地鐵隧道穿越黃土地區(qū)橋梁樁基托換技術(shù)試驗(yàn)研究

王曉鵬

（蘭州鐵道設(shè)計(jì)院有限公司，蘭州 730000）

樁基由于受力明確，可定量解決由隧道開挖引起的既有建筑物的沉降問題。樁基托換結(jié)構(gòu)體系越來越多地應(yīng)用到城市地鐵建設(shè)中，例如北京、上海、深圳、南京等。樁基托換技術(shù)在黃土地區(qū)主要應(yīng)用于房屋建筑的地基處理。飽和黃土具有濕陷性和高壓縮性，因此關(guān)于飽和黃土地區(qū)地鐵隧道穿越橋梁樁基礎(chǔ)領(lǐng)域的理論與應(yīng)用研究較少。李世偉等[1]基于西安地鐵研究了施工中樁基托換技術(shù)，討論了樁基托換后結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)等后續(xù)問題。劉麗萍等[2]分析了西安市某住宅樓預(yù)壓托換樁的糾偏案例，為該工藝在飽和黃土地區(qū)的應(yīng)用提供了技術(shù)參考。童明華[3]探討了在濕陷性黃土地區(qū)工業(yè)與民用建筑方面樁基托換技術(shù)的應(yīng)用。吳煒、崔愛華[4-5]采用有限元分析軟件MIDAS/GTS，使用數(shù)值模擬方法初步分析了蘭州市地鐵隧道穿越飽和黃土地區(qū)橋梁樁基托換的技術(shù)。王學(xué)磊等[6]通過室內(nèi)模型試驗(yàn)?zāi)M蘭州地鐵爛泥溝橋樁基托換工程，研究樁基托換過程中既有樁與托換樁樁身軸力變化情況及樁的承載特性。

本文以蘭州市軌道交通1號(hào)線穿越既有市政橋梁樁基為背景，采用室內(nèi)模型試驗(yàn)的方法研究地鐵隧道穿越飽和黃土地區(qū)橋梁下方樁基礎(chǔ)的樁基托換工程，對(duì)黃土的物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行與場(chǎng)地相似配合比設(shè)計(jì)，系統(tǒng)分析截?cái)嗉扔袠逗筝S力變化及沉降，以供后續(xù)施工及新樁體系的設(shè)計(jì)參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 模型樁制作

模型樁的內(nèi)部使用邊長(zhǎng)為15 mm的口字形鋁管，沿鋁管對(duì)稱地粘貼應(yīng)變片，如圖1所示。樁身材料為C30的細(xì)骨料混凝土，模型樁制作完成后按規(guī)定養(yǎng)護(hù)。根據(jù)不同的功能設(shè)計(jì)，模型樁有2種：①模擬原樁的模型樁，樁長(zhǎng)800 mm；②模擬托換樁的模型樁，樁長(zhǎng)600 mm。模型樁的樁徑均為60 mm。本次試驗(yàn)采用2根模擬原樁，4根模擬托換樁。

圖1 模型樁和應(yīng)變片粘貼位置示意（單位：mm）

制作時(shí)嚴(yán)格按照應(yīng)變片粘貼的技術(shù)要求，保證應(yīng)變片基底表面光滑、清潔。為了防止焊接完畢后應(yīng)變片受潮，采用704硅膠對(duì)應(yīng)變片和引出線進(jìn)行均勻涂抹。為防止發(fā)生假焊，當(dāng)焊接完成后須在導(dǎo)線另一端用萬用表檢查結(jié)構(gòu)是否接通。為了放置傳感器并且在樁端埋入壓力傳感器，在樁頂部加工特制樁帽，用以讀取樁頂及樁端所承受的作用力。

1.2 試驗(yàn)裝置

室內(nèi)模型試驗(yàn)在可拆卸組合的模型箱中進(jìn)行，其幾何尺寸為1.2 m×1.2 m×1.2 m。將原樁與托換樁同時(shí)填筑在模型箱中，首先將原樁加載至破壞，然后開挖至托換樁頂部以下適當(dāng)位置將原樁截?cái)啵詈笤谕袚Q樁上部澆筑600 mm（長(zhǎng)）×400 mm（寬）×100 mm（高）的鋼筋混凝土剛性承臺(tái)。模型箱平面布置如圖2所示，立面布置如圖3所示。

圖2 模型箱平面布置（單位：mm）

圖3 模型箱立面布置

靜載試驗(yàn)采用工程中認(rèn)可度較高的慢速維持荷載法，根據(jù)文獻(xiàn)[2]中單樁極限承載力計(jì)算方法，估算原樁中單樁的極限承載力為13.82 kN。共加載9級(jí)，第1級(jí)加載3.0 kN，之后原樁每級(jí)增加1.5 kN，托換樁每級(jí)增加3.0 kN。加載準(zhǔn)則和判定依據(jù)由JGJ 106—2014《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》[7]確定。百分表布置在加載板和承臺(tái)四角，主要用于測(cè)量樁基托換前后土體和承臺(tái)的沉降。

