地下工程中樁基托換技術研究

曲文婷

（棗莊學院，山東 棗莊 277160）

1 引言

托換技術是既有基礎加固、改造、補強技術的總稱，其目的是提高既有地基承載力或既有建筑物糾偏等.在眾多基礎托換技術中，樁基托換技術在地下空間的開發中應用最廣，近年來得到了快速發展.

2 樁基托換的概念

隨著既有建筑物加固改造及地下穿越工程的增多，當已有建筑物的樁基不滿足新的承載要求或將被新建地下建筑穿過時，可施工新的托換樁基來代替原有樁基承載，此種技術被稱為樁基托換.

樁基托換一般可根據機理不同分為被動托換和主動托換兩種.被動托換是指在托換樁基施工完成后，直接切除原樁，上部結構荷載直接傳遞到新樁上.被動托換引起的變形取決于托換樁性能，一般適用于荷載較小、變形控制要求不嚴的工程.而主動托換指在切除原樁前通過對新樁的預壓消除部分變形，主動托換變形較小，適用于嚴格控制變形的工程.

3 樁基托換技術要點

3.1 上部結構變形控制

進行上部結構變形控制，一方面需選擇合理的既有建筑物容許變形值，由于既有建筑物的地基及結構狀態不同于新建建筑物，因此需要通過合理的計算方法確定其容許變形值，只靠經驗估算的方法是欠可靠的；另一方面需要精確估算托換工程的施工變形，若變形估算不準確，實際施工變形超過預估值，則會引起托換結構開裂甚至破壞.

3.2 新老混凝土的連接

由于新老混凝土連接處剪力很大，該處能否安全承載也是托換工程能否成功的關鍵問題之一.

3.3 托換樁基施工技術

由于新的托換樁基施工存在空間小、地下水位較高等困難因素，對托換樁基施工技術進行研究，有利于托換技術的快速發展.

3.4 樁基托換機理研究

盡管近年來托換工程逐漸增多，但托換施工帶有較大隨意性和經驗性，不利于安全控制，亟需對托換機理進行深入研究.

3.5 隧道施工對托換結構的影響

由于托換在隧道開挖前完成，因此隧道施工會對已有的托換體系造成影響，但目前該類研究較少.

4 樁基托換研究現狀

4.1 樁基托換施工工藝

國內外已有大量樁基托換的成功案例，為以后的工程積累了大量施工經驗，特別是各種已有工程托換體系的設計及托換方案的部署對后續工程具有重要的指導意義.

RichardP[1]等針對某建筑物加層改造的樁基托換工程，詳細設計了托換方案及新樁施工方案，并通過沉降監測追蹤施工效果.

對梁柱節點的研究方面，柯在田等[2]詳述了對節點進行啟口、鑿毛、植筋及形成雙向預應力的施工方法；高俊合等[3]則提出了托換梁與原樁連接節點形成三向預應力的施工工藝；黃祥忠[4]在對北京音樂堂改造工程進行托換方案設計的基礎上，對多項樁基托換關鍵技術進行了研究.其中對梁柱節點的設計，提出了“通筋穿柱法”，即用托換梁的主筋穿過樁身而后用化學膠錨固，該方法能夠顯著加強梁柱連接的整體性.

深圳地鐵有限公司[5]基于深圳地鐵百貨廣場大廈樁基托換工程，進行了實測數據分析，提出了主動托換預頂及截樁兩個關鍵工況的荷載分級及施工要點，對此后的樁基托換工程施工有很大指導意義.

4.2 試驗研究

由于樁基托換工程的復雜性，使得完全仿真實際工程的試驗難度較大，對較復雜的托換工程，其荷載傳遞過程一般是通過現場監測結果進行間接評估.已有的試驗研究手段多為室內的模型試驗，通過模型試驗，可近似模擬樁基托換時的荷載傳遞行為.

對樁基托換進行的模型試驗，關注的一個重點是托換節點的處理方式.所謂托換節點，指的是新施工的托換體系與原有樁基之間的連接點.托換節點聯系了既有結構和托換結構，結構荷載經由該點傳遞，節點的連接方式和施工質量關系著托換的成敗.國內一些學者通過試驗提出了多種類型的節點連接方法供托換工程選用.

基于深圳地鐵樁基托換工程，李鐵強等[6]提出通過豎向吊桿對節點施加豎向預應力，并對該種托換節點進行了模型試驗，分析了這種節點的受力情況，為以后進行的托換工程提供了一種可靠的節點連接方式.

柯在田等[2]對5種梁柱連接方式分別進行了1/4模型試驗，研究了各種接頭類型的抗剪特性.通過對比提出“企口+錨筋+預應力”的方式是一種安全可靠的大軸力托換節點連接方式.

在梁柱連接的植筋技術方面，黃昌富和耿倩男[7]提出了一種計算植筋植入深度的方法，該方法依據的原則是鋼筋使用極限不超過黏結灰漿和混凝土使用條件極限.

