王學(xué)磊，王 旭，蔣代軍，王巖松

(1.蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，上海 200070)

隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大,地面構(gòu)筑物越來(lái)越多，如何穩(wěn)定高效地開(kāi)發(fā)和利用地下空間已經(jīng)成為21世紀(jì)的重要課題。既有構(gòu)筑物基礎(chǔ)對(duì)地下空間施工的影響成為開(kāi)發(fā)利用地下空間過(guò)程中難以避免的難題。如何在保證上部構(gòu)筑物安全穩(wěn)定的狀態(tài)下進(jìn)行地下工程的施工成為目前亟待解決的難題[1]。托換技術(shù)因其目的不同，分為補(bǔ)救性托換、預(yù)防性托換和維持性托換。按照托換技術(shù)原理劃分，托換技術(shù)又分為主動(dòng)式托換與被動(dòng)式托換，其中又以被動(dòng)式托換技術(shù)應(yīng)用較為廣泛[2]。目前針對(duì)托換過(guò)程中樁身軸力變化的研究主要以現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試為主，輔以數(shù)值模擬方法[3-5]。本文以蘭州地鐵爛泥溝橋樁基托換工程為例，從室內(nèi)模型試驗(yàn)的角度出發(fā)，以承載特性為主要研究對(duì)象[6-8]，討論并分析托換過(guò)程中既有樁與托換樁樁身軸力的變化[9]。

1 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)概況

模型試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖洳捎娩摪迤唇?，尺寸?.2 m×1.2 m×1.2 m。根據(jù)相似理論，計(jì)算幾何相似比為1∶20。試驗(yàn)中托換樁、既有樁樁長(zhǎng)分別為65,80 cm。2種模型樁樁徑均為6 cm，采用邊長(zhǎng)2.5 cm的矩形鋼管作為樁芯，沿鋼管布設(shè)電阻式應(yīng)變計(jì)，采用704硅膠封閉防止損壞。樁體采用強(qiáng)度M10的水泥砂漿。用PVC管作為模具，將樁芯固定在模具內(nèi)，灌注水泥砂漿，養(yǎng)護(hù)7 d，強(qiáng)度達(dá)到要求后拆除模具。

模型箱底部填筑10 cm厚中砂、20 cm厚碎石作為模型樁的持力層。模型填土采用取自蘭州市的黃土，最大干密度為1.81 g /cm3，最優(yōu)含水率為14%[10]。

1.2 模型樁布設(shè)

本次試驗(yàn)采用2根模型樁模擬既有樁基，4根模型樁模擬托換樁基，試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1所示。試驗(yàn)分2組進(jìn)行：①試驗(yàn)僅埋設(shè)既有樁，對(duì)既有樁進(jìn)行加載，記錄既有樁的極限承載力；②將既有樁與托換樁同時(shí)埋設(shè)，先將既有樁加載至承載力特征值，之后對(duì)模型土體進(jìn)行開(kāi)挖，挖至托換樁樁頂位置，利用模型土體開(kāi)挖的槽體作為承臺(tái)模板進(jìn)行承臺(tái)澆筑，承臺(tái)尺寸為60 cm(長(zhǎng))×40 cm(寬)×10 cm(高)。試驗(yàn)中2種模型樁入土深度相同。

圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽?/p>

1.3 模型加載方案

試驗(yàn)按照J(rèn)GJ 106—2014《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》中單樁豎向靜載抗壓試驗(yàn)的有關(guān)規(guī)定執(zhí)行[11]。經(jīng)單樁極限承載力試驗(yàn)得出:模型樁的單樁極限承載力為7.32 kN。既有樁、托換樁每級(jí)荷載加載分別取1.5，3.0 kN。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 荷載沉降關(guān)系分析

既有樁基礎(chǔ)與托換群樁基礎(chǔ)的荷載沉降曲線(xiàn)見(jiàn)圖2?？芍杭扔袠对?3.5 kN以后沉降陡增，綜合判定既有樁的極限承載力為13.5 kN;托換樁加載至30 kN時(shí)，荷載沉降曲線(xiàn)仍然大致呈線(xiàn)形增長(zhǎng)，托換樁并未出現(xiàn)明顯的破壞特征。

圖2 荷載沉降曲線(xiàn)

2.2 既有樁與托換樁荷載傳遞特性

由于2根既有樁與4根托換樁對(duì)稱(chēng)布置，取圖1中左側(cè)既有樁和右上角托換樁，對(duì)樁身荷載傳遞特性進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 既有樁與托換樁荷載傳遞特性

