廢棄樁基問題及拆除手段初探

勞驥民

(中國地質(zhì)大學(xué) (武漢)工程學(xué)院,湖北 武漢 430074)

1 問題的提出

由于重視程度不夠及缺乏科學(xué)發(fā)展的眼光,目前在我國城市地下遺留了大量的廢棄樁基。這些廢棄樁基給城市的后續(xù)發(fā)展,尤其對地下空間開發(fā)造成了很大的困難,同時,增加了后續(xù)項目開發(fā)的成本。由于數(shù)量眾多,部分樁基深度極深以及新樁型的影響,使得問題變得復(fù)雜。在相關(guān)研究中,由于實驗條件復(fù)雜,難以模擬控制,試驗周期長,確定性及安全性較差,相應(yīng)的科學(xué)研究項目較少。為了城市今后的可持續(xù)發(fā)展對廢棄樁的處理必須引起高度重視。

2 廢棄樁產(chǎn)生原因

2.1 結(jié)構(gòu)原因

GB 50068—2001《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定了建筑物的設(shè)計使用年限(見表1)。

表1 結(jié)構(gòu)與建筑使用年限表

當(dāng)建筑物達(dá)到設(shè)計使用年限后,應(yīng)予以處理。在多數(shù)情況下,尚未達(dá)到耐用年限,建筑結(jié)構(gòu)便已破壞,必須予以拆除。雖然樁基礎(chǔ)深埋在地下,有地基土體保護(hù),加之耐久性設(shè)計[1],其使用年限往往比上部結(jié)構(gòu)長。但在使用過程中受諸多不利因素的影響而損壞,主要有:①材料、施工質(zhì)量問題;②地基沉降、位移及有關(guān)設(shè)計問題;③使用不當(dāng),管理不善;④受自然災(zāi)害,如地震、臺風(fēng)影響;⑤周圍環(huán)境影響,水、土腐蝕;⑥其他意外事故[2]。

以上因素都將使樁基工程因其結(jié)構(gòu)原因而需要拆除。

2.2 外部原因

某些情況下,雖然樁基結(jié)構(gòu)尚未破壞,但由于其地理位置有礙規(guī)劃(地下工程、地鐵、隧道等)或需要改變設(shè)計,進(jìn)行改建、擴建時,也會產(chǎn)生廢棄樁基,此類情況主要由人為因素造成。例如:

2010年5月底,武漢華潤鳳凰城,因位于武漢地鐵2號線的施工路線上,不得不進(jìn)行拆遷。經(jīng)鐵路施工方面勘探發(fā)現(xiàn),華潤鳳凰城部分建筑打下了56根深樁基,每根深達(dá)30 m,擋住了建在地下10～15 m的2號線,使得盾構(gòu)機無法通過,只能把這些樁基作為廢棄樁基處理,予以拆除。而鳳凰城二期于2006年竣工,使用不過4 a。

2009年7月,武漢東西湖博大學(xué)府花園小區(qū)8至11棟樓因與軌道交通1號線二期線路走向相撞,將遭拆除。面臨拆除的4棟樓層是商住兩用樓,每棟6層,一樓多為商鋪,預(yù)計樁基深度在20～30 m。而小區(qū)用戶入住大多數(shù)不及3 a。

南京地鐵2號線一期工程茶亭站—莫愁湖站區(qū)間隧道施工中,盾構(gòu)機要穿越2處已拆除建筑物的廢棄樁基,即南京鍋爐廠原中心試驗樓預(yù)制方樁基礎(chǔ)和管材車間振沖灌注樁基礎(chǔ),分別有49,23根樁基侵入隧道區(qū)域。由于這些廢棄樁基多數(shù)為鋼筋混凝土預(yù)制樁或鋼筋混凝土灌注樁,盾構(gòu)機穿越施工非常困難,因此實際工程中,采用提前拔除廢棄樁的施工方案。

