裴 迅，芮大虎，吳慶紅，葛執(zhí)禮

(1．河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院，河南焦作454003;2．中鐵十六局集團(tuán)軌道交通公司，北京111018)

0 引言

隨著我國(guó)城市化建設(shè)的快速發(fā)展，城市軌道工程施工中遇到既有建筑物樁基時(shí)，需要將侵入的樁體整體拔出。但是，拔樁過(guò)程中存在周邊土體擾動(dòng)而影響周圍建筑物的安全、樁體和鉆機(jī)垂直度偏差較大出現(xiàn)“啃樁”現(xiàn)象、樁體拔出過(guò)程中孔壁易坍塌以及由于斷樁引起清障不徹底等諸多問(wèn)題。目前對(duì)抗拔承載力研究，國(guó)內(nèi)外做了大量的試驗(yàn)和研究。劉文白等［1］通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)和PFC2D軟件模擬了拔樁過(guò)程，并確定了樁的上拔承載力;吳林峰等［2］利用水射流破土機(jī)理破壞樁周土層，減小樁側(cè)摩阻力，經(jīng)濟(jì)、高效的將樁體拔出;宋輝等［3］利用有限元程序ABAQUS軟件，模擬了拔樁過(guò)程中套管壓入和拔出對(duì)既有管道的水平位移和沉降的變化規(guī)律，并為施工提供了有益的指導(dǎo)。國(guó)外有Ramanathan等［4］對(duì)拔樁在砂土中的摩阻力變化規(guī)律進(jìn)行了研究;Parry等［5］和 Rao 等［6］通過(guò)模型實(shí)驗(yàn)研究了抗拔樁的破壞面形式及抗拔樁承載力在不同的條件下(樁的長(zhǎng)徑比、樁表面粗糙度、土體的密實(shí)度)的變化情況，提出了抗拔樁承載力的半經(jīng)驗(yàn)公式。

拔樁施工中如何切斷樁體與樁周土的聯(lián)系，即破除樁周的摩阻力是關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。對(duì)于不同類型的樁在不同地質(zhì)情況下，其減阻方法也是多種多樣。戴金林［7］利用庫(kù)倫定律對(duì)樁體極限摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行了計(jì)算，與現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)吻合良好，并提出了鉆孔灌注樁側(cè)壁摩阻參數(shù)計(jì)算新模式;劉杰［8］通過(guò)對(duì)樁側(cè)摩阻力的分析計(jì)算和選用有效的減阻措施，有效的避免了工程中斷樁的發(fā)生。

本文以鄭州南站連接線明挖隧道工程(拔樁區(qū)間)，擬拔除的灌注樁直徑大、樁長(zhǎng)、拔樁難度大的特點(diǎn)，為了能夠安全、快速的將樁體拔出，對(duì)樁基受力特征和減小樁側(cè)摩阻的方法進(jìn)行了研究。

1 工程概況

鄭州南站連接線明挖隧道工程是新建鄭州機(jī)場(chǎng)至鄭州南站連接線工程的一部分，為地下區(qū)間隧道，以確保鄭州機(jī)場(chǎng)二期工程按期投入使用，實(shí)現(xiàn)鄭州東站、鄭州機(jī)場(chǎng)與鄭州南站的銜接。本期實(shí)施的部分連接線工程處于擬建的鄭州機(jī)場(chǎng)二期工程飛行區(qū)站坪下方，小里程端與鄭州至新鄭機(jī)場(chǎng)城際鐵路明挖區(qū)間隧道相接，大里程端至本期工程終點(diǎn)，總長(zhǎng)396．58 m。線路走向具體詳見(jiàn)圖1所示。

圖1 新建工程線路平面示意圖

由于本工程施工起點(diǎn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)與原城際鐵路圍護(hù)樁相碰，需對(duì)原城際鐵路圍護(hù)樁進(jìn)行拆除。拆除原城際鐵路圍護(hù)樁的直徑1．2 m、樁長(zhǎng)22．3 m、樁身強(qiáng)度C30，總計(jì)為52根。

