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 翔

（江蘇省中成建設工程總公司，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、水利設施基礎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]，基本涵蓋現有各種樁型。現有研究大多關注拔樁施工工藝，對拔樁產生的工程環境影響沒有進行深入研究。無論采用何種拔樁方法，其結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，導致孔徑縮小甚至坍塌，可能引起場地發生側向位移和地表沉降，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。為了研究拔樁產生的工程環境影響，本文基于小孔擴張理論推導了拔樁后樁孔周圍應力和應變分布，分析了樁孔周圍其他樁基的承載力變化規律，研究結果可為相關工程設計與施工提供借鑒。

2 基本假設和力學模型

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。假定所有應力分量和位移分量均不沿著自重應力方向發生變化，各點只會沿著徑向和切向發生移動，不發生豎向位移。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，對應的平衡應力為p=p0=kγz；在廢樁拔除后，隨著內壓的減少樁孔逐漸收縮，從彈性狀態過渡為塑性狀態，最終達到極限值，此時的半徑為ru，所對應的應力pu滿足Mohr-Coulomb 極限平衡條件。任一點的徑向應力為σr，切向應力為 σθ，如圖 1 所示。

圖1 樁周土任意一點應力狀態

將單元體上各力徑向、切向疊加，計算解得應力平衡方程為：

幾何方程：

邊界條件：

假設土體在彈性狀態滿足廣義胡克定律，塑性狀態滿足Mohr-Coulomb 屈服準則，對于卸荷縮孔問題，徑向應力為小主應力，環向應力為大主應力：

在塑性流動區遵循流動準則如式所示：

3 彈塑性區應力場

3.1 彈性區

根據彈性理論，假設應力函數為：

代入邊界條件，解出彈性區的應力場如式（9、10）所示：

式中，σrp為 r=rp處的徑向應力，解得：

彈性區位移為：

彈性區徑向應變、切向應變分別為：

則在彈塑性交界處，由幾何方程可得r=rp處的極限彈性應變為：

3.2 塑性區

將式（2）、式（3）代入式（15）可得：

解得塑性區的位移協調方程：

由修正后的Mohr-Coulomb 極限平衡條件、邊界條件求得塑性區徑向應力σr與距離r 的關系為：

根據彈塑性邊界的連續條件，由已知條件r=r0，σr=p0=kγz 代入得：

由式（6）、式（18）、式（19）求得塑性區徑向應力：

根據彈塑性交界面上應力條件即塑性一致性條件，考慮在r=rp處，徑向應力連續解得：

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

其中，假設在彈性區樁周土c、φ 不變，rp可根據式（21）進行求解計算。

4 基樁承載力的變化規律

本節選取西寧市地區土層參數進行分析，整體土層自上而下為粉質粘土、粘質粉土，其中粘聚力c、內摩擦角φ 與孔隙比e 關系如下：

對于粉質粘土：

對于粘質粉土：

聯立式（22-24）計算可得粘聚力c、內摩擦角φ 隨距孔壁距離變化規律。由于廢樁樁周土體強度削弱，這對臨近樁基側摩阻力的發揮產生影響，進而降低新樁的承載性能。樁的極限側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，則樁側總側摩阻力Qs的值為：

圖2 影響系數隨距孔壁距離變化規律

定義廢樁拔除對臨近樁基的影響系數為 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ζ 隨距孔壁距離變化規律。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，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。