桩基缺陷对桩基承载力的影响研究

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摘要：利用ANSYS有限元软件对桩基缺陷建立数值分析模型，通过对不同缺陷位置和缺陷形式的计算，研究桩基应力和应变的结果，以此反映桩基缺陷对桩基承载力的影响。

关键词：桩基 ；缺陷 ；承载力 ；ANSYS

中图分类号：TU473.1 文献标识码：A 文章编号：

1 桩基承载力研究的基本理论介绍

桩基按照受力方式的不同可以分为竖向承载力和水平承载力两种。《公路桥涵地基与基础设计规范》（D62-2007）中对桩基承载力的解释为：单桩在外荷载的作用下，由于桩土的共同作用，地基土和桩本身的强度稳定性均得到保证，且变形在容许范围内所能承受的最大荷载。

2 ANSYS有限元模型的建立

2.1本文模型的建立

本文选取的模型基础为江苏省内的某省道工程某大桥工程，桥梁全长超过1000米，桥跨布置为10×30+6×35+（64+100+64）+20×30，主墩采用薄壁墩、钻孔灌注桩基础（端承桩）。.采用ANSYS中的SOLID45单元在空间坐标系中建立半径为1m，高18m的圆柱体。本文对桩基缺陷的位置、桩基缺陷的特征（全断面、环形、扇形）的变化对桩基在荷载作用下应力的影响进行了分析对比。

2.2 桩基缺陷位置对承载力的影响

如上节所建立桩基模型，本节主要对三种桩基缺陷形式下处于不同桩基位置时对桩基应力的影响，侧面反映其对桩基承载力的影响。其中，桩基全断面缺陷取桩基竖向0.5m高的全断面，桩基环形缺陷设置为桩基外径0.2m的整个环面，桩基扇形缺陷则将断面划分为30。为基准的12个扇面，桩基缺陷的模拟采用降低缺陷区域的混凝土弹性模量的形式模拟，缺陷部分弹性模量设为10Mpa，泊松比为0.24，每个缺陷形式分别建立对应桩基上部、中部、下部三个有限元分析模型，对桩基缺陷进行横向对比，分析各缺陷形式下对应的最不利缺陷位置。

2.2.1 桩基扇形缺陷对承载力的影响

若桩身承受扇形缺陷，则分别计算其位于桩基上、中、下部时的应力，假设桩基承受桩轴心为圆心角度为的60。缺陷，对桩基应力的计算同样取桩身最大主压应力、桩身最大压应变两方面进行分析。

经过对上、下部模型的计算，缺陷位于桩基底部时，桩身所受压应力增长最为明显，其值达到为7.77Mpa，而桩身最大压应变的值在缺陷位于桩基中部时达到最大值，但此应变值未考虑桩基自重的影响，且中、下部应变值较接近，因此实际工程中应以下部缺陷作为最不利缺陷位置。

不同缺陷形式下，对比桩基缺陷位置对承载力的影响的计算结果如下，

无缺陷桩基：最大主压应力4.40 Mpa,最大压应变5.45 mm,扇形上部缺陷：最大主压应力5.26 Mpa,最大压应变8.17mm,扇形中部缺陷：最大主压应力7.02 Mpa,最大压应变8.07 mm,扇形下部缺陷：最大主压应力7.80 Mpa,最大压应变8.06mm,全断面上部缺陷：最大主压应力5.27 Mpa,最大压应变7.71 mm,全断面中部缺陷：最大主压应力6.40 Mpa,最大压应变8.11 mm全断面下部缺陷：最大主压应力7.77Mpa,最大压应变8.10 mm,环形上部缺陷: 最大主压应力5.47 Mpa,最大压应变9.00 mm环形中部缺陷: 最大主压应力6.40 Mpa,最大压应变8.99 mm,环形下部缺陷: 最大主压应力7.76 Mpa,最大压应变9.08 mm。

从计算结果可以看出，无缺陷桩基其桩身所受压应力为4.40Mpa，存在全断面缺陷的桩基其最大主压应力和最大压应变均比无缺陷桩基有明显增长。桩身最大主压应力和桩身最大压应变值分别当缺陷出现在桩基下部和上部时达到最大值，分别为6.26Mpa和8.17mm。

