桩基失效对桩基-结构影响的数值模拟研究

许路平 谷任国

（华南理工大学，广东 广州 510641）

0 引言

随着城市化进程的加速，建筑工程的规模和复杂度不断提高，对工程安全可靠度的要求也越来越高。其中，桩基检测是工程安全可靠度中非常重要的检测项目之一。然而在既有工程项目验收阶段，挖掘、灌注混凝土或安装桩体等施工没有按照规范要求进行以及技术设备故障等各种因素可能导致桩基失效或者桩基检测资料丢失。在这种情况下，为了评估该桩基-结构的安全可靠性，需要考虑最不利的情况，即未检测的桩基发生失效时对整体桩基-结构的安全性造成的影响。本文以某既有桩基-结构工程为例，基于地层结构法建立三维数值模型，对桩基失效引起的桩基-主体结构应力变形进行分析，为评估项目安全可靠度提供参考。

1 工程概况

某城市中一广场内营销中心建筑结构地上两层，一层层高5.10m，二层层高4.75m；除此还附有一层地下室，地下室的高度为3.62m。地下室的抗浮设计水位绝对标高为4.5m，基础采用直径500mm 预应力管桩，结构安全等级为二级，地基设计等级为乙级。房屋结构设计使用年限为50 年，抗震等级为三级，主体结构梁板墙采用C35混凝土，主体柱采用C30混凝土。

根据该场地的详细勘察报告资料及现场踏勘显示，该场地原始地貌为滨海平原，后经人工回填整平，现整体地势较开阔，地形较平坦。施工期间测得各钻孔孔口高程为2.68～4.41m，最大高差为1.73m。场地内部分钻孔见地下水，地下水类型分为孔隙水和基岩裂隙水。孔隙水赋存于第四系各地层及全风化岩中，其中填土层为中等透水层，淤泥、淤泥质黏土为微透水层，中粗砂为强透水层，填淤泥、粉质黏土、砂质黏性土及全风化岩为弱透水层。人工填土中为孔隙潜水，淤泥、粉质黏土、淤泥质黏土为隔水层或相对隔水层，其下的地下水为承压水。基岩裂隙水赋存于强-中风化岩中，强风化及中风化岩为弱-中等透水层，基岩裂隙水具承压性。

该商业广场总共拥有175 根桩，抗压桩兼做抗拔桩。根据《建筑基桩检测技术规范》（JGJ 106-2014）3.3.5 规定，采用高应变法检测单桩竖向抗压承载力时检测数量不宜少于总桩数的5%，即该商业楼采用高应变法检测时桩基承载力至少需要监测9 根，此外还需检测3 根抗拔桩。而由于场地受限，实际采用高应变法检测了8 根桩基，并检测了4 根抗拔桩，检测的桩基都合格，但高应变法检测数量不足，差1 根。为此，需要研究缺少1 根桩基高应变检测对结构的影响，主要从以下方面展开研究：

（1）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）和低水位（抗压工况）下桩顶轴力、底板、上部结构（梁、柱）的内力、变形分布特点及规律。

（2）在检查数量不足的情况下，考虑最不利情况，假定为不合格桩（如最严重时为断桩，对抗拔影响较大），重新按上述桩-底板共同承担荷载的方法计算安全性，特别要给出不合格桩附近的结构内力、变形分布特征及规律。

利用以上有限元分析结果，为整体桩基-结构的安全可靠度提供参考数据，为进一步评估判断其安全性提供分析依据。

2 三维数值建模的建立

2.1 地层结构法

岩土工程中结构与结构的相互影响分析主要有两种方法：一类是荷载-结构法，一类是地层结构法。

荷载结构模型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（包括主动地层压力和被动地层抗力），结构在荷载的作用下产生内力和变形。这一方法与设计地面结构时习惯采用的方法基本一致，区别是计算结构内力时需考虑周围地层介质对结构变形的约束作用。计算时先按地层分类法或由经验公式确定地层压力，保证结构能安全承受地层压力等荷载的情况下，按弹性地基上结构物的计算方法计算结构的内力，并进行结构截面设计。早年常用的弹性连续框架（含拱形构件）、假定抗力法和弹性地基梁（含曲梁）法等都可归属于荷载结构法。该工程由于设计构件多，并且传力路径复杂，难以用荷载-结构法来模拟。

地层结构法是一种常用的工程分析方法，通过对地层的力学性质和层间相互作用进行建模，可以准确地模拟桩基-结构系统的行为。在本研究中，本文采用地层结构法建立桩-土-结构的三维数值模型，以分析高水位（抗浮工况）和低水位（抗压工况）下桩顶轴力、底板、上部结构（梁、柱）的内力和变形分布特点。

