飽和黃土區(qū)樁基托換模型試驗和數(shù)值模擬

呂文達

中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安 710043

隨著地鐵網(wǎng)絡的不斷完善，施工環(huán)境變得日益復雜。隧道等地下工程穿越樁基礎時，為充分利用上部結構，不可避免要對既有樁基礎進行托換處理。為研究樁基托換過程中的結構特性，國內(nèi)外學者開展了大量的試驗研究。文獻［1］分析了不同頂升荷載作用下復雜超靜定結構的內(nèi)力與位移響應。文獻［2-4］通過模型試驗得出，與托換前相比，樁基托換后結構承載能力不降反增。文獻［5］提出了橋梁下方樁基托換過程中樁身合理的外露長度。文獻［6-7］通過計算和監(jiān)測托換后樁基，得出切除部分樁基對安全影響不大，沉降變形較小。文獻［8-9］結合樁基托換工程經(jīng)驗和現(xiàn)有技術水平，詳述了盾構隧道穿越橋梁時樁基托換的設計難點和重點。

飽和黃土因其特殊的工程性質，在隧道開挖時給施工帶來巨大困難，若再進行樁基托換，更增加了工程難度，目前國內(nèi)對飽和黃土區(qū)樁基托換的實踐及研究較少。因此，本文以蘭州地鐵一樁基托換工程為依托，采用模型試驗和數(shù)值計算相結合的方法，對飽和黃土地區(qū)橋梁樁基托換技術進行研究。

1 工程概況

蘭州地鐵穿越的市政橋梁為1×20 m空心板簡支梁橋，下部橋臺采用樁接蓋梁式橋臺。每個橋臺下設8根樁，其直徑為1.2 m，樁長17 m。為減小對交通的影響，提出樁基托換方案。既有樁和托換樁的位置關系見圖1。其中1#—8#樁為既有樁，9#—21#樁為托換樁。3#、4#和8#樁與地鐵隧道干擾，需要被截斷。

圖1 既有樁和托換樁的位置關系示意

2 室內(nèi)模型試驗

2.1 模型建立與參數(shù)確定

結合該工程項目樁基-承臺體系的實際尺寸及室內(nèi)試驗條件，制作幾何相似比1∶12的混凝土縮尺模型。各物理量的相似比由相似關系換算得到，其中彈性模量、密度、泊松比的相似比為1∶1，其余物理量相似比見表1。

表1 各物理量相似比

試驗模型中模型槽尺寸為3.00 m（長）×3.00 m（寬）×2.25 m（高）。樁徑取10 cm，既有樁、托換樁的樁長分別為88、120 cm。樁身材料為C30混凝土，采用PVC管成型。

樁頂布置壓力傳感器，在樁內(nèi)主筋中每隔20 cm對稱粘貼應變片，樁端埋設土壓力盒，測試分析托換過程中樁身內(nèi)力變化規(guī)律。加載準則和結果判定均按照JGJ 106—2014《建筑基樁檢測技術規(guī)范》。

模型中土樣主要參數(shù)見表2。

表2 模型中土樣主要參數(shù)

2.2 結果分析

3#、4#和8#樁截斷前后既有樁軸力對比見圖2。

圖2 3#、4#和8#樁截斷前后既有樁軸力對比

由圖2可知：①各樁軸力隨深度增加而逐漸減小，符合摩擦樁受力特征。②3#、4#和8#樁被截斷后處于卸荷狀態(tài)，樁頂軸力分別減小14.76、15.43、13.94 kN，累計減小44.13 kN。其余樁軸力增加，1#、2#、5#、6#和7#樁的樁頂軸力分別增加4.18、4.24、4.02、4.39、5.05 kN，累計增加21.88 kN，即有22.25 kN的力由承臺傳遞至托換樁，分配率約為50.4%。

