高 敏

(上海同濟(jì)檢測(cè)技術(shù)有限公司, 上海 200092)

1 研究背景

地下工程(盾構(gòu)隧道、深大基坑等)施工過程中，需要遵循的一個(gè)重要原則就是其走向或者選址位置盡量沿城市主干道，以避開高層建筑或者城市高架橋梁的樁基礎(chǔ)。但由于城內(nèi)建筑物林立、河道縱橫、主干道上橋梁眾多，在地下工程施工推進(jìn)過程中，難免遇到中高層建筑、防汛墻和高架橋梁樁基侵入地下開挖限界的情況[1-3]。為使地下工程建設(shè)順利推進(jìn)，就需要將這些侵入限界的高架橋梁樁基進(jìn)行拔除。隨著近幾年我國(guó)各大城市軌道交通的飛速發(fā)展，高架橋拔樁施工及其對(duì)周圍環(huán)境的影響問題研究越來越受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。

眾所周知，拔樁施工最重要的是破除樁周的摩擦力，主要為切斷樁基與外界土體的聯(lián)系，釋放其應(yīng)力，減少拔樁力，拔樁施工多采用套管法[4-5]。在樁體拔出過程中，難免對(duì)于周邊的土體產(chǎn)生擾動(dòng)，甚至?xí){到周圍環(huán)境的安全[6-8]。拔樁施工存在著相當(dāng)大的不確定性，必須加強(qiáng)施工中對(duì)周圍環(huán)境的監(jiān)測(cè)，并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果及時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整拔樁施工參數(shù)，保證周邊結(jié)構(gòu)物的安全。

目前，在舊樁基拔除施工方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已進(jìn)行了一些研究[9-12]。不難發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)研究?jī)H局限于對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工程的實(shí)際監(jiān)測(cè)，雖然獲得了一些規(guī)律性的成果，但往往不具推廣性；也有一些學(xué)者采用有限元數(shù)值模擬的方法，對(duì)拔樁過程進(jìn)行了分析[13-15]，但也僅分析了拔樁引起的地層位移變化，對(duì)于拔樁過程的受力情況并未有所涉及，更沒有關(guān)于外加套管拔樁施工影響的研究。因此，本文依托上海市中山北路高架橋B32橋墩拔除工程，采用有限元數(shù)值模擬方法，建立套管法拔樁施工過程的彈塑性有限元模型，重點(diǎn)分析樁拔除引起的土體豎向位移隨時(shí)間變化關(guān)系、拔樁地表沉降分布以及土體應(yīng)力消散規(guī)律，研究成果可為今后相關(guān)工程的設(shè)計(jì)與施工提供借鑒。

2 工程概況與與施工方案

2.1 工程概況

本工程是上海軌道交通7號(hào)線5標(biāo)區(qū)間隧道，包括新村路—銅川路—中山北路站兩個(gè)區(qū)間，是7號(hào)線的重要組成部分，銅川路—中山北路站區(qū)間盾構(gòu)主要沿嵐皋路、鎮(zhèn)坪路一線推進(jìn)。隧道施工過程中，下行線在此區(qū)域盾構(gòu)掘進(jìn)斷面內(nèi)遇到中山北路高架橋B32橋墩下準(zhǔn)備廢棄的1根鉆孔灌注樁。

該鉆孔灌注樁直徑為Φ1000，為需廢棄的高架B32號(hào)橋墩的承重樁，盾構(gòu)穿越前擬采用全回轉(zhuǎn)工法進(jìn)行拔除。鉆孔灌注樁樁長(zhǎng)37 m，混凝土標(biāo)號(hào)C30，樁頂標(biāo)高0.548 m，鉆孔灌注樁主筋配置8Φ20+8Φ19，樁下部12 m范圍主筋為8Φ20。鉆孔樁斷面圖如圖1所示。

圖1 Φ1000鉆孔樁斷面圖

2.2 施工方案

鋼套管為直徑Ф2000 mm，壁厚48 mm鋼質(zhì)桶式結(jié)構(gòu)，根據(jù)需要鉆進(jìn)的深度情況分長(zhǎng)度不同的若干節(jié)，在管口布置刀頭。鋼套總長(zhǎng)26 m，每沉完一節(jié)鋼管，吊裝上一節(jié)鋼管，位置對(duì)準(zhǔn)后，用高強(qiáng)螺栓連接。利用全回轉(zhuǎn)設(shè)備產(chǎn)生的下壓力和扭矩，驅(qū)動(dòng)鋼套管轉(zhuǎn)動(dòng)，利用管口的高強(qiáng)刀頭對(duì)土體及鋼筋混凝土等障礙物的切削作用，將套管鉆入地下，去除套管內(nèi)樁體，最后向套管內(nèi)回填土體并逐節(jié)頂拔套管。在整個(gè)過程中套管鉆進(jìn)與套管頂拔是整個(gè)施工的關(guān)鍵。該工法最大的特點(diǎn)是對(duì)周邊環(huán)境影響小，利用套管的護(hù)壁作用，在套管內(nèi)進(jìn)行清障。施工流程如圖2所示。