拔樁場(chǎng)地位于鄭機(jī)城際鐵路工程施工現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)，已完成鉆孔灌注樁的施工，尚未進(jìn)行冠梁澆筑和土方開(kāi)挖。需拔除的鋼筋混凝土鉆孔灌注樁的周邊地層結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 地層結(jié)構(gòu)示意圖

2 拔樁的破壞形態(tài)

圖3 拔樁破壞形式圖

拔樁過(guò)程中樁周土破壞如圖3所示，可分為樁土接觸面的剪切破壞、樁周土體錐形破壞、復(fù)合剪切面破壞。Meyerhof等［9］曾指出，當(dāng)樁頂荷載達(dá)到極限抗拔承載力時(shí)，土體剪切破壞面在樁底處與樁側(cè)表面相切，而在地表面，土體破壞面與水平面成45°－φ/2夾角。何思明［10］基于這種理論的基礎(chǔ)上，總結(jié)出了適合33種土體剪切破壞的破壞面計(jì)算公式:

根據(jù)邊界條件x=r、z=0(計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖4)，對(duì)式(1)等式兩邊同時(shí)積分，得到土體破壞面方程為:

圖4 拔樁承載力計(jì)算簡(jiǎn)圖

式中:φ——土體內(nèi)摩擦角;r——樁的半徑;L——樁長(zhǎng);N——待定參數(shù)。

當(dāng)N趨于無(wú)窮大時(shí)，對(duì)式(2)取極限得:

式(3)即為樁土接觸面剪切破壞時(shí)土體破壞面方程。

當(dāng)N趨于0時(shí)，對(duì)式(2)取極限得:

式(4)為樁周土體錐形破壞時(shí)土體破壞面方程。

一般而言，拔樁的破壞模式通常為圖(3)中的(a)，即樁土接觸面的剪切破壞。對(duì)于這種破壞形式，其抗拔力可用式(5)這種經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算:

由上式可知，樁體抗拔力包括樁體自重W和樁側(cè)摩阻力f。準(zhǔn)確的計(jì)算樁身與樁周土體之間的摩擦力，能為拔樁施工提供安全有效的指導(dǎo)。

3 拔樁極限側(cè)阻力及設(shè)備選型

3．1 樁體極限側(cè)阻力計(jì)算

樁體拔除是樁周土體由受剪破壞到樁土剝離的過(guò)程。因此，拔樁極限側(cè)阻力宜按下式計(jì)算［11］:

式中:qsik——樁側(cè)第i層土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值，可按表1取值;u——樁身周長(zhǎng);li——第 i層土的厚度;ψsi——大直徑樁側(cè)阻尺寸效應(yīng)系數(shù)，粉土取

表1 樁側(cè)摩阻力計(jì)算參數(shù)

樁側(cè)極限阻力:

為了防止施工中斷樁現(xiàn)象的發(fā)生，必須考慮樁體自身的抗拉強(qiáng)度。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2010)［12］中的 6．2．22 條，樁身軸向拉力設(shè)計(jì)值表達(dá)式如下(不考慮預(yù)應(yīng)力筋):

式中:fy——鋼筋抗拉強(qiáng)度;As——鋼筋截面積。

由上述計(jì)算可知，樁側(cè)極限阻力遠(yuǎn)大于鋼筋抗拉強(qiáng)度。為了防止出現(xiàn)斷樁，造成二次拔樁的問(wèn)題，必須減小樁側(cè)阻力，以便能夠?qū)扼w整體拔除。

3．2 拔樁設(shè)備選型

當(dāng)起拔力超過(guò)樁體自身的材料強(qiáng)度時(shí)，很容易將樁體拔斷造成二次拔樁的麻煩。因此選用有效的措施減小樁側(cè)摩阻力，保證起拔力小于樁體自身的抗拉強(qiáng)度。本工程工期緊，待拔樁徑大、樁長(zhǎng)，綜合考慮施工安全、施工成本、施工工期，確定采用FCEC全回轉(zhuǎn)清障機(jī)進(jìn)行拔樁。

