張景珩

（廣東省建筑設(shè)計研究院有限公司，廣東 廣州 510010）

1 項(xiàng)目概況

珠海置地廣場一期包括住宅、商業(yè)（含營銷中心）和學(xué)校等構(gòu)成，總建筑面積約18.8 萬m2。其中營銷中心為兩層結(jié)構(gòu)，地面以上總高約10m，負(fù)一層地下室高度為3.60m?；A(chǔ)設(shè)計等級為乙級?；A(chǔ)采用直徑500mm 預(yù)應(yīng)力管樁，單樁抗壓承載力特征值為2100kN，抗拔承載力特征值為200/400kN，樁端持力層為全風(fēng)化/強(qiáng)風(fēng)化巖。

根據(jù)項(xiàng)目勘察報告，場地內(nèi)分布的地層由上至下依次為①1素填土、①2填淤泥、②淤泥、③1粉質(zhì)黏土、③2淤泥質(zhì)黏土、③3中粗砂、④砂質(zhì)黏性土、⑤1全風(fēng)化花崗巖、⑤2-1土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖?？辈靾龅胤秶叵滤愋头譃榭紫端突鶐r裂隙水，穩(wěn)定水位埋深介于0～2.50m。設(shè)計抗浮水位取至地面。營銷中心樁基礎(chǔ)平面布置如圖1 所示。

圖1 營銷中心樁基礎(chǔ)平面布置

樁基檢測營銷中心與商業(yè)為一個檢驗(yàn)批，整體商業(yè)共175 根樁，抗壓兼抗拔。根據(jù)《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》（JGJ 106—2014）規(guī)定，預(yù)制樁采用高應(yīng)變法檢測單樁豎向抗壓承載力，檢測數(shù)量不宜少于總樁數(shù)的5%，且不得少于5 根；對設(shè)計有抗拔要求的樁基工程，檢測數(shù)量不應(yīng)少于同一條件下樁基分項(xiàng)工程總樁數(shù)的1%，且不應(yīng)少于3 根。故商業(yè)樓至少需要監(jiān)測9 根高應(yīng)變，3 根抗拔，而實(shí)際檢測了8 根高應(yīng)變和4 根抗拔，檢測的樁基都合格，但高應(yīng)變檢測數(shù)量不足，差1 根。

2 整體分析思路

研究缺少一根樁基高應(yīng)變檢測對營銷中心的影響，主要從以下兩個方面展開。

（1）考慮樁-底板共同承擔(dān)荷載的方法計算設(shè)計的安全冗余度。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）、低水位（抗壓工況）下樁頂軸力、底板及上部結(jié)構(gòu)（梁、柱）的內(nèi)力、和結(jié)構(gòu)變形分布特點(diǎn)及規(guī)律，從而對樁的承載力、底板抗裂、結(jié)構(gòu)安全性作出分析評估，給出設(shè)計的安全冗余度[1]。

（2）考慮存在不合格樁的工況下，樁-底板共同承擔(dān)荷載的方法計算分析結(jié)構(gòu)體系的安全性。即在檢查數(shù)量不足的情況下，假定其中某根樁為不合格樁（最嚴(yán)重時為斷樁，對抗拔影響較大）情況，重新按上述樁-底板共同承擔(dān)荷載的方法計算安全性，特別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，分析現(xiàn)有設(shè)計是否滿足安全要求[2-3]。

3 建模方式

巖土工程中上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)之間的相互影響分析主要有兩種方法：一類是荷載-結(jié)構(gòu)法，另外一類是地層結(jié)構(gòu)法[4]。

荷載結(jié)構(gòu)法是以荷載結(jié)構(gòu)模型為基礎(chǔ)，認(rèn)為地層對結(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，結(jié)構(gòu)在荷載的作用下產(chǎn)生內(nèi)力和變形。計算時先按地層分類法或由實(shí)用公式確定地層壓力，保證結(jié)構(gòu)能安全可靠地承受地層壓力等荷載的作用下，按彈性地基上結(jié)構(gòu)物的計算方法計算襯砌內(nèi)力，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)截面設(shè)計。本工程由于設(shè)計構(gòu)件多，傳力路徑復(fù)雜，難以用荷載-結(jié)構(gòu)法來模擬。

地層結(jié)構(gòu)法則主要包括地層的合理化模擬、結(jié)構(gòu)模擬、施工過程模擬以及施工過程中結(jié)構(gòu)與周圍地層的相互作用、地層與結(jié)構(gòu)相互作用的模擬。地層結(jié)構(gòu)模型的計算理論即為地層結(jié)構(gòu)法。其原理是將襯砌和地層視為整體，在滿足變形協(xié)調(diào)條件的前提下分別計算襯砌與地層的內(nèi)力，并據(jù)以驗(yàn)算地層的穩(wěn)定性和進(jìn)行構(gòu)件截面設(shè)計。

與荷載結(jié)構(gòu)法相比，地層結(jié)構(gòu)法充分考慮了結(jié)構(gòu)與周圍地層的相互作用，結(jié)合具體的施工過程可以充分模擬地下結(jié)構(gòu)以及周圍地層在每一個施工工況的結(jié)構(gòu)內(nèi)力以及周圍地層的變形，更符合工程實(shí)際。

