李旭鹏 王想军
摘 要：某工程一层地下室建筑功能为车库，总建筑面积2.1万㎡，结构形式框架，基础采用桩基础+防水底板。桩基础后桩基承载力未达到设计要求，给地下室结构带来一定程度的安全隐患。通过有限元软件对桩基、底板和地下结构的整体数值模拟分析，验证桩基在承载力未达到设计时，混凝土结构构件通过塑性变形，进行内力重分布后构件承载力仍可满足建筑结构受力需求。
关键词：地下室工程;混凝土框架结构;桩基础;隐患工程;弹性分析
1 工程概况
某工程地下一层地下室的建筑功能为车库，总建筑面积为2.1万㎡，建筑层高4.8m，地下室柱网间距为8.4m，结构形式采用混凝土框架结构，基础使用桩基础+防水底板。楼盖采用梁板式结构，楼盖结构平面布置及构件截面如图1所示，顶板厚度160mm。底板也采用梁板式结构，防水底板厚度500mm，平面布置及构件尺寸如图2所示。地下室顶板覆土厚度为1050mm，所有混凝土构件的混凝土强度等级均为C30，结构安全等级为二级，建筑抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度7度，设计基本地震加速度0.10g，设计地震分组：第一组，场地类别：Ⅲ类，地基基础设计等级为甲级，地下室框架部分抗震等级为三级。
桩基础采用机械成孔灌注桩，桩身混凝土强度等级C30，桩径800mm，桩基持力层为中风化石灰岩层，单桩承载力特征值为5250KN，桩尖要求应进入完整中风化岩层内≥500mm。地下室顶部室外地面使用活荷载5 KN/m2，室内地面使用活荷载4 KN/m2，钢筋混凝土自重按照25KN/m3，覆土自重按照18KN/m3计算[1]。除底板采用二级钢以外，其余部位钢筋均采用三级钢，地下室顶框架梁上皮纵筋为6根25，下皮纵筋为9根25，箍筋为10@150（4）;底板配筋双向双层16@200;地下室顶框架梁支座处上皮纵筋采用9根25，下皮纵筋7根25，箍筋为8@100/200（4）;顶板钢筋双向双层16@200。
2 工程存在的隐患及出现的主要原因
2.1 工程隐患
工程竣工投入使用后，底板和地下室顶板个别部位出现不同程度的裂缝，底板渗漏后产生了轻微的结冰现象，顶板个别部位出现微小裂缝，框架梁未出现开裂现象。
2.2 隐患出现的主要原因
通过查看桩基础施工完毕后的检测结果，桩身完整或基本完整，部分落于持力层的桩底带有沉渣，最小单桩极限承载力为2250KN，承载力远低于设计要求，但此类桩没有连续分布的情况出现[2];检测表明部分桩未落于持力层，落于全风化灰岩、强风化灰岩，还有部分桩底带有沉渣。
3 地下室结构数值模拟分析
3.1 工程桩的实际竖向刚度
依据桩基试验数据对工程桩的实际竖向刚度进行计算，工程桩根据承载力的大小分为Ⅰ类、Ⅱ类和Ⅲ类桩，Ⅰ类桩桩底落于全风化灰岩、强风化灰岩或者桩底有沉渣桩，承载力最低，选取《检测报告》[3]中承载力最低的B2-182桩（Q-S曲线如图2（a）所示）的单桩竖向抗压静载试验数据来计算Ⅰ类桩的竖向刚度。Ⅱ类桩桩底落于中风化石灰岩层，桩底有部分沉渣，单桩极限承载力高于2250KN，偏于安全的选取此类桩中承载力最低的B2-127（Q-S曲线如图3（b）所示）桩试验数据来模拟Ⅱ类桩的竖向刚度。Ⅲ类桩桩底落于持力层，承载力满足设计要求的桩，选取此类桩中承载力最高的B2-142桩（Q-S曲线如图3（c）所示）试验数据模拟Ⅲ类桩的竖向刚度。
