饱和黄土区桩基托换模型试验和数值模拟

吕文达

中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043

随着地铁网络的不断完善，施工环境变得日益复杂。隧道等地下工程穿越桩基础时，为充分利用上部结构，不可避免要对既有桩基础进行托换处理。为研究桩基托换过程中的结构特性，国内外学者开展了大量的试验研究。文献［1］分析了不同顶升荷载作用下复杂超静定结构的内力与位移响应。文献［2-4］通过模型试验得出，与托换前相比，桩基托换后结构承载能力不降反增。文献［5］提出了桥梁下方桩基托换过程中桩身合理的外露长度。文献［6-7］通过计算和监测托换后桩基，得出切除部分桩基对安全影响不大，沉降变形较小。文献［8-9］结合桩基托换工程经验和现有技术水平，详述了盾构隧道穿越桥梁时桩基托换的设计难点和重点。

饱和黄土因其特殊的工程性质，在隧道开挖时给施工带来巨大困难，若再进行桩基托换，更增加了工程难度，目前国内对饱和黄土区桩基托换的实践及研究较少。因此，本文以兰州地铁一桩基托换工程为依托，采用模型试验和数值计算相结合的方法，对饱和黄土地区桥梁桩基托换技术进行研究。

1 工程概况

兰州地铁穿越的市政桥梁为1×20 m空心板简支梁桥，下部桥台采用桩接盖梁式桥台。每个桥台下设8根桩，其直径为1.2 m，桩长17 m。为减小对交通的影响，提出桩基托换方案。既有桩和托换桩的位置关系见图1。其中1#—8#桩为既有桩，9#—21#桩为托换桩。3#、4#和8#桩与地铁隧道干扰，需要被截断。

图1 既有桩和托换桩的位置关系示意

2 室内模型试验

2.1 模型建立与参数确定

结合该工程项目桩基-承台体系的实际尺寸及室内试验条件，制作几何相似比1∶12的混凝土缩尺模型。各物理量的相似比由相似关系换算得到，其中弹性模量、密度、泊松比的相似比为1∶1，其余物理量相似比见表1。

表1 各物理量相似比

试验模型中模型槽尺寸为3.00 m（长）×3.00 m（宽）×2.25 m（高）。桩径取10 cm，既有桩、托换桩的桩长分别为88、120 cm。桩身材料为C30混凝土，采用PVC管成型。

桩顶布置压力传感器，在桩内主筋中每隔20 cm对称粘贴应变片，桩端埋设土压力盒，测试分析托换过程中桩身内力变化规律。加载准则和结果判定均按照JGJ 106—2014《建筑基桩检测技术规范》。

模型中土样主要参数见表2。

表2 模型中土样主要参数

2.2 结果分析

3#、4#和8#桩截断前后既有桩轴力对比见图2。

图2 3#、4#和8#桩截断前后既有桩轴力对比

由图2可知：①各桩轴力随深度增加而逐渐减小，符合摩擦桩受力特征。②3#、4#和8#桩被截断后处于卸荷状态，桩顶轴力分别减小14.76、15.43、13.94 kN，累计减小44.13 kN。其余桩轴力增加，1#、2#、5#、6#和7#桩的桩顶轴力分别增加4.18、4.24、4.02、4.39、5.05 kN，累计增加21.88 kN，即有22.25 kN的力由承台传递至托换桩，分配率约为50.4%。

3#、4#和8#桩截断前后不同深度既有桩轴力对比见图3。可知：①桩截断前1#—8#桩的桩顶轴力分别为

图3 3#、4#和8#桩截断前后不同深度既有桩轴力对比

21.47、20.22、19.62、20.70、22.15、21.04、20.15、20.31 kN，截断后分别为25.65、24.46、4.86、5.27、26.17、25.43、25.20、6.37 kN，托换使得既有桩轴力产生了重分布。②桩截断后，在任意相同深度处，1#、2#桩的轴力均比5#—7#桩小，这是由于1#、2#桩仅受单侧截断桩（3#、4#）影响，而5#—7#桩受两侧截断桩共同影响。

3 数值模拟

3.1 模型建立和参数确定

试验模型仅得出了桩基托换前后轴力的变化及荷载传递规律，未能完全揭示受力转换机理，故采用MIDAS GTS对桩基托换全过程（基坑开挖、施作托换桩、灌注承台、截断部分既有桩）进行仿真分析，数值模型见图4。桩基-承台体系采用实体单元模拟，下覆土层采用三维实体单元模拟，底面和侧面均采用法向约束，地表为自由面。土层参数见表3。

表3 地层模型计算参数

图4 数值模型

3.2 结果分析

3#、4#和8#桩截断前后既有桩桩顶轴力的数值模拟值和模型试验值对比见图5。模型试验值按照相似比换算而来。可知：①两种方法所得结果整体变化规律相似，轴力在截断前最大相差20.68%，截断后最大相差26.19%。整体来看，数值模拟结果偏小，这与模型边界范围较大，土层划分及饱和黄土的土体参数更详细有关。②不论是数值模拟，还是模型试验，桩截断后荷载均重新分配。③从数值模拟结果来看，截断后1#、2#、5#、6#和7#桩轴力共增加3 660 kN，3#、4#和8#桩轴力共减小6 705 kN，即有3 045 kN的轴力由承台传递至托换桩，荷载分配率45.4%，与试验值比较接近。

图5 3#、4#和8#桩截断前后既有桩桩顶轴力对比

3.3 托换体系受力转换机理

3#、4#和8#桩截断后桩土竖向位移云图见图6。其中白色箭头为土体运动轨迹。可知：3#、4#和8#桩被截断后，上部荷载逐步转移至其周边桩和下部土体，而随着周边桩的沉降，又会挤压其邻近土体，造成截断桩处土体向上移动，从而支撑了承台结构。

图6 3#、4#和8#桩截断后桩土竖向位移云图（单位：mm）

桩基托换完成后既有桩竖向位移见表4。可知：各桩平均值为-3.481 mm，各桩与平均值的差值最大为-0.214 mm，最小为-0.052 mm，相差都很小，可见桩基沉降较均匀。这是承台和下部土体共同支撑的结果。

表4 桩截断后竖向位移 mm

4 结论

1）模型试验和数值模拟结果均显示，桩基托换后荷载重新分配。3#、4#和8#桩截断后有50.4%的荷载被传递至托换桩，从而减小了剩余既有桩所承担的荷载。

2）数值模拟方法可弥补模型试验的不足，揭示托换体系受力转换机理。3#、4#和8#桩截断后，上部荷载逐步转移到其周边桩和下部土体。周边桩沉降挤压邻近土体，致使土体向上移动，给承台一个上顶力，形成土体和承台共同支撑体系，从而使得桩基沉降比较均匀。

3）模型试验和数值模拟得出的桩基受力和位移的变化规律基本一致，两种方法相互验证、相互补充。其分析结果均证明本工程桩基托换效果良好。