1.3 模型槽填筑

模型試驗(yàn)所需要的黃土從魚兒溝工地分層挖取，根據(jù)相似原理并結(jié)合原場(chǎng)地的土體參數(shù)，對(duì)采集的土體進(jìn)行相對(duì)密度、篩分和擊實(shí)試驗(yàn)，得到黃土的物理力學(xué)參數(shù)：相對(duì)密度2.69 g/cm3；最優(yōu)含水率18.8%；最大干密度1.78 g/cm3；液限33.2%；塑限19.0%；黏聚力149.1 kPa；內(nèi)摩擦角23.7°；壓縮系數(shù)0.285 MPa-1；壓縮模量5.364 MPa。

填筑模型箱時(shí)應(yīng)遵循分層填入、分層夯實(shí)的原則，為了保證模型箱中土體完全夯實(shí)，每層填土厚度控制在150 mm左右。本次試驗(yàn)采用夯錘進(jìn)行夯實(shí)，使得壓實(shí)度控制在80%。特別注意的是，在夯實(shí)樁周圍土體時(shí)，應(yīng)采用正確的夯實(shí)方法，避免由于夯錘碰觸模型樁對(duì)樁身造成破壞，干擾應(yīng)變片讀數(shù)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)失真。試驗(yàn)時(shí)須在模型箱的底部加入100 mm厚的中砂和200 mm厚的碎石作為持力層。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 荷載-沉降曲線分析

靜載試驗(yàn)得到的原樁和托換樁的荷載-沉降曲線見圖4。

圖4 荷載-沉降曲線

由圖4可知：

1）對(duì)于原樁，荷載從3.0 kN增至10.5 kN的過程中，沉降與荷載大致呈線性關(guān)系，且沉降隨荷載的變化率小于1 mm/kN，說明在加載初期2根原樁的樁端和樁側(cè)土體均表現(xiàn)出彈性變形。當(dāng)荷載達(dá)到10.5 kN后，二者不再是線性關(guān)系，荷載-沉降曲線出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)，沉降變化較明顯。從12 kN到13.5 kN沉降變化量為3.81 mm，表明此時(shí)樁周土進(jìn)入局部減損階段，樁側(cè)土體所提供的摩阻力已經(jīng)達(dá)到臨界值，不能抵抗靜載的作用，同時(shí)樁端所提供的軸力達(dá)到極限值。荷載增至13.5 kN后，樁體的沉降發(fā)生突變，說明此時(shí)樁側(cè)摩阻力與樁端軸力之和不能提供足夠的反向抵抗力，導(dǎo)致樁體產(chǎn)生刺入破壞，從而可知樁體的極限承載力為13.5 kN，和估算值13.82 kN較接近。

2）加載前期托換樁的荷載-沉降曲線走勢(shì)與原樁類似，荷載從3 kN增至27 kN的過程中，沉降與荷載大致為線性關(guān)系，且沉降隨荷載的變化率明顯小于原樁，說明與原樁相比，托換樁的承載能力明顯提高。

原樁和托換樁都是樁側(cè)摩阻力在樁身軸力之前發(fā)揮作用，即前期樁側(cè)摩阻力作用明顯，后期樁身軸力作用相對(duì)明顯。托換承臺(tái)的存在使得樁身受力體系發(fā)生變化，變成了樁身-承臺(tái)-土三者之間的共同作用。承臺(tái)不僅能夠協(xié)助受力，而且也使得樁身-承臺(tái)范圍內(nèi)土體的承載能力整體得到提高，從而使樁基體系的承載能力有一個(gè)質(zhì)的飛躍。

2.2 樁身軸力分析

樁基在承受上部荷載的情況下，樁身軸力即為樁體內(nèi)部受到的作用力，軸力發(fā)生突變往往會(huì)引起樁身斷裂或產(chǎn)生缺陷，因此對(duì)樁身軸力的分析是研究樁基承載力不可或缺的手段。鑒于樁的布置呈對(duì)稱關(guān)系，根據(jù)胡克定律和應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，樁身受到的作用力幾乎相同，因此隨機(jī)選取1根原樁和1根托換樁進(jìn)行研究。樁身軸力隨深度的變化曲線見圖5和圖6。