由圖3(a)可知：僅對(duì)既有樁加載，軸力分布近似呈倒梯形。當(dāng)上部荷載為9 kN時(shí)，既有樁單樁距離樁頂25，50，75 cm處的樁身軸力分別為上部荷載的48%，26.6%，21.6%；當(dāng)上部荷載為15 kN時(shí)，既有樁單樁距離樁頂25，50，75 cm處的樁身軸力分別為上部荷載的49%，30.7%，28.4%。

由圖3(b)可知：托換后當(dāng)上部荷載為9 kN時(shí)，既有樁單樁距離樁頂25，50，75 cm處的樁身軸力分別為上部荷載的23.4%，15%，12.9%，托換后既有樁單樁軸力下降，約為托換前的50%；當(dāng)上部荷載為30 kN時(shí)，既有樁單樁距離樁頂25，50，75 cm處的樁身軸力分別為上部荷載的10.5%，6.78%，4.2%。

由圖3(c)可知：托換樁單樁當(dāng)上部荷載為9 kN時(shí)，距離樁頂5，30，55 cm處的軸力分別為上部荷載的9.4%，6.1%，3.1%；當(dāng)上部荷載為30 kN時(shí)，距離樁頂5，30，55 cm處的軸力分別為上部荷載的11.8%，7.2%，4.8%。托換后由于樁數(shù)量增加、設(shè)置承臺(tái)，既有樁和托換樁軸力分布較為均勻，每級(jí)荷載下軸力變化較小。

由圖3(d)可知：隨著上部荷載的不斷增大，既有樁側(cè)摩阻力不斷增大。距樁頂45 cm處側(cè)摩阻力在上部荷載為10.5 kN前變化較大，10.5 kN后變化減??；距樁頂65 cm處側(cè)摩阻力在上部荷載達(dá)到9 kN以后開(kāi)始發(fā)揮作用。當(dāng)上部荷載為3 kN時(shí)，既有樁距樁頂45 cm 和65 cm處側(cè)摩阻力分別占上部荷載的7.27%和4.1%；上部荷載為10.5 kN時(shí)，距樁頂45 cm處側(cè)摩阻力占上部荷載的比例達(dá)到最大，為31.4%；上部荷載為12，13.5，15 kN時(shí)，這一比例下降為30.1%，29.5%，29.1%。距樁頂65 cm處側(cè)摩阻力占上部荷載比例隨著上部荷載的增大而增加，當(dāng)上部荷載為15 kN 時(shí)占比最大，為21.3%。

由圖3(e)可知：在施作托換承臺(tái)后，承臺(tái)對(duì)下方樁體側(cè)摩阻力的發(fā)揮產(chǎn)生一定影響。承臺(tái)下方10 cm范圍內(nèi)樁身側(cè)摩阻力占上部荷載比例較無(wú)承臺(tái)時(shí)下降4%。托換后既有樁側(cè)摩阻力在距樁頂35 cm(距離承臺(tái)底部15 cm)處最大;隨著上部荷載的增大，側(cè)摩阻力占上部荷載的比例緩慢下降，上部荷載為9 kN時(shí)側(cè)摩阻力占比為3.9%，當(dāng)上部荷載為30 kN時(shí)側(cè)摩阻力占比下降為2.68%。

由圖3(f)可知：托換樁樁身側(cè)摩阻力分布規(guī)律與既有樁大致一樣。托換樁側(cè)摩阻力在距樁頂35 cm(距離承臺(tái)底部15 cm)處最大;隨著上部荷載的增大，側(cè)摩阻力占上部荷載的比例緩慢上升，上部荷載為9 kN 時(shí)側(cè)摩阻力占比約為2.47%，當(dāng)上部荷載為30 kN 時(shí)側(cè)摩阻力占比為3.73%。隨著上部荷載的不斷增大，托換群樁基礎(chǔ)逐漸發(fā)揮作用。

2.3 托換前后樁身軸力變化

由于2組試驗(yàn)的加載分級(jí)不同，故選取3個(gè)上部荷載相同的荷載級(jí)分析既有樁在托換前后的樁身軸力變化趨勢(shì)，見(jiàn)圖4。

圖4 既有樁托換前后樁身軸力衰減百分比

由圖4可知：既有樁樁身軸力在托換前后整體衰減趨勢(shì)相同，樁頂軸力較托換前下降50%～60%。既有樁樁底軸力衰減較大，由于增設(shè)了托換樁，托換樁分擔(dān)部分荷載。在承臺(tái)下方既有樁樁身入土深度1/6范圍內(nèi)軸力衰減較大，上部荷載為9，12，15 kN時(shí)衰減比例分別為13%，14.9%，11.6%，可見(jiàn)隨著上部荷載的增大，承臺(tái)下方軸力衰減比例逐漸增大，當(dāng)上部荷載為12 kN時(shí)軸力衰減達(dá)到最大；當(dāng)上部荷載為15 kN時(shí)既有樁軸力衰減比例開(kāi)始下降。這是由于施作承臺(tái)后，承臺(tái)下部土體反力的發(fā)揮，導(dǎo)致樁身軸力在承臺(tái)下方的衰減比例較大。