FCEC全回轉(zhuǎn)清障機(jī)配置履帶自行走，移動(dòng)便捷;鋼套管可以通過(guò)多節(jié)連接，滿足不同長(zhǎng)度、規(guī)格的舊樁拔除需要，靈活可變，可清除舊樁直徑最大為2 m、深度最深為70 m。FCEC全回轉(zhuǎn)清障機(jī)通過(guò)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)鋼套管，鋼套管底端鑲嵌鈦合金鉆頭，具有強(qiáng)大的切割破碎能力。鋼套管邊回轉(zhuǎn)邊切削邊推進(jìn)壓入，使周邊土體與樁分離，同時(shí)在鋼套管內(nèi)加入了膨潤(rùn)土，大大減小了樁側(cè)摩阻力，然后通過(guò)特殊裝置將鋼絲繩送到樁底，與樁身鎖扣牢固后，配合履帶吊將舊樁拔出。在鋼套管內(nèi)進(jìn)行清障拔樁，對(duì)地下土體產(chǎn)生很小的擾動(dòng)。由于鋼套管對(duì)孔壁的支撐，在鋼套管周邊的土體應(yīng)力尚未釋放時(shí)，就已經(jīng)將障礙物清除并及時(shí)回填，對(duì)原城際鐵路鉆孔灌注樁影響很小。為確保后續(xù)施工的安全，樁孔回填一般采用8%水泥摻量的水泥土。在樁孔回填的過(guò)程中緩緩拔出鋼套管，樁孔下部回填土由于自然沖擊力使回填土體密實(shí)，上部回填土體則通過(guò)挖機(jī)或重錘進(jìn)行擊實(shí)。

在套管旋轉(zhuǎn)切削樁周土的同時(shí)，加入了膨潤(rùn)土，不僅起到了潤(rùn)滑套管、冷卻鉆頭的作用，還促使樁周土發(fā)生液化，極大程度上降低了拔樁時(shí)的樁側(cè)極限阻力。此時(shí)，樁周土處于流塑狀態(tài)，液限指數(shù)IL＞1，故樁側(cè)極限摩阻力取15 kPa。減阻后樁側(cè)摩阻力為:

式中:F——拔樁阻力;f樁側(cè)——樁側(cè)極限阻力;G——樁體自重;K——拔樁的安全儲(chǔ)備系數(shù)，一般取1．3 ～1．5。

由式(8)可得，拔樁阻力為:

由上述不等式可知，減阻措施滿足要求，在樁身材料所能承受的抗拉強(qiáng)度范圍之內(nèi)。

3．3 履帶吊車選型

在拔樁施工過(guò)程中，由履帶吊車提供起拔力，克服樁體自身重力和樁側(cè)摩阻力，將樁體緩慢拔出。因此，吊車設(shè)備的選型是確保施工安全進(jìn)行的前提。

在起重吊裝工程的設(shè)計(jì)中，為了計(jì)入動(dòng)載荷、不均衡載荷的影響，常以計(jì)算載荷作為計(jì)算依據(jù)。計(jì)算載荷的一般公式為:

式中:Qj——計(jì)算載荷;K1——?jiǎng)虞d荷系數(shù);K2——不均衡載荷系數(shù);N——設(shè)備及索具重力。

一般取動(dòng)載荷系數(shù)K1為1．1，不均衡載荷系數(shù)K2為1．1～1．2。另外，該地區(qū)室外吊裝作業(yè)時(shí)不考慮風(fēng)載荷。

吊車所需拉力:N=F=2853 kN

由式(9)可得:

Qj=K1K2N=3742 kN

以上計(jì)算可以得出，選用一臺(tái)250 t(2500 kN)和一臺(tái)150 t(1500 kN)的履帶吊車配合使用，能夠滿足受力要求，就可以將樁體拔除。其中，履帶吊配備專門的路基板供吊車行走，路基板選用尺寸為2200 mm×8000 mm的6塊。

4 拔樁工藝流程

(1)將樁頂鑿除至地面以下0．3 m左右。

(2)清障機(jī)自行定位。移動(dòng)清障機(jī)的中心與拔除的舊樁中心吻合，調(diào)整清障機(jī)水平度，復(fù)測(cè)鋼套管中心與樁位中心在同一垂直線上。

(4)樁與四周土體實(shí)施分離后，通過(guò)專用設(shè)備將鋼絲繩送到樁身底下部，與樁身鎖扣牢固后，使用履帶吊車將舊樁拔出清除。起拔時(shí)速度不宜過(guò)快。

