(jìn)行建模，可以準(zhǔn)確地模擬樁基-結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的行為。在本研究中，本文采用地層結(jié)構(gòu)法建立樁-土-結(jié)構(gòu)的三維數(shù)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(jié)構(gòu)（梁、柱）的內(nèi)力和變形分布特點(diǎn)。

2.2 幾何模型的建立

首先，本文采用MIDAS/GTS有限元軟件對(duì)樁基-結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行建模，將樁、土壤和結(jié)構(gòu)元素離散化為有限元單元。在建模過(guò)程中，考慮材料的本構(gòu)關(guān)系、界面的接觸關(guān)系和非線性效應(yīng)等因素，以獲得更真實(shí)的模擬結(jié)果。針對(duì)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(jié)構(gòu)的變形特點(diǎn)。而在低水位工況下，重點(diǎn)關(guān)注樁基的抗壓性能，分析樁頂軸力的變化以及結(jié)構(gòu)的變形分布規(guī)律。

通過(guò)對(duì)樁基失效前后樁基和主體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變形情況進(jìn)行詳細(xì)分析，可以更好地理解樁基失效對(duì)樁基-結(jié)構(gòu)的影響。

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

計(jì)算過(guò)程中的主要荷載包括各土層的重力、地面超載20kPa，主體結(jié)構(gòu)自重及樁基結(jié)構(gòu)重力，并約束有限元模型底部的豎向位移，計(jì)算模型各側(cè)面的法向位移。

模型中土體采用三維實(shí)體單元，主體結(jié)構(gòu)板、側(cè)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(gòu)件材料均考慮自重，自重方向Z軸向下，模型中土體本構(gòu)采用理想彈塑性模型，遵循Mohr-Coulomb 屈服準(zhǔn)則，上述相關(guān)結(jié)構(gòu)則采用彈性模型。

2.3 分析工況

該工程采用高應(yīng)變法檢測(cè)樁基承載力時(shí)缺少一根未檢測(cè)，最不利的情況為未檢測(cè)的樁基發(fā)生了失效。保守起見(jiàn)，考慮受力最大的兩根樁基失效，分析樁基失效后結(jié)構(gòu)的受力與未失效前的受力的變化情況，同時(shí)與設(shè)計(jì)值進(jìn)行比較，判斷結(jié)構(gòu)的安全性。

分析整體分為4 步：初始應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算；地下室土體挖除；施工主體結(jié)構(gòu)、樁基；樁基失效。

本次分析主要在于樁基失效對(duì)其余樁基、主體結(jié)構(gòu)影響力學(xué)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(yán)重缺陷；高水位（抗浮工況）選擇Z39、Z47存在嚴(yán)重缺陷。

3 模型分析和結(jié)果

3.1 樁基軸力結(jié)果分析

根據(jù)樁基軸力計(jì)算結(jié)果，提取樁基各階段對(duì)應(yīng)的軸力值，見(jiàn)表1所示。

表1 樁基軸力（單位：kN）

計(jì)算結(jié)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(yīng)力狀態(tài)，根據(jù)計(jì)算結(jié)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(yīng)力狀態(tài)，根據(jù)計(jì)算結(jié)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(zhǎng)進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化巖≥1m 或強(qiáng)風(fēng)化巖層≥5m。低水位工況下，斷樁選擇Z1和Z23兩根樁。經(jīng)過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)：樁基全部合格的低水位工況下，軸力最大值出現(xiàn)在Z1上，為1459.34kN；Z1 和Z23 發(fā)生斷樁的低水位工況下，軸力最大值出現(xiàn)在Z13 樁，樁的軸力由1096.48kN 增加至1483.50kN，變化率為35.4%，而原設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

樁基全部合格的高水位工況下，軸拉力最大值出現(xiàn)在Z1上，為105.4kN，軸壓力最大值出現(xiàn)在Z63上，為314.95kN；Z39 和Z47 發(fā)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(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

3.2 柱子軸力結(jié)果分析

根據(jù)主體結(jié)構(gòu)彎矩計(jì)算結(jié)果，提取主體結(jié)構(gòu)各階段各方向最大的彎矩值，見(jiàn)表2所示。

表2 主體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)板最大彎矩，由于結(jié)構(gòu)板采用雙向配筋，故主體結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。高水位工況下，底板X(qián)和Y方向彎矩基本沒(méi)變化，故主體結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

3.3 柱子軸力結(jié)果分析

根據(jù)主體結(jié)構(gòu)中柱子軸力計(jì)算結(jié)果，提取各階段軸力結(jié)果，見(jiàn)表3所示。

表3 主體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)柱受力基本沒(méi)變化，主體結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文借助大型巖土工程有限元軟件Midas/GTS建立三維計(jì)算模型，對(duì)某營(yíng)銷(xiāo)中心樁基失效前后引起的樁基和主體結(jié)構(gòu)應(yīng)力變形進(jìn)行了分析與評(píng)估，結(jié)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(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。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(shè)計(jì)工況考慮，樁基抗拉承載力有48%的安全冗余度，樁基結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

（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(jié)構(gòu)板最大彎矩，由于結(jié)構(gòu)板采用雙向配筋，故主體結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。高水位工況下，底板Y方向彎矩基本沒(méi)變化，X方向彎矩減少，故主體結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

（3）低、高水位工況下，結(jié)構(gòu)柱軸力變化不大，代表柱子處于安全狀態(tài)。

綜上，該工程兩根受力最大的樁基發(fā)生失效不會(huì)影響樁基-結(jié)構(gòu)的安全，即采用高應(yīng)變法少檢測(cè)一根樁基不影響整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全。