3#、4#和8#樁截斷前后不同深度既有樁軸力對比見圖3。可知：①樁截斷前1#—8#樁的樁頂軸力分別為

圖3 3#、4#和8#樁截斷前后不同深度既有樁軸力對比

21.47、20.22、19.62、20.70、22.15、21.04、20.15、20.31 kN，截斷后分別為25.65、24.46、4.86、5.27、26.17、25.43、25.20、6.37 kN，托換使得既有樁軸力產(chǎn)生了重分布。②樁截斷后，在任意相同深度處，1#、2#樁的軸力均比5#—7#樁小，這是由于1#、2#樁僅受單側截斷樁（3#、4#）影響，而5#—7#樁受兩側截斷樁共同影響。

3 數(shù)值模擬

3.1 模型建立和參數(shù)確定

試驗模型僅得出了樁基托換前后軸力的變化及荷載傳遞規(guī)律，未能完全揭示受力轉換機理，故采用MIDAS GTS對樁基托換全過程（基坑開挖、施作托換樁、灌注承臺、截斷部分既有樁）進行仿真分析，數(shù)值模型見圖4。樁基-承臺體系采用實體單元模擬，下覆土層采用三維實體單元模擬，底面和側面均采用法向約束，地表為自由面。土層參數(shù)見表3。

表3 地層模型計算參數(shù)

圖4 數(shù)值模型

3.2 結果分析

3#、4#和8#樁截斷前后既有樁樁頂軸力的數(shù)值模擬值和模型試驗值對比見圖5。模型試驗值按照相似比換算而來。可知：①兩種方法所得結果整體變化規(guī)律相似，軸力在截斷前最大相差20.68%，截斷后最大相差26.19%。整體來看，數(shù)值模擬結果偏小，這與模型邊界范圍較大，土層劃分及飽和黃土的土體參數(shù)更詳細有關。②不論是數(shù)值模擬，還是模型試驗，樁截斷后荷載均重新分配。③從數(shù)值模擬結果來看，截斷后1#、2#、5#、6#和7#樁軸力共增加3 660 kN，3#、4#和8#樁軸力共減小6 705 kN，即有3 045 kN的軸力由承臺傳遞至托換樁，荷載分配率45.4%，與試驗值比較接近。

圖5 3#、4#和8#樁截斷前后既有樁樁頂軸力對比

3.3 托換體系受力轉換機理

3#、4#和8#樁截斷后樁土豎向位移云圖見圖6。其中白色箭頭為土體運動軌跡。可知：3#、4#和8#樁被截斷后，上部荷載逐步轉移至其周邊樁和下部土體，而隨著周邊樁的沉降，又會擠壓其鄰近土體，造成截斷樁處土體向上移動，從而支撐了承臺結構。

圖6 3#、4#和8#樁截斷后樁土豎向位移云圖（單位：mm）

樁基托換完成后既有樁豎向位移見表4。可知：各樁平均值為-3.481 mm，各樁與平均值的差值最大為-0.214 mm，最小為-0.052 mm，相差都很小，可見樁基沉降較均勻。這是承臺和下部土體共同支撐的結果。

表4 樁截斷后豎向位移 mm

4 結論

1）模型試驗和數(shù)值模擬結果均顯示，樁基托換后荷載重新分配。3#、4#和8#樁截斷后有50.4%的荷載被傳遞至托換樁，從而減小了剩余既有樁所承擔的荷載。

2）數(shù)值模擬方法可彌補模型試驗的不足，揭示托換體系受力轉換機理。3#、4#和8#樁截斷后，上部荷載逐步轉移到其周邊樁和下部土體。周邊樁沉降擠壓鄰近土體，致使土體向上移動，給承臺一個上頂力，形成土體和承臺共同支撐體系，從而使得樁基沉降比較均勻。

3）模型試驗和數(shù)值模擬得出的樁基受力和位移的變化規(guī)律基本一致，兩種方法相互驗證、相互補充。其分析結果均證明本工程樁基托換效果良好。