舊樁拔除對臨界樁基承載力的影響分析

孔勁奇，毛一玫，劉 菲，王 琰，衛(wèi) 翔

（江蘇省中成建設(shè)工程總公司，江蘇 南京 210041）

1 概述

近年來，廢舊樁拔除項目在房屋拆遷改建、橋梁碼頭翻新、隧道施工、水利設(shè)施基礎(chǔ)改造等很多工程中都有遇到，拔除的種類涉及木樁、鋼管樁、鋼筋混凝土灌注樁和PHC 管樁等[1-3]，基本涵蓋現(xiàn)有各種樁型。現(xiàn)有研究大多關(guān)注拔樁施工工藝，對拔樁產(chǎn)生的工程環(huán)境影響沒有進行深入研究。無論采用何種拔樁方法，其結(jié)果都是拔樁后在場地中形成豎向孔洞，孔洞形成和回填之間存在時間差，導(dǎo)致孔徑縮小甚至坍塌，可能引起場地發(fā)生側(cè)向位移和地表沉降，引起周圍土體的塑性變形和擾動，進而影響周圍新樁的承載特性。為了研究拔樁產(chǎn)生的工程環(huán)境影響，本文基于小孔擴張理論推導(dǎo)了拔樁后樁孔周圍應(yīng)力和應(yīng)變分布，分析了樁孔周圍其他樁基的承載力變化規(guī)律，研究結(jié)果可為相關(guān)工程設(shè)計與施工提供借鑒。

2 基本假設(shè)和力學(xué)模型

舊樁拔出后的遺留樁孔視作一個豎直圓孔，將其看作軸對稱來計算。假定所有應(yīng)力分量和位移分量均不沿著自重應(yīng)力方向發(fā)生變化，各點只會沿著徑向和切向發(fā)生移動，不發(fā)生豎向位移。以地面樁孔中心處建立柱面坐標系，Z 軸豎直向下。在舊樁拔除前，樁孔孔徑為ri=r0，對應(yīng)的平衡應(yīng)力為p=p0=kγz；在廢樁拔除后，隨著內(nèi)壓的減少樁孔逐漸收縮，從彈性狀態(tài)過渡為塑性狀態(tài)，最終達到極限值，此時的半徑為ru，所對應(yīng)的應(yīng)力pu滿足Mohr-Coulomb 極限平衡條件。任一點的徑向應(yīng)力為σr，切向應(yīng)力為 σθ，如圖 1 所示。

圖1 樁周土任意一點應(yīng)力狀態(tài)

將單元體上各力徑向、切向疊加，計算解得應(yīng)力平衡方程為：

幾何方程：

邊界條件：

假設(shè)土體在彈性狀態(tài)滿足廣義胡克定律，塑性狀態(tài)滿足Mohr-Coulomb 屈服準則，對于卸荷縮孔問題，徑向應(yīng)力為小主應(yīng)力，環(huán)向應(yīng)力為大主應(yīng)力：

在塑性流動區(qū)遵循流動準則如式所示：

3 彈塑性區(qū)應(yīng)力場

3.1 彈性區(qū)

根據(jù)彈性理論，假設(shè)應(yīng)力函數(shù)為：

代入邊界條件，解出彈性區(qū)的應(yīng)力場如式（9、10）所示：

式中，σrp為 r=rp處的徑向應(yīng)力，解得：

彈性區(qū)位移為：

彈性區(qū)徑向應(yīng)變、切向應(yīng)變分別為：

則在彈塑性交界處，由幾何方程可得r=rp處的極限彈性應(yīng)變?yōu)椋?/p>

3.2 塑性區(qū)

將式（2）、式（3）代入式（15）可得：

解得塑性區(qū)的位移協(xié)調(diào)方程：

由修正后的Mohr-Coulomb 極限平衡條件、邊界條件求得塑性區(qū)徑向應(yīng)力σr與距離r 的關(guān)系為：

根據(jù)彈塑性邊界的連續(xù)條件，由已知條件r=r0，σr=p0=kγz 代入得：

由式（6）、式（18）、式（19）求得塑性區(qū)徑向應(yīng)力：

根據(jù)彈塑性交界面上應(yīng)力條件即塑性一致性條件，考慮在r=rp處，徑向應(yīng)力連續(xù)解得：

由于體積應(yīng)變與孔隙比存在一一對應(yīng)關(guān)系，即εv=（e-e0）/（1+e0），故求得孔隙比e 與距孔壁距離r 的關(guān)系為：

其中，假設(shè)在彈性區(qū)樁周土c、φ 不變，rp可根據(jù)式（21）進行求解計算。

4 基樁承載力的變化規(guī)律

本節(jié)選取西寧市地區(qū)土層參數(shù)進行分析，整體土層自上而下為粉質(zhì)粘土、粘質(zhì)粉土，其中粘聚力c、內(nèi)摩擦角φ 與孔隙比e 關(guān)系如下：

對于粉質(zhì)粘土：

對于粘質(zhì)粉土：

聯(lián)立式（22-24）計算可得粘聚力c、內(nèi)摩擦角φ 隨距孔壁距離變化規(guī)律。由于廢樁樁周土體強度削弱，這對臨近樁基側(cè)摩阻力的發(fā)揮產(chǎn)生影響，進而降低新樁的承載性能。樁的極限側(cè)摩阻力可近似表達為：τ=kσtanφ+c，將樁與土的作用看作滑動摩擦，則樁側(cè)總側(cè)摩阻力Qs的值為：

圖2 影響系數(shù)隨距孔壁距離變化規(guī)律

定義廢樁拔除對臨近樁基的影響系數(shù)為 ζ=Qs′/Qs，Qs′為考慮臨界樁孔擾動后的單樁承載力。圖2 為影響系數(shù)ζ 隨距孔壁距離變化規(guī)律。由圖2 可知，廢樁拔除對臨近基樁承載力的影響范圍約為6 倍的樁徑，在距孔壁距離約6 倍樁徑范圍內(nèi)，廢樁拔除對臨近基樁承載力影響較大，當距離約為1.5 倍樁徑時，舊樁實際承載力削弱為原承載力的93%；當距孔壁距離大于6 倍的樁徑，基樁性能受舊樁拔除影響較小，承載力基本保持不變。

5 結(jié)論

廢樁拔除，樁周土體強度c、φ 隨著距孔壁距離增大而減小，導(dǎo)致臨近舊樁承載力受到一定程度的削弱，研究表明舊樁承載力變化與距孔壁距離關(guān)系呈曲線變化，影響范圍約為6 倍的樁徑，并隨著距離增大而減小。