圖2 拔樁施工流程圖

3 有限元模型構(gòu)建

樁土相互作用過程中，一般模擬樁與土間的接觸行為多是引入接觸面單元，它是有限元計(jì)算中用以模擬接觸面變形的一種特殊單元。在樁土相互作用計(jì)算中，將樁表面定為主接觸面，土表面定為從屬接觸面，能夠有效地解決該問題。

在幾何模型上，用大尺寸來模擬半無限空間體，計(jì)算時(shí)土體計(jì)算域的半徑遠(yuǎn)大于樁橫截面的半徑(土體半徑取為樁橫截面半徑的40～60倍)， 計(jì)算深度為樁長(zhǎng)的1.5倍以上。由于在施工時(shí)，樁在22 m處拔斷，所以計(jì)算中拔出樁的半徑為0.5 m，長(zhǎng)度22 m，計(jì)算域的半徑取為R=20 m，深度取為H=30 m，寬度方向取40 m。對(duì)于單個(gè)的大直徑超長(zhǎng)樁的軸向受荷有限元分析，可簡(jiǎn)化為軸對(duì)稱平面問題進(jìn)行計(jì)算。土體、樁和套管都采用4結(jié)點(diǎn)雙線性軸對(duì)稱單元(C3D8I)，樁-土之間的接觸采用一定厚度的薄層單元來模擬拔樁施工中存在的摩擦效應(yīng)。為了減小計(jì)算誤差，同時(shí)也為了縮短計(jì)算時(shí)間，在樁-土接觸面附近單元網(wǎng)格劃分的較細(xì)，而在遠(yuǎn)離接觸面的土體，網(wǎng)格劃分相對(duì)稀疏，ABAQUS中無套管支護(hù)和套管支護(hù)模型如圖3所示。

圖3 有限元計(jì)算模型示意圖

對(duì)于計(jì)算域的邊界，取下部為固定邊界，側(cè)面邊界為僅豎向可以移動(dòng)的滑動(dòng)邊界。在樁頂部施加位移荷載，分為兩個(gè)分析步：第一步(Step1)僅拔出0.01 m， 小位移試算，保證計(jì)算收斂；第二步(Step2)拔出22 m。不失一般性，假設(shè)樁基處于單一地層中，不考慮拔樁過程中土體的蠕變和排水固結(jié)作用。選取典型地層的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。而在高架橋樁基的物理力學(xué)參數(shù)取值中，泊松比μ=0.2，彈性模量E=32 500 MPa。

表1 地層的物理力學(xué)性質(zhì)

4 有限元結(jié)果分析

4.1 豎向應(yīng)力分析

圖4所示為拔樁周圍土體豎向應(yīng)力分布圖。由圖4(a)中可見，隨著樁的拔出，土體由于受到拉應(yīng)力的作用，豎向應(yīng)力減小，尤其是樁周圍的土體減小更加明顯，應(yīng)力等值線在樁孔處成漏斗形。而圖4(b)中可知，由于套管的支護(hù)作用， 套管外土體的豎向應(yīng)力基本沒有變化， 但是套管內(nèi)的土體在拔樁力的作用下，豎向應(yīng)力逐漸減小。

圖5所示為拔樁周圍土體豎向附加應(yīng)力。由圖5可知，隨著樁的拔出，既有樁基周圍土體由于受到拉應(yīng)力的作用，無論有無套管支護(hù)，豎向應(yīng)力均發(fā)生波動(dòng)，處于中心位置處的豎向應(yīng)力波動(dòng)較大，存在套管支護(hù)的豎向附加應(yīng)力波動(dòng)更加劇烈，附加應(yīng)力的最大值減小100 kPa左右?？梢娞坠苤ёo(hù)對(duì)于拔樁施工周圍土壓力的穩(wěn)定具有十分明顯效果。

4.2 水平應(yīng)力分析

圖6所示為拔樁周圍土體水平向應(yīng)力分布圖。由圖6(a)中可見，土體由于受到拉應(yīng)力的作用，水平應(yīng)力也會(huì)減小，尤其是樁周圍的土體減小更加明顯，同樣，應(yīng)力等值線在樁孔處成漏斗形。而從圖6(b)中可見，套管外土體的水平應(yīng)力基本沒有變化，但是套管內(nèi)的土體在拔樁力的作用下，水平應(yīng)力逐漸減小。

圖4 拔樁周圍土體豎向應(yīng)力分布圖 (單位:Pa)

圖5 拔樁周圍土體豎向豎向附加應(yīng)力

圖7所示為拔樁周圍土體水平向應(yīng)力分布曲線。由圖7可知，隨著樁的拔出，既有樁基周圍土體由于受到拉應(yīng)力的作用，當(dāng)存在套管支護(hù)時(shí)，水平向應(yīng)力分布較為平穩(wěn)，波動(dòng)性并不明顯；當(dāng)沒有套管支護(hù)時(shí)，在既有樁基一側(cè)處將發(fā)生較劇烈波動(dòng)，這是由于拔樁過程中的應(yīng)力釋放對(duì)樁周土體影響十分明顯，在拔樁施工結(jié)束后，附加應(yīng)力均趨于穩(wěn)定，但此時(shí)無套管時(shí)附加應(yīng)力較有套管支護(hù)時(shí)大100 kPa左右。

