既有桩基-结构安全可靠性数值分析

张景珩

（广东省建筑设计研究院有限公司，广东 广州 510010）

1 项目概况

珠海置地广场一期包括住宅、商业（含营销中心）和学校等构成，总建筑面积约18.8 万m2。其中营销中心为两层结构，地面以上总高约10m，负一层地下室高度为3.60m。基础设计等级为乙级。基础采用直径500mm 预应力管桩，单桩抗压承载力特征值为2100kN，抗拔承载力特征值为200/400kN，桩端持力层为全风化/强风化岩。

根据项目勘察报告，场地内分布的地层由上至下依次为①1素填土、①2填淤泥、②淤泥、③1粉质黏土、③2淤泥质黏土、③3中粗砂、④砂质黏性土、⑤1全风化花岗岩、⑤2-1土状强风化花岗岩。勘察场地范围地下水类型分为孔隙水和基岩裂隙水，稳定水位埋深介于0～2.50m。设计抗浮水位取至地面。营销中心桩基础平面布置如图1 所示。

图1 营销中心桩基础平面布置

桩基检测营销中心与商业为一个检验批，整体商业共175 根桩，抗压兼抗拔。根据《建筑基桩检测技术规范》（JGJ 106—2014）规定，预制桩采用高应变法检测单桩竖向抗压承载力，检测数量不宜少于总桩数的5%，且不得少于5 根；对设计有抗拔要求的桩基工程，检测数量不应少于同一条件下桩基分项工程总桩数的1%，且不应少于3 根。故商业楼至少需要监测9 根高应变，3 根抗拔，而实际检测了8 根高应变和4 根抗拔，检测的桩基都合格，但高应变检测数量不足，差1 根。

2 整体分析思路

研究缺少一根桩基高应变检测对营销中心的影响，主要从以下两个方面展开。

（1）考虑桩-底板共同承担荷载的方法计算设计的安全冗余度。运用有限元软件建立桩-土-结构三维数值模型，分析高水位（抗浮工况）、低水位（抗压工况）下桩顶轴力、底板及上部结构（梁、柱）的内力、和结构变形分布特点及规律，从而对桩的承载力、底板抗裂、结构安全性作出分析评估，给出设计的安全冗余度[1]。

（2）考虑存在不合格桩的工况下，桩-底板共同承担荷载的方法计算分析结构体系的安全性。即在检查数量不足的情况下，假定其中某根桩为不合格桩（最严重时为断桩，对抗拔影响较大）情况，重新按上述桩-底板共同承担荷载的方法计算安全性，特别给出不合格桩附近的结构内力、变形分布特征及规律，分析现有设计是否满足安全要求[2-3]。

3 建模方式

岩土工程中上部结构和基础之间的相互影响分析主要有两种方法：一类是荷载-结构法，另外一类是地层结构法[4]。

荷载结构法是以荷载结构模型为基础，认为地层对结构的作用只是产生作用在地下建筑结构上的荷载，结构在荷载的作用下产生内力和变形。计算时先按地层分类法或由实用公式确定地层压力，保证结构能安全可靠地承受地层压力等荷载的作用下，按弹性地基上结构物的计算方法计算衬砌内力，并进行结构截面设计。本工程由于设计构件多，传力路径复杂，难以用荷载-结构法来模拟。

地层结构法则主要包括地层的合理化模拟、结构模拟、施工过程模拟以及施工过程中结构与周围地层的相互作用、地层与结构相互作用的模拟。地层结构模型的计算理论即为地层结构法。其原理是将衬砌和地层视为整体，在满足变形协调条件的前提下分别计算衬砌与地层的内力，并据以验算地层的稳定性和进行构件截面设计。

与荷载结构法相比，地层结构法充分考虑了结构与周围地层的相互作用，结合具体的施工过程可以充分模拟地下结构以及周围地层在每一个施工工况的结构内力以及周围地层的变形，更符合工程实际。

本次模型采用地层-结构法建模。

4 三维数值建模

4.1 几何模型范围

建模采用MIDASGTS 软件，参阅相关文献，结合实际经验，计算模型几何尺寸X、Y、Z 分别为150m、120m、50m。计算模型侧向加水平约束，底部加竖向约束，顶面为自由面，不施加约束。有限元三维计算模型如图2 所示。

图2 有限元三维计算模型

4.2 荷载及边界条件

计算过程中的主要荷载包括各土层的重力、地面超载20kPa，主体结构自重及桩基结构重力，通过约束有限元模型底部的竖向位移，计算模型各侧面的法向位移。

4.3 土层参数及本构关系

本项目根据岩土工程勘察报告提供的压缩模量平均值Es，在初定弹性模量E=（3～5）Es的基础上，结合已有工程经验，对各土层弹性模量进行取值。土层参数及本构关系如表1 所示。