由上述结果可知，桩身最大主压应力和桩身最大压应变值均当缺陷出现在桩基下部时达到最大值，分别为7.76Mpa和9.08mm，因此，此种缺陷情况下，下部缺陷为三种缺陷位置中的最不利位置。而当缺陷位于上部时缺陷对桩基承载力的影响最小。

2.3 桩基缺陷特征对承载力的影响

本节将从等量缺陷入手对比不同缺陷形式下，同样缺陷位置桩身所受应力和应变结果。采用等体积缺陷的模拟方式，全断面缺陷的高度为0.5m，经等体积计算，对应的扇形高度1.5m（扇形缺陷角度为60。），对应的环形缺陷高度为1.39m。

2.3.1 桩基中部缺陷

桩基中部缺陷多发生于桩基清孔和浇筑过程中的引起的局部孔壁坍塌情况，部分桩基由于整体长度较大，中部缺陷较难处理，多采用注浆加固方式。假设三种缺陷形式以等量形式作用于桩基中部时。

经计算，当缺陷发生在桩基中部时，桩身所受最大主压应力在缺陷形式为扇形时达到三者的最大值，为6.76Mpa，而最大压应变值则是在桩基环形缺陷时为最大，为8.36mm。桩基中部最不利缺陷形式的判定应以实际情况的应力应变值中的一种或二者共同作为参考依据。三者中的最小压应力值为6.40Mpa,最小压应变值为8.11mm，均为缺陷形式为全断面时达到。说明全断面缺陷形式为桩基中部缺陷的相对最有利缺陷特征。

对应桩基上、中、下部时不同缺陷特征下桩身最大应力应变计算结果如下

无缺陷桩基：最大主应力为4.40 Mpa,最大压应变为5.45mm，上部全断面缺陷：最大主应力为5.27 Mpa,最大压应变为7.71mm，上部扇形缺陷：最大主应力为5.16 Mpa,最大压应变为8.22mm，上部环形缺陷：最大主应力为5.71 Mpa,最大压应变为8.40mm，中部全断面缺陷：最大主应力为6.40 Mpa,最大压应变为8.11mm，中部扇形缺陷：最大主应力为6.76 Mpa,最大压应变为8.22mm，中部环形缺陷：最大主应力为6.61Mpa,最大压应变为8.36mm，下部全断面缺陷：最大主应力为7.50 Mpa,最大压应变为8.10mm，下部扇形缺陷：最大主应力为7.56 Mpa,最大压应变为8.23mm，下部环形缺陷：最大主应力为7.78 Mpa,最大压应变为8.37mm，

分析上述数据可知，三种缺陷作用于桩基上部时，缺陷为环形时，桩身所受最大主压应力和最大压应变均为最大，其值分别为5.71Mpa和8.40mm，，说明在桩基上部等量缺陷体积及程度下，缺陷为环形形式时产生的危害最大。其压应力相对小值发生在缺陷为扇形缺陷时，大小为5.16Mpa，压应变相对小值发生在缺陷为全断面缺陷时，应变值为7.71mm。

若缺陷出现在桩基下部，则桩身最大主压应力压应变的值都是在缺陷形式为环形缺陷时为相对最大，分别为4.53Mpa、8.37mm，而两者的相对小值出现在缺陷形式为全断面形式时，比环形缺陷小0.18Mpa、0.27mm。以上两种缺陷类型分别成为最不利缺陷形式和最有利缺陷形式。

3 结论

经过本文对端承桩桩基缺陷位置与缺陷特征两方面对承载力的影响进行的计算分析，得到以下几点结论：

1、当桩身存在缺陷时，同样荷载条件下桩身内部会承受更大的压应力，相对应的变形也会增大。不仅对桩基自身可靠性产生影响，对上部建筑的安全性、耐久性有较大危害。不同作用位置三种缺陷作用下，均当缺陷发生于下部时对承载力最不利，仅当缺陷形式为扇形时，桩基上部的压应变会较大。

2、等量缺陷特征分别对应桩基上、中、下部分时，环形缺陷对桩基承载力影响最明显。扇形缺陷发生在桩基上部时，桩身所受压应力仍为最大。

参考文献

[1] JGJ 106—2003建筑基桩检测技术规范[S] ．北京: 中国建筑工业出版社,2003

[2 杨兴其．桩基静压试验研究[M] ．北京：中国铁道出版社，2002

[3王新敏．ANSYS工程结构数值分析[M]．人民交通出版社，2007