本次模型采用地層-結(jié)構(gòu)法建模。

4 三維數(shù)值建模

4.1 幾何模型范圍

建模采用MIDASGTS 軟件，參閱相關(guān)文獻(xiàn)，結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，計算模型幾何尺寸X、Y、Z 分別為150m、120m、50m。計算模型側(cè)向加水平約束，底部加豎向約束，頂面為自由面，不施加約束。有限元三維計算模型如圖2 所示。

圖2 有限元三維計算模型

4.2 荷載及邊界條件

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(jié)構(gòu)自重及樁基結(jié)構(gòu)重力，通過約束有限元模型底部的豎向位移，計算模型各側(cè)面的法向位移。

4.3 土層參數(shù)及本構(gòu)關(guān)系

本項(xiàng)目根據(jù)巖土工程勘察報告提供的壓縮模量平均值Es，在初定彈性模量E=（3～5）Es的基礎(chǔ)上，結(jié)合已有工程經(jīng)驗(yàn)，對各土層彈性模量進(jìn)行取值。土層參數(shù)及本構(gòu)關(guān)系如表1 所示。

表1 土層參數(shù)及本構(gòu)關(guān)系

4.4 三維模型的建立

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、樁基采用線單元；土體采用理想彈塑性模型，遵循摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則，上述相關(guān)結(jié)構(gòu)則采用彈性模型。

4.5 分析工況

本工程高應(yīng)變樁基缺少一根未檢測，最不利的情況為未檢測的樁基發(fā)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(jié)構(gòu)的受力對比未失效前的應(yīng)力變形的變化情況，同時與設(shè)計值進(jìn)行比較，判斷結(jié)構(gòu)的安全性。具體分析工況如表2 所示。

表2 分析工況

工況4 選擇工況3 下受力最大兩根樁按照失效處理，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。樁基編號如圖3 所示。

圖3 樁基編號

5 模擬結(jié)果

5.1 樁基軸力結(jié)果分析

低水位工況3 樁基軸力如圖4 所示，可以看出低水位工況樁均處于受壓狀態(tài)，根據(jù)計算結(jié)果，低水位工況3 軸力最大1464.90kN，最小328.82kN；高水位工況3 部分樁處于拉應(yīng)力狀態(tài)，拉力最大105.41kN，最小0.08kN，軸壓力最大314.95kN，最小39.46kN。

圖4 低水位工況3 樁基軸力

在樁基全部合格情況的低水位工況下，軸力最大值發(fā)生在Z1 上，為1459.34kN；Z1 和Z23 樁斷樁情況的低水位工況下，軸力最大值發(fā)生在Z13 樁，樁的軸力由1096.48kN 增加至1483.50kN，軸壓力變化率為35.30%，而原設(shè)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(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

高水位工況下，軸拉力最大值發(fā)生在Z1 上，為105.4kN，軸壓力最大值發(fā)生在Z63 上，為314.95kN；Z39和Z47 樁斷樁情況的高水位工況下，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)。

圖5 為低水位工況3 下主體結(jié)構(gòu)板X 向彎矩的計算結(jié)果。

圖5 低水位工況3 主體結(jié)構(gòu)板X 向彎矩

5.2 主體結(jié)構(gòu)板彎矩結(jié)果分析

根據(jù)主體結(jié)構(gòu)彎矩云圖，提取工況3 和工況4 對應(yīng)于各方向最大的彎矩結(jié)果，結(jié)果匯總?cè)绫? 所示。

表3 主體結(jié)構(gòu)最大彎矩匯總

低水位工況下，底板最大彎矩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 和Y 方向彎矩基本沒變化，故主體結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

5.3 柱子軸力結(jié)果分析

根據(jù)模型結(jié)果，低水位工況3 柱子軸力最大為1158.45kN；低水位工況4 柱子軸力最大為1159.28kN；高水位工況3 柱子軸力最大為1180.76kN；高水位工況4 柱子軸力最大為1180.75kN。從以上軸力分析可知，結(jié)構(gòu)柱受力基本沒變化，主體結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)[5]。

6 結(jié)論

本次分析借助巖土工程有限元軟件Midas/GTS 建立三維計算模型，對營銷中心2 根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)行了分析與評估，結(jié)論如下。

（1）低水位工況，軸力最大值的樁由1096.48kN 增加至1483.50kN，軸壓力變化率為35.30%，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，最大軸拉力和軸壓力都變小，對比原設(shè)計，樁基抗拉承載力有48%的安全冗余度。

（2）低水位工況下，底板最大彎矩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%，仍小于原結(jié)構(gòu)板最大彎矩，由于結(jié)構(gòu)板采用雙向配筋，故結(jié)構(gòu)板配筋滿足要求。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，原設(shè)計滿足要求。

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

綜上分析可知，本工程少檢測一根高應(yīng)變樁基不影響整個結(jié)構(gòu)的安全。