表1 土层参数及本构关系

4.4 三维模型的建立

模型中土体采用三维实体单元，主体结构板、侧墙采用板单元，柱、桩基采用线单元；土体采用理想弹塑性模型，遵循摩尔-库伦屈服准则，上述相关结构则采用弹性模型。

4.5 分析工况

本工程高应变桩基缺少一根未检测，最不利的情况为未检测的桩基发生了失效。保守起见，考虑受力最大的两根桩基失效，分析桩基失效后结构的受力对比未失效前的应力变形的变化情况，同时与设计值进行比较，判断结构的安全性。具体分析工况如表2 所示。

表2 分析工况

工况4 选择工况3 下受力最大两根桩按照失效处理，其中低水位（抗压工况）选择Z1、Z23 桩身存在严重缺陷；高水位（抗浮工况）选择Z39、Z47 存在严重缺陷。桩基编号如图3 所示。

图3 桩基编号

5 模拟结果

5.1 桩基轴力结果分析

低水位工况3 桩基轴力如图4 所示，可以看出低水位工况桩均处于受压状态，根据计算结果，低水位工况3 轴力最大1464.90kN，最小328.82kN；高水位工况3 部分桩处于拉应力状态，拉力最大105.41kN，最小0.08kN，轴压力最大314.95kN，最小39.46kN。

图4 低水位工况3 桩基轴力

在桩基全部合格情况的低水位工况下，轴力最大值发生在Z1 上，为1459.34kN；Z1 和Z23 桩断桩情况的低水位工况下，轴力最大值发生在Z13 桩，桩的轴力由1096.48kN 增加至1483.50kN，轴压力变化率为35.30%，而原设计桩基最大轴压力为2100kN，桩基承载力仍有30%的安全冗余度，桩基结构处于安全状态。

高水位工况下，轴拉力最大值发生在Z1 上，为105.4kN，轴压力最大值发生在Z63 上，为314.95kN；Z39和Z47 桩断桩情况的高水位工况下，最大轴拉力和最大轴压力都变小。桩基受拉工况按照原始最大值105.4kN考虑，原设计桩基最大轴拉力为200kN，桩基承载力仍有48%的安全冗余度，桩基结构处于安全状态。

图5 为低水位工况3 下主体结构板X 向弯矩的计算结果。

图5 低水位工况3 主体结构板X 向弯矩

5.2 主体结构板弯矩结果分析

根据主体结构弯矩云图，提取工况3 和工况4 对应于各方向最大的弯矩结果，结果汇总如表3 所示。

表3 主体结构最大弯矩汇总

低水位工况下，底板最大弯矩Y 方向弯矩最大值变小，X 方向弯矩增加，弯矩增加幅度为14.79%，但是小于原结构板最大弯矩，由于结构板采用双向配筋，故主体结构处于安全状态。高水位工况下，底板X 和Y 方向弯矩基本没变化，故主体结构处于安全状态。

5.3 柱子轴力结果分析

根据模型结果，低水位工况3 柱子轴力最大为1158.45kN；低水位工况4 柱子轴力最大为1159.28kN；高水位工况3 柱子轴力最大为1180.76kN；高水位工况4 柱子轴力最大为1180.75kN。从以上轴力分析可知，结构柱受力基本没变化，主体结构处于安全状态[5]。

6 结论

本次分析借助岩土工程有限元软件Midas/GTS 建立三维计算模型，对营销中心2 根桩基失效前后引起的桩基和主体结构应力变形进行了分析与评估，结论如下。

（1）低水位工况，轴力最大值的桩由1096.48kN 增加至1483.50kN，轴压力变化率为35.30%，桩基承载力仍有30%的安全冗余度，桩基结构处于安全状态。高水位工况，最大轴拉力和轴压力都变小，对比原设计，桩基抗拉承载力有48%的安全冗余度。

（2）低水位工况下，底板最大弯矩Y 方向弯矩最大值变小，X 方向弯矩增加，弯矩增加幅度为14.79%，仍小于原结构板最大弯矩，由于结构板采用双向配筋，故结构板配筋满足要求。高水位工况下，底板Y 方向弯矩基本没变化，X 方向弯矩减少，原设计满足要求。

（3）低、高水位工况下，结构柱轴力变化不大，结构柱处于安全状态。

综上分析可知，本工程少检测一根高应变桩基不影响整个结构的安全。