(5)清障機(jī)移至下一樁位位置，進(jìn)入下一拔樁施工工序。

5 結(jié)論

本工程利用FCEC全回轉(zhuǎn)清障機(jī)，采用減阻法進(jìn)行了樁體拔除。樁體拔除過(guò)程中，以理論分析和實(shí)際應(yīng)用互相反饋糾偏指導(dǎo)施工，成功拔除52根大直徑深層(1200 mm、長(zhǎng)22．3 m)鋼筋混凝土鉆孔灌注樁。施工現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖5。

通過(guò)本次施工，可得到如下結(jié)論。

(1)減阻法拔樁的應(yīng)用:FCEC全回轉(zhuǎn)清障機(jī)套管內(nèi)置HAS高壓氣霧噴射器，同時(shí)在套管內(nèi)加入膨潤(rùn)土，起到潤(rùn)滑減阻、冷卻鉆頭的作用，大大減小樁體拔除的阻力的同時(shí)起到泥漿護(hù)壁的作用。

圖5 FCEC全回轉(zhuǎn)清障機(jī)拔樁施工現(xiàn)場(chǎng)

(2)樁體局部鼓包現(xiàn)象處理:在拔樁施工過(guò)程中，鋼套管底端配置了鑲嵌鈦合金鉆頭，具備超強(qiáng)的切割切削鉆進(jìn)能力，在鋼套管沉入過(guò)程中能將樁身周邊鋼套管外的障礙物切割破碎，即使樁身局部擴(kuò)大，也不會(huì)影響拔樁施工。

(3)斷樁風(fēng)險(xiǎn)的處理:由于FCEC全回轉(zhuǎn)清障機(jī)減小了套管內(nèi)徑，致使鋼絲繩套索裝置無(wú)法安裝，需將該裝置拆除。改進(jìn)措施為:鋼套管沉入一定深度，樁與四周土體實(shí)施分離后，將鋼絲繩索固定于距離樁頂2 m的位置，兩臺(tái)吊車配合將舊樁吊起，當(dāng)樁體起吊1/3時(shí)，將鋼絲繩索移至樁體1/3處，將樁緩緩拔除。由于在套管內(nèi)加入了膨潤(rùn)土，減小了樁體在起吊過(guò)程中的受力，大大降低了斷樁的風(fēng)險(xiǎn)。

［1］ 劉文白，周?。习魏奢d作用下樁的顆粒流數(shù)值模擬［J］．巖土工程學(xué)報(bào)，2004，26(4):516 －521．

［2］ 吳林峰．射水造孔法拔除混凝土預(yù)制樁施工技術(shù)［J］．人民黃河，2010，32(11):150 －151．

［3］ 宋輝．套管法拔樁對(duì)既有大直徑地下污水管的影響［J］．上海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2011，17(3):321 －324．

［4］ Ramanathan T S，Ganapathy A P．Pull out Resistance of Piles in Sand［J］．Indian Nat Soc Soil Mech Found Eng，1970，9(2):189－202．

［5］ Parry R H，Swin C W．Effective Stress Methods of Calculating Skin Friction on Driven Piles in Soft Clay［J］．Ground Engineering，1997，10(3):24 －26．

［6］ Rao K S，Venkatesh K H．Uplift Behavior of Short Piles in Uniform Sand［J］．Soils and Foundation，1985，25(4):1 －7．

［7］ 戴金林．鉆孔灌注樁側(cè)壁摩阻力極限值計(jì)算［J］．建筑結(jié)構(gòu)，2007，37(8):85 －87．

［8］ 劉杰．淺談對(duì)如何減小樁側(cè)摩阻力的拔樁方法［J］．中華民居(下旬刊)，2012，(6)，127 －128．

［9］ Meyerhof G G，Adams J I．The Ultlmate Uplift Capaeity of Foundation ［J］．Canadian Geotechnical Journal，1968，(4)．

［10］ 何思明．抗拔樁破壞特性及承載力研究［J］．巖土力學(xué)，2001，22(3):309．

［11］ JGJ 94—2008，建筑樁基技術(shù)規(guī)范［S］．

［12］ GB 50010—2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．