除托換節點的研究外，已有的試驗另一關注點為托換過程的截樁階段及截樁前后的荷載轉移規律.理論上，截斷被托換的原樁的最佳狀態應該是在被托換樁受零應力時，但實際上，這一理想狀態很難控制.實際工程中一般通過千斤頂達到主動控制，即逐步截除被托換的樁基，同時逐步用千斤頂對托換樁加載，最終使得原來由被托換樁基承受的荷載完全轉移到新施工的托換樁上.

柯在田等[2]對樁基主動托換過程進行了1/4整體模型試驗，重點研究了托換荷載在托換體系中的分配規律以及截樁前后荷載的轉移情況.試驗表明，被托換樁基的混凝土截面面積較大時，在鋼筋截斷后，由于剩余混凝土的承壓作用，被托換樁軸力可以保持穩定，因此，截樁時可以采用比較小的千斤頂頂力.截樁過程中，則應控制節點處的位移不超過安全范圍，即要隨時根據位移情況調整頂力.

4.3 理論分析

對樁基托換的理論分析主要有兩種方法：簡化計算法和有限元計算法.簡化法是利用力學計算，采用數理統計手段給出計算公式，此法使用方便，計算速度快，但無法合理模擬地基土力學特性及托換施工的荷載傳遞過程，因此，只能用于簡單托換工程的近似評估.有限元法是將地基、樁基及上部結構整體建模，通過計算可得到任意位置的應力變形狀態.

在簡化計算方面，Makarchian和Poulos[8]根據樁-筏共同作用機理給出了一種托換樁基的簡化設計方法，應用該法對幾個工程問題進行了分析，并通過與有限元計算結果的對比驗證了該方法的合理性.

在樁基托換的有限元研究方面，國外已有研究主要集中在托換對已有基礎的加固效果上；而由于國內近年遇到許多復雜的樁基托換工程，各學者也多采用商業有限元軟件進行理論研究，所得結果可進一步指導施工.國內理論研究的關注點主要有以下幾方面：

4.3.1 共同作用方面的研究

由于基礎托換過程中，上部結構、地基、基礎是相互協調、共同作用的，因此對樁基托換問題進行數值分析時，必須考慮三者的變形協調及共同作用對工程的影響.

4.3.2 托換變形對上部結構的影響研究

被托換的建筑物往往已使用多年，其變形在托換之前已經完成，而托換施工引起的變形對上部結構而言是新的二次變形.許多學者對建筑物承受二次變形尤其是不均勻變形的能力進行了大量有限元分析，試圖提出合理的上部結構二次變形允許值，以便指導施工變形控制.

由于托換過程較復雜，頂升、截樁、土方開挖等工況都會對上部結構造成不同程度的影響，因此，對各工況變形規律及其對上部結構影響的研究成果也較多.已有成果對施工能起一定的指導作用，但并沒有形成統一的規范，尚需更深入的研究.

4.3.3 主動托換頂升規律研究

樁基主動托換能適應的托換荷載較大，且能對托換變形進行主動控制，因此，主動托換的案例較多，并可預見，主動托換的應用必將比被動托換更加廣泛.主動托換變形控制的核心，是在截斷原樁前，通過千斤頂頂升托換梁來對托換樁進行預壓，消除部分變形，因此，頂升控制是主動托換的關鍵.現有的研究多關注合理的頂力的確定、頂升位移對上部結構的影響等.

5 結語

我國近年已有大量樁基托換的成功實例，積累了一定經驗，以往的研究也推動了該技術的發展.隨著城市化的發展，可以預見今后將會遇到更多、更復雜的樁基托換工程，已有的研究很難滿足多變的實際需求，因此，樁基托換技術值得更加深入和系統的研究及總結.

〔1〕RichardP,StulgisBrockE,BarryFrancisS,etal.FoundationUnderpinningwith Mini-Piles: “A First” in Guyana,SouthAmerica.In:ProceedingsofGeoSupportConference2004.NewYork:ASCE,2004.

〔2〕柯在田，高巖，張澍曾.深圳地鐵大軸力樁基托換模型試驗研究[J].中國鐵道科學，2003，24(5)：15-22.

〔3〕高俊合，張澍曾，柯在田,等.大軸力樁基托換梁—柱接頭模型試驗[J].土木工程學報，2004，37(9)：62-68.

〔4〕黃祥忠.獨立柱基礎托換與結構加固技術研究[D].西安：西安建筑科技大學，2004.

〔5〕深圳地鐵有限公司，鐵道科學研究院，鐵道第二勘察設計院等.深圳地鐵一期工程百貨廣場樁基托換工程技術總結[R].深圳：深圳地鐵公司，2003.

〔6〕李鐵強，吳蘊，余楠.一種新型預應力托換節點的試驗研究[J].四川建筑科學研究，2003，29(3):54-56.

〔7〕黃昌富，耿倩男.植筋技術在樁基托換工程中的應用研究[C].//全國巖土與工程學術大會，北京:2003.

〔8〕MakarchianM,PoulosHG.Simplifiedmethodfordesign ofunderpinningpiles.JournalofGeotechnicalEngineering,ASCE,1996,122(9):745-751.