桥梁桩基被动式托换体系承载特性模型试验研究

王学磊，王 旭，蒋代军，王岩松

(1.兰州交通大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730070；2.中铁上海设计院集团有限公司，上海 200070)

随着城市规模的不断扩大,地面构筑物越来越多，如何稳定高效地开发和利用地下空间已经成为21世纪的重要课题。既有构筑物基础对地下空间施工的影响成为开发利用地下空间过程中难以避免的难题。如何在保证上部构筑物安全稳定的状态下进行地下工程的施工成为目前亟待解决的难题[1]。托换技术因其目的不同，分为补救性托换、预防性托换和维持性托换。按照托换技术原理划分，托换技术又分为主动式托换与被动式托换，其中又以被动式托换技术应用较为广泛[2]。目前针对托换过程中桩身轴力变化的研究主要以现场测试为主，辅以数值模拟方法[3-5]。本文以兰州地铁烂泥沟桥桩基托换工程为例，从室内模型试验的角度出发，以承载特性为主要研究对象[6-8]，讨论并分析托换过程中既有桩与托换桩桩身轴力的变化[9]。

1 模型试验设计

1.1 试验概况

模型试验模型箱采用钢板拼接，尺寸为1.2 m×1.2 m×1.2 m。根据相似理论，计算几何相似比为1∶20。试验中托换桩、既有桩桩长分别为65,80 cm。2种模型桩桩径均为6 cm，采用边长2.5 cm的矩形钢管作为桩芯，沿钢管布设电阻式应变计，采用704硅胶封闭防止损坏。桩体采用强度M10的水泥砂浆。用PVC管作为模具，将桩芯固定在模具内，灌注水泥砂浆，养护7 d，强度达到要求后拆除模具。

模型箱底部填筑10 cm厚中砂、20 cm厚碎石作为模型桩的持力层。模型填土采用取自兰州市的黄土，最大干密度为1.81 g /cm3，最优含水率为14%[10]。

1.2 模型桩布设

本次试验采用2根模型桩模拟既有桩基，4根模型桩模拟托换桩基，试验模型如图1所示。试验分2组进行：①试验仅埋设既有桩，对既有桩进行加载，记录既有桩的极限承载力；②将既有桩与托换桩同时埋设，先将既有桩加载至承载力特征值，之后对模型土体进行开挖，挖至托换桩桩顶位置，利用模型土体开挖的槽体作为承台模板进行承台浇筑，承台尺寸为60 cm(长)×40 cm(宽)×10 cm(高)。试验中2种模型桩入土深度相同。

图1 试验模型示意

1.3 模型加载方案

试验按照JGJ 106—2014《建筑基桩检测技术规范》中单桩竖向静载抗压试验的有关规定执行[11]。经单桩极限承载力试验得出:模型桩的单桩极限承载力为7.32 kN。既有桩、托换桩每级荷载加载分别取1.5，3.0 kN。

2 试验结果分析

2.1 荷载沉降关系分析

既有桩基础与托换群桩基础的荷载沉降曲线见图2。可知：既有桩在13.5 kN以后沉降陡增，综合判定既有桩的极限承载力为13.5 kN;托换桩加载至30 kN时，荷载沉降曲线仍然大致呈线形增长，托换桩并未出现明显的破坏特征。

图2 荷载沉降曲线

2.2 既有桩与托换桩荷载传递特性

由于2根既有桩与4根托换桩对称布置，取图1中左侧既有桩和右上角托换桩，对桩身荷载传递特性进行分析，结果见图3。

图3 既有桩与托换桩荷载传递特性

由图3(a)可知：仅对既有桩加载，轴力分布近似呈倒梯形。当上部荷载为9 kN时，既有桩单桩距离桩顶25，50，75 cm处的桩身轴力分别为上部荷载的48%，26.6%，21.6%；当上部荷载为15 kN时，既有桩单桩距离桩顶25，50，75 cm处的桩身轴力分别为上部荷载的49%，30.7%，28.4%。

由图3(b)可知：托换后当上部荷载为9 kN时，既有桩单桩距离桩顶25，50，75 cm处的桩身轴力分别为上部荷载的23.4%，15%，12.9%，托换后既有桩单桩轴力下降，约为托换前的50%；当上部荷载为30 kN时，既有桩单桩距离桩顶25，50，75 cm处的桩身轴力分别为上部荷载的10.5%，6.78%，4.2%。

由图3(c)可知：托换桩单桩当上部荷载为9 kN时，距离桩顶5，30，55 cm处的轴力分别为上部荷载的9.4%，6.1%，3.1%；当上部荷载为30 kN时，距离桩顶5，30，55 cm处的轴力分别为上部荷载的11.8%，7.2%，4.8%。托换后由于桩数量增加、设置承台，既有桩和托换桩轴力分布较为均匀，每级荷载下轴力变化较小。

由图3(d)可知：随着上部荷载的不断增大，既有桩侧摩阻力不断增大。距桩顶45 cm处侧摩阻力在上部荷载为10.5 kN前变化较大，10.5 kN后变化减小；距桩顶65 cm处侧摩阻力在上部荷载达到9 kN以后开始发挥作用。当上部荷载为3 kN时，既有桩距桩顶45 cm 和65 cm处侧摩阻力分别占上部荷载的7.27%和4.1%；上部荷载为10.5 kN时，距桩顶45 cm处侧摩阻力占上部荷载的比例达到最大，为31.4%；上部荷载为12，13.5，15 kN时，这一比例下降为30.1%，29.5%，29.1%。距桩顶65 cm处侧摩阻力占上部荷载比例随着上部荷载的增大而增加，当上部荷载为15 kN 时占比最大，为21.3%。