托換后既有樁與托換樁軸力差值占總荷載比例見(jiàn)圖5?？芍和袚Q完成后，既有樁與托換樁樁頂軸力差值和樁底軸力差值占上部荷載的比例分別為14%和7.8%。當(dāng)荷載級(jí)為21 kN時(shí)，既有樁與托換樁樁頂軸力差值和樁底軸力差值占上部荷載比例分別為6.8%和4.5%，樁頂軸力差值占總荷載比例較9 kN時(shí)下降約50%，樁底軸力差值下降約為60%。當(dāng)荷載級(jí)為30 kN時(shí)，樁頂軸力差值與樁底軸力差值占上部荷載比例約為4.7%和3%；樁頂軸力差值占比比托換完成時(shí)下降了9.3%，樁底軸力差值占比比托換完成時(shí)下降了4.8%，樁頂軸力差值占上部荷載比例下降速率遠(yuǎn)大于樁底軸力差值占上部荷載比例。隨著荷載級(jí)的增大，托換體系的承載效果逐漸發(fā)揮，托換樁樁頂軸力的增速大于既有樁樁頂軸力的增速；由于樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮，使得樁底軸力的變化較為緩慢。

圖5 托換后既有樁與托換樁軸力差值占總荷載比例

圖6 托換后樁頂、樁底軸力變化

托換后樁頂、樁底軸力變化見(jiàn)圖6?？芍河捎谕袚Q樁樁數(shù)較多，故單樁分擔(dān)荷載較小。上部荷載為9 kN時(shí)，托換樁單樁分擔(dān)荷載比例大致占上部荷載的9%～10%。隨著上部荷載的不斷增加，托換樁單樁樁頂軸力和樁底軸力緩慢增大，單樁分擔(dān)荷載比例略有增大，大致為11%～12%。上部荷載為9 kN時(shí)，既有樁單樁分擔(dān)荷載大致為23.4%，隨著上部荷載的不斷增大，當(dāng)上部荷載達(dá)到30 kN時(shí)，既有樁單樁分擔(dān)荷載比例下降至13.3%；且既有樁樁頂軸力在18 kN以后增長(zhǎng)速率大幅減小，曲線(xiàn)變緩，既有樁單樁分擔(dān)荷載比例緩慢下降。

2.4 托換后體系各部分分擔(dān)荷載

托換后各部分分擔(dān)荷載比例見(jiàn)圖7?？芍涸谕袚Q后初期即上部荷載為9 kN時(shí)，既有樁、托換樁和承臺(tái)分擔(dān)荷載比例分別為46.7%，41.5%，11.8%；當(dāng)上部荷載達(dá)到15 kN時(shí)，分擔(dān)荷載比例變?yōu)?0.4%，44%，15.6%，托換樁分擔(dān)荷載比例開(kāi)始超越既有樁；當(dāng)上部荷載達(dá)到30 kN時(shí)，分擔(dān)荷載比例為28.5%，50.5%，21%，此時(shí)托換樁分擔(dān)荷載比例已遠(yuǎn)高于既有樁，承臺(tái)反力隨著上部荷載的增大也不斷發(fā)揮。

圖7 托換后各部分分擔(dān)荷載比例

3 結(jié)論及建議

1)試驗(yàn)中承臺(tái)在既有樁維持荷載的情況下澆筑，比較符合工程實(shí)際。托換后由于增設(shè)了托換樁和承臺(tái)，使得整個(gè)托換體系的承載能力大幅增加。

2)施作承臺(tái)后，承臺(tái)下方10 cm范圍內(nèi)既有樁側(cè)摩阻力占上部荷載比例較無(wú)承臺(tái)時(shí)下降4%，托換承臺(tái)對(duì)下方樁體側(cè)摩阻力發(fā)揮產(chǎn)生一定影響。托換后上部荷載通過(guò)承臺(tái)重新分布，對(duì)比托換前，既有樁樁頂軸力衰減50%～60%；托換后既有樁樁身軸力在承臺(tái)下方1/8樁身長(zhǎng)度范圍內(nèi)變化最大，由于承臺(tái)土反力的逐步發(fā)揮，使得既有樁承擔(dān)的荷載得到削減。

3)托換后既有樁分擔(dān)荷載比例逐步下降，當(dāng)托換樁分擔(dān)荷載比例大致等于既有樁分擔(dān)荷載比例時(shí)，既有樁樁身軸力衰減比例達(dá)到最大，之后隨上部荷載增加而減小。

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