2.2 几何模型的建立

首先，本文采用MIDAS/GTS有限元软件对桩基-结构系统进行建模，将桩、土壤和结构元素离散化为有限元单元。在建模过程中，考虑材料的本构关系、界面的接触关系和非线性效应等因素，以获得更真实的模拟结果。针对桩基失效情况，模拟工况分为高水位和低水位两种工况，在高水位工况下，考虑桩基受到浮力的影响，分析桩顶轴力的分布情况以及底板和上部结构的变形特点。而在低水位工况下，重点关注桩基的抗压性能，分析桩顶轴力的变化以及结构的变形分布规律。

通过对桩基失效前后桩基和主体结构的应力变形情况进行详细分析，可以更好地理解桩基失效对桩基-结构的影响。

计算模型几何尺寸X、Y、Z方向分别取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，不加约束。

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，并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。

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，柱子、桩基采用线单元。地面超载荷载20kPa。模型中各土层和构件材料均考虑自重，自重方向Z轴向下，模型中土体本构采用理想弹塑性模型，遵循Mohr-Coulomb 屈服准则，上述相关结构则采用弹性模型。

2.3 分析工况

该工程采用高应变法检测桩基承载力时缺少一根未检测，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与未失效前的受力的变化情况，同时与设计值进行比较，判断结构的安全性。

分析整体分为4 步：初始应力场计算；地下室土体挖除；施工主体结构、桩基；桩基失效。

本次分析主要在于桩基失效对其余桩基、主体结构影响力学特性分析。

选择受力最大的桩按照失效处理，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。

3 模型分析和结果

3.1 桩基轴力结果分析

根据桩基轴力计算结果，提取桩基各阶段对应的轴力值，见表1所示。

表1 桩基轴力（单位：kN）

计算结果表明，低水位工况下，施工步3 桩基轴力最大为1464.90kN，最小为328.82kN；施工步4 桩基轴力最大为1483.50kN，最小为297.17kN；高水位工况下，施工步3 部分桩处于拉应力状态，根据计算结果，轴拉力最大为105.41kN，最小为0.08kN，轴压力最大为314.95kN，最小为39.46kN；高水位工况下，施工步4 部分桩处于拉应力状态，根据计算结果，轴拉力最大为71.65kN，最小为0.46kN，轴压力最大为312.96kN，最小为46.10kN。

桩长进入强风化岩≥1m 或强风化岩层≥5m。低水位工况下，断桩选择Z1和Z23两根桩。经过计算发现：桩基全部合格的低水位工况下，轴力最大值出现在Z1上，为1459.34kN；Z1 和Z23 发生断桩的低水位工况下，轴力最大值出现在Z13 桩，桩的轴力由1096.48kN 增加至1483.50kN，变化率为35.4%，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。

桩基全部合格的高水位工况下，轴拉力最大值出现在Z1上，为105.4kN，轴压力最大值出现在Z63上，为314.95kN；Z39 和Z47 发生断桩的高水位工况下，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。

3.2 柱子轴力结果分析

根据主体结构弯矩计算结果，提取主体结构各阶段各方向最大的弯矩值，见表2所示。

表2 主体结构最大弯矩汇总（单位：N ⋅m）

低水位工况下，桩基失效后，底板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。

3.3 柱子轴力结果分析

根据主体结构中柱子轴力计算结果，提取各阶段轴力结果，见表3所示。

表3 主体结构主子轴力汇总表（单位：kN）

从表3 可知，低水位工况下，施工步3 柱子轴力最大为1158.45kN；施工步4 柱子轴力最大为1159.28kN。高水位工况下，施工步3 柱子轴力最大为1180.76kN；施工步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。

4 结束语

本文借助大型岩土工程有限元软件Midas/GTS建立三维计算模型，对某营销中心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）低水位工况下，桩基失效后，桩的最大轴力由1096.48kN 增加至1483.50kN，变化率为35.4%，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，桩基失效后最大轴拉力和轴压力都变小，按原设计工况考虑，桩基抗拉承载力有48%的安全冗余度，桩基结构处于安全状态。

（2）低水位工况下，桩基失效后，底板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%，但是整体上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Y方向弯矩基本没变化，X方向弯矩减少，故主体结构处于安全状态。

（3）低、高水位工况下，结构柱轴力变化不大，代表柱子处于安全状态。

综上，该工程两根受力最大的桩基发生失效不会影响桩基-结构的安全，即采用高应变法少检测一根桩基不影响整个结构的安全。