圖5 原樁樁身軸力變化曲線

圖6 托換樁樁身軸力變化曲線

由圖5和圖6可知，原樁和托換樁樁身軸力變化的整體趨勢(shì)基本一致，從樁頂?shù)綐抖酥饾u減小。曲線的陡緩程度真實(shí)反映樁側(cè)摩阻力的作用，曲線越陡，側(cè)摩阻力對(duì)于樁的主動(dòng)作用越不明顯。

托換前后樁端處樁側(cè)摩阻力均出現(xiàn)劇增現(xiàn)象，原因是模型箱底部填入碎石和中砂持力層，提高了樁端處的樁側(cè)摩阻力。根據(jù)Meyerhof理論，樁頂上部承受的荷載通過樁身傳遞到樁端后，會(huì)對(duì)樁端土體產(chǎn)生擠壓、剪切作用，使得樁端周圍土體向下沉降；同時(shí)，側(cè)方土體擠壓上方土體，使得樁端土體對(duì)樁身產(chǎn)生附加的額外法向應(yīng)力，進(jìn)而導(dǎo)致樁身軸力驟減。整個(gè)過程中，樁側(cè)摩阻力充分發(fā)揮了作用。承臺(tái)的存在使得托換后的各樁樁頂?shù)妮S力之和與施加的總荷載不一致。

不同上部荷載作用下，原樁與托換樁的樁身軸力隨深度變化曲線見圖7。可知，在對(duì)原樁和托換樁施加相同的荷載時(shí)，原樁的樁身軸力明顯大于托換樁的，這與實(shí)際工程之間存在一定的差異。

圖7 不同上部荷載作用下樁身軸力分布

在工程現(xiàn)場(chǎng)操作過程中，大尺寸的托換承臺(tái)由于有自重，在一定程度上加大了樁頂部受到的軸力，所以與計(jì)算數(shù)據(jù)有一定的差異。本試驗(yàn)中托換樁對(duì)于原樁所受到的荷載的承擔(dān)較為合理，并且隨著荷載增加，托換樁軸力承擔(dān)的優(yōu)越性越來越突出，例如當(dāng)上部荷載依次為3，6，9，12，15 kN時(shí)，二者之差與總荷載之比在樁端依次分別為1.7%，6.2%，9.1%，12.3%，14.9%。這說明與樁身-土體系相比，托換承臺(tái)-樁身-土體系的受力性能更加合理，在相同條件下的承載能力明顯增強(qiáng)。

2.3 托換承臺(tái)荷載分擔(dān)比分析

造成承臺(tái)頂部施加的荷載總量與托換樁的樁頂軸力之和不同的主要原因是施加上部荷載后，部分荷載首先被托換承臺(tái)分擔(dān)，其余荷載被依次傳遞下去。承臺(tái)荷載分擔(dān)比隨荷載的變化規(guī)律見圖8。

圖8 承臺(tái)荷載分擔(dān)比隨荷載變化曲線

由圖8可知：承臺(tái)荷載分擔(dān)比與荷載正相關(guān)，當(dāng)荷載為3 kN時(shí)，承臺(tái)荷載分擔(dān)比為15.12%；當(dāng)荷載為33 kN時(shí)，承臺(tái)荷載分擔(dān)比為22.34%。荷載大于15 kN時(shí)曲線斜率明顯大于荷載3～15 kN時(shí)，表明加載前期荷載較小時(shí)，主要由樁來承受荷載，但由于承臺(tái)的剛度遠(yuǎn)大于土體，隨著荷載增加，荷載分擔(dān)比的差異愈加明顯。

3 結(jié)論

1）飽和黃土地區(qū)樁基荷載-沉降曲線的斜率緩慢變化，加載前期側(cè)摩阻力對(duì)延緩樁基沉降具有主導(dǎo)作用，曲線坡度較緩。在荷載較小時(shí)原樁沉降與荷載大致呈線性關(guān)系，樁體極限承載力為13.5 kN，此時(shí)土體屈服，樁身產(chǎn)生破壞。承臺(tái)的存在使得托換樁的整體沉降較原樁小，樁體的極限承載力大幅提高。

2）樁身軸力沿著深度增加的方向逐漸減小，軸力的變化速率也隨著深度增加而改變。承臺(tái)的存在使得托換后的各樁樁頂?shù)妮S力之和與施加的總荷載不一致。與樁身-土體系相比，托換承臺(tái)-樁身-土體系的受力性能更加合理，在相同條件下的承載能力明顯增強(qiáng)。

3）承臺(tái)荷載分擔(dān)比與荷載正相關(guān)，荷載越大，承臺(tái)的貢獻(xiàn)越顯著。荷載為3 kN時(shí)承臺(tái)荷載分擔(dān)比為15.12%，荷載為33 kN時(shí)承臺(tái)荷載分擔(dān)比為22.34%。