圖6 拔樁周圍土體水平向應(yīng)力分布(單位:Pa)

圖7 拔樁周圍土體水平向應(yīng)力分布曲線

4.3 豎向位移分析

圖8所示為拔樁周圍土體豎向位移分布曲線圖。由圖8(a)中可見，樁開始拔出一個(gè)小位移時(shí)，樁下部土體產(chǎn)生明顯的向上的豎向位移，然后，由于樁周圍土體的自重作用，土體滑脫于樁面，豎向位移減小直至消失。而圖8(b)中可知，由于存在套管的支護(hù)作用，加之套管內(nèi)土體受擾動(dòng)，該部分土體強(qiáng)度進(jìn)行了折減，套管內(nèi)外土體豎向位移很微小。因此，存在套管對(duì)與降低施工引起的豎向地表沉降具有十分顯著作用。

圖9所示為拔樁周圍土體豎向位移分布曲線。由圖9可知，隨著樁的拔出，既有樁基周圍土體由于受到豎直向的拉拔力作用，樁基周圍土體應(yīng)力釋放發(fā)生松動(dòng)，產(chǎn)生明顯的沉降槽，這與圖8中的位移云圖結(jié)果相吻合。此外，當(dāng)存在套管支護(hù)時(shí)，豎直向地表沉降分布平穩(wěn)，中心位置處的沉降大約為4 mm；而當(dāng)無套管存在時(shí)，既有樁基位置處的土體產(chǎn)生明顯的沉降，最大沉降值為10 mm，且沉降槽呈現(xiàn)明顯的漏斗狀，在距離既有樁基大約20 m半徑范圍內(nèi)的影響顯著，遠(yuǎn)離該區(qū)域則沉降幾乎趨于穩(wěn)定狀態(tài)。這就要求在拔樁施工過程中，應(yīng)重點(diǎn)注意拔樁在樁周產(chǎn)生的應(yīng)力釋放，采取積極有效方法減少施工中產(chǎn)生的大面積地面沉降。

4.4 水平位移分析

圖10所示為拔樁周圍土體水平位移分布圖。

由圖10(a)中可見，樁開始拔出一個(gè)小位移時(shí)，樁底土體受到向上拉力，產(chǎn)生向內(nèi)的水平位移，然后隨著樁的逐漸拔出，在樁孔兩側(cè)產(chǎn)生一對(duì)對(duì)稱的、囊狀的、向外的水平位移區(qū)域。而從圖10(b)中可見，由于套管的保護(hù)作用，套管外土體幾乎沒有水平位移，只是在樁底兩側(cè)產(chǎn)生一對(duì)對(duì)稱的、囊狀的、向外的水平位移區(qū)域。

圖9 拔樁周圍土體豎向位移分布曲線

圖10 拔樁周圍土體水平位移分布圖

圖11所示為拔樁周圍土體豎向位移分布曲線。

圖11 拔樁周圍土體水平位移分布曲線

由圖11可知，由于對(duì)稱性，隨著樁的拔出，樁周土體分別向兩邊松弛，產(chǎn)生向外擴(kuò)張的水平位移，可以發(fā)現(xiàn)無套管支護(hù)時(shí)，產(chǎn)生的側(cè)向位移較存在套管支護(hù)時(shí)明顯增大，最大水平位移大25 mm左右，并且可見最大位移產(chǎn)生位置位于既有樁基樁端位置處，這是由于在拔樁過程中，隨著樁端上升，樁與土體之間逐漸形成較大的空隙，該位置處受到拔樁擾動(dòng)累積的結(jié)果。

5 結(jié) 論

依托上海市中山北路高架橋B32橋墩拔除工程，采用三維有限元數(shù)值模擬方法，通過構(gòu)建套管法拔樁施工過程的彈塑性有限元模型，分析了樁拔引起的環(huán)境擾動(dòng)影響規(guī)律。主要結(jié)論有：

(1)無論有無套管支護(hù)，豎向應(yīng)力發(fā)生波動(dòng)，處于中心位置處的豎向應(yīng)力波動(dòng)較大，存在套管支護(hù)的豎向附加應(yīng)力波動(dòng)更加劇烈。

(2)當(dāng)存在套管支護(hù)時(shí)，水平向應(yīng)力分布較為平穩(wěn)，波動(dòng)性并不明顯；當(dāng)沒有套管支護(hù)時(shí)，在既有樁基一側(cè)處將發(fā)生較劇烈波動(dòng)，在拔樁施工結(jié)束后，附加應(yīng)力均趨于穩(wěn)定。

(3)隨著樁的拔出，樁基周圍土體應(yīng)力釋放發(fā)生松動(dòng)，當(dāng)存在套管支護(hù)時(shí)，豎直向地表沉降分布平穩(wěn)；拔樁時(shí)樁周土體分別向兩邊松弛，產(chǎn)生向外擴(kuò)張的水平位移，且最大位移產(chǎn)生位置位于既有樁基樁端位置處。