为真实模拟工程桩的竖向刚度对地下结构的真实影响，计算中采用柱最大竖向轴力标准值和Q-S曲线对应的位移推定桩的竖向刚度。计算时取柱最大竖向轴力标准值2400KN，Ⅰ类桩竖向刚度计算时，对图3（a）的折线沿等斜率延伸，延伸至2400KN处，最大位移量为62.45mm，初步计算得到的初始竖向刚度值为38431KN/m，通过多次迭代计算，Ⅰ类桩实际承受的荷载小于1500KN，从Q-S曲线计算的竖向刚度较初始竖向刚度提高30%，初步等效竖向刚度K1=1.3x38431=49960 KN/m。Ⅱ、Ⅲ类桩竖向刚度计算时，取2400KN作为等效刚度的计算点，当竖向轴力为2400KN时，B、C类桩位移量分布为15.54mm和1.978mm，等效刚度分别为K2=154440KN/m、K3=1213347KN/m。
3.2 桩的分布组合对地下室结构的影响
当不同类型桩的组合形式不同时，地下室结构构件内力会有所变化。为找到桩的布置形式对结构顶板和底板的不利影响，对存在Ⅰ类、Ⅱ类和Ⅲ类桩的组合进行如图4所示的布置。
当不同类型的桩的组合形式不同时，结构的沉降量、沉降差和底板和顶板结构的弯矩设计值也不尽相同，图4布置形式下得到结构的最大沉降、最大沉降差以及地梁、顶梁的最大弯矩设计值、底板和顶板最大弯矩设计值如表1。表1计算结果显示，除Ⅰ+2Ⅱ（直线型）布置时地梁弯矩设计值比Ⅰ+3Ⅱ布置时的地梁弯矩设计值略大以外，其余各项数据在Ⅰ+3Ⅱ布置时均比其它桩型组合时的数据高。
鑒于Ⅰ+3Ⅱ为各种桩型组合的最不利情况，对Ⅰ+3Ⅱ桩型布置下的地下室结构分别按照梁、板刚度折减系数不同进行变形和内力计算，以便考察结构在内力重分布后的受力状态。计算时，刚度折减系数分别取1、0.7、0.5、0.3、0.1，得到结构的最大沉降、最大沉降差、桩最大反力和最小反力标准值以及地梁、顶框架梁端和跨中最大弯矩设计值、底板和顶板端部最大弯矩设计值如表2所示。
结构变形验算：8.4m柱距范围的最大沉降差为17.3mm，接近《建筑地基基础设计规范》中变形允许限值0.002L，说明地下室结构变形可满足正常使用需求。
构件承载力验算：地梁斜截面抗剪承载力888KN，梁端抗弯承载力1024KN·m;底板抗弯承载力159KN·m;地下室顶主框架梁斜截面抗剪承载力1175KN，梁端抗弯承载力1273KN，跨中抗弯承载力1024KN;顶板抗弯承载力M=24.4KN·m。说明地下室结构在正常使用情况下产生一定程度的塑性变形，构件内部会产生内力重分布，构件的承载力可满足承载力要求。
4 结语
4.1 桩基工程当有部分桩承载力有欠缺时，原本缺欠桩应承担的竖向荷载因构件内力重分布的产生转移到周边桩上，减轻了欠缺桩的负担，使得承载力欠缺桩不至于出现破坏的情况。
4.2 构件在产生内力重分布后的内力仍可满足承载力要求。
4.3 工程中存在承载力欠缺桩时，引起的不均匀沉降差可满足《建筑地基基础设计规范》中地基变形允许限值0.002L。
4.4 欠缺桩产生沉降后，结构梁板和底板上会出现一定程度的裂缝，但不影响到结构安全。
4.5 建议对结构进行长期观测，如出现开裂和渗漏等情况，应及时修补，保证结构耐久使用要求。
参考文献：
[1]GB50009-2012 建筑结构荷载规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2012.
[2]大连市勘察测绘研究院有限公司.检测报告[R]. 2009.
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