由图3(e)可知：在施作托换承台后，承台对下方桩体侧摩阻力的发挥产生一定影响。承台下方10 cm范围内桩身侧摩阻力占上部荷载比例较无承台时下降4%。托换后既有桩侧摩阻力在距桩顶35 cm(距离承台底部15 cm)处最大;随着上部荷载的增大，侧摩阻力占上部荷载的比例缓慢下降，上部荷载为9 kN时侧摩阻力占比为3.9%，当上部荷载为30 kN时侧摩阻力占比下降为2.68%。

由图3(f)可知：托换桩桩身侧摩阻力分布规律与既有桩大致一样。托换桩侧摩阻力在距桩顶35 cm(距离承台底部15 cm)处最大;随着上部荷载的增大，侧摩阻力占上部荷载的比例缓慢上升，上部荷载为9 kN 时侧摩阻力占比约为2.47%，当上部荷载为30 kN 时侧摩阻力占比为3.73%。随着上部荷载的不断增大，托换群桩基础逐渐发挥作用。

2.3 托换前后桩身轴力变化

由于2组试验的加载分级不同，故选取3个上部荷载相同的荷载级分析既有桩在托换前后的桩身轴力变化趋势，见图4。

图4 既有桩托换前后桩身轴力衰减百分比

由图4可知：既有桩桩身轴力在托换前后整体衰减趋势相同，桩顶轴力较托换前下降50%～60%。既有桩桩底轴力衰减较大，由于增设了托换桩，托换桩分担部分荷载。在承台下方既有桩桩身入土深度1/6范围内轴力衰减较大，上部荷载为9，12，15 kN时衰减比例分别为13%，14.9%，11.6%，可见随着上部荷载的增大，承台下方轴力衰减比例逐渐增大，当上部荷载为12 kN时轴力衰减达到最大；当上部荷载为15 kN时既有桩轴力衰减比例开始下降。这是由于施作承台后，承台下部土体反力的发挥，导致桩身轴力在承台下方的衰减比例较大。

托换后既有桩与托换桩轴力差值占总荷载比例见图5。可知：托换完成后，既有桩与托换桩桩顶轴力差值和桩底轴力差值占上部荷载的比例分别为14%和7.8%。当荷载级为21 kN时，既有桩与托换桩桩顶轴力差值和桩底轴力差值占上部荷载比例分别为6.8%和4.5%，桩顶轴力差值占总荷载比例较9 kN时下降约50%，桩底轴力差值下降约为60%。当荷载级为30 kN时，桩顶轴力差值与桩底轴力差值占上部荷载比例约为4.7%和3%；桩顶轴力差值占比比托换完成时下降了9.3%，桩底轴力差值占比比托换完成时下降了4.8%，桩顶轴力差值占上部荷载比例下降速率远大于桩底轴力差值占上部荷载比例。随着荷载级的增大，托换体系的承载效果逐渐发挥，托换桩桩顶轴力的增速大于既有桩桩顶轴力的增速；由于桩侧摩阻力的发挥，使得桩底轴力的变化较为缓慢。

图5 托换后既有桩与托换桩轴力差值占总荷载比例

图6 托换后桩顶、桩底轴力变化

托换后桩顶、桩底轴力变化见图6。可知：由于托换桩桩数较多，故单桩分担荷载较小。上部荷载为9 kN时，托换桩单桩分担荷载比例大致占上部荷载的9%～10%。随着上部荷载的不断增加，托换桩单桩桩顶轴力和桩底轴力缓慢增大，单桩分担荷载比例略有增大，大致为11%～12%。上部荷载为9 kN时，既有桩单桩分担荷载大致为23.4%，随着上部荷载的不断增大，当上部荷载达到30 kN时，既有桩单桩分担荷载比例下降至13.3%；且既有桩桩顶轴力在18 kN以后增长速率大幅减小，曲线变缓，既有桩单桩分担荷载比例缓慢下降。

2.4 托换后体系各部分分担荷载

托换后各部分分担荷载比例见图7。可知：在托换后初期即上部荷载为9 kN时，既有桩、托换桩和承台分担荷载比例分别为46.7%，41.5%，11.8%；当上部荷载达到15 kN时，分担荷载比例变为40.4%，44%，15.6%，托换桩分担荷载比例开始超越既有桩；当上部荷载达到30 kN时，分担荷载比例为28.5%，50.5%，21%，此时托换桩分担荷载比例已远高于既有桩，承台反力随着上部荷载的增大也不断发挥。

图7 托换后各部分分担荷载比例

3 结论及建议

1)试验中承台在既有桩维持荷载的情况下浇筑，比较符合工程实际。托换后由于增设了托换桩和承台，使得整个托换体系的承载能力大幅增加。

2)施作承台后，承台下方10 cm范围内既有桩侧摩阻力占上部荷载比例较无承台时下降4%，托换承台对下方桩体侧摩阻力发挥产生一定影响。托换后上部荷载通过承台重新分布，对比托换前，既有桩桩顶轴力衰减50%～60%；托换后既有桩桩身轴力在承台下方1/8桩身长度范围内变化最大，由于承台土反力的逐步发挥，使得既有桩承担的荷载得到削减。

3)托换后既有桩分担荷载比例逐步下降，当托换桩分担荷载比例大致等于既有桩分担荷载比例时，既有桩桩身轴力衰减比例达到最大，之后随上部荷载增加而减小。

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