3 廢棄樁的影響危害

廢棄樁基的存在會對當(dāng)?shù)丨h(huán)境、發(fā)展等多方面產(chǎn)生影響。

3.1 限制該地區(qū)新工程建設(shè)

如果在原有地基基礎(chǔ)上直接進(jìn)行二次建筑的修建,大量廢棄樁基將:

(1)對新樁基位置布設(shè)的影響。當(dāng)舊樁基被埋在地下未處理時,占據(jù)了一定的地下空間。由于新建筑全新的結(jié)構(gòu)布局,舊樁基的存在就干擾新樁基的布設(shè)。尤其當(dāng)新樁基型式為擴徑樁或擴盤樁時,舊樁基的干擾尤為強烈。

(2)造成新樁基及地基受力情況的改變,形成不均勻壓力。當(dāng)舊樁基埋在地下時,會對地下空間應(yīng)力場產(chǎn)生作用。所以在計算新樁基周圍的土體壓力時,需要考慮舊樁基的影響,由于舊樁基分布不均勻,由此會產(chǎn)生不均勻壓力。

(3)對施工產(chǎn)生干擾。施工中存在舊樁干擾新樁的情況,如新樁為鉆孔樁,舊樁是擴徑樁,螺旋鉆碰到擴徑樁的斜面容易改變方向,施工也會比較困難[2]。

(4)修建地下工程時,廢棄樁基將直接阻礙其施工。在城市地鐵修建過程中,時常要穿過存在深樁基的地層。目前的主要解決手段是托換技術(shù),但該方法操作麻煩、工期長、成本較高。

3.2 影響地下水、土環(huán)境

從現(xiàn)有資料來看,由于受實驗條件復(fù)雜、難以模擬、實驗周期長、不確定性高等因素限制,有關(guān)廢棄樁基對地下水、土環(huán)境影響的研究很少。廢棄樁基在地下,主要受地下水的侵蝕作用,這種侵蝕作用大致可分為結(jié)晶性侵蝕、分解性侵蝕和結(jié)晶分解復(fù)合性侵蝕等。馬曉軒通過多年的實驗研究,總結(jié)出混凝土和鋼筋混凝土在我國有代表性的某些土壤中的腐蝕情況[3]。在這種侵蝕作用下,樁基材料發(fā)生物理、化學(xué)反應(yīng),部分物質(zhì)交換到水土環(huán)境中,造成樁基的強度降低,結(jié)構(gòu)破壞。而地下水土中也逐漸富集樁基材料中的部分有害添加劑,形成污染。

當(dāng)廢棄樁基在數(shù)量、深度、埋藏時間達(dá)到一定程度后,這種影響是不容忽視的。

4 廢棄樁拆除手段

在拆除過程中需考慮噪聲、振動、安全等多方面因素。目前在工程實際中常用的手段有機械拆除法和高壓水破壞拆除法。

樁基在地下的受力模型見圖1。

圖1 樁基在地下的受力模型圖

可見,在拔除樁基過程中,主要考慮樁本身的重力和土側(cè)向壓力造成的摩擦力,拔除力F的計算:

式中:P為土側(cè)向壓力,N;k為摩擦系數(shù);f為摩擦力,N;G為樁基自重,kg。

若想減少拔除力,則主要從2個方面進(jìn)行考慮:①減小樁基本身重力。采用開挖方式,機械破除一部分舊樁,從而減小其自身重力,該方法同時也可減小土在側(cè)壁產(chǎn)生的側(cè)向壓力,進(jìn)而減小抗拔力。但此法開挖成本高,施工困難大;②減小抗拔系數(shù)。采用高壓水破土,使其樁基周圍土體適當(dāng)剝離,從而降低抗拔系數(shù),進(jìn)而減小抗拔力。但此法施工工藝復(fù)雜。

值得提出的是,拔除法可廣泛應(yīng)用于等直樁,但對擴孔樁、擴盤樁的適用性還有待觀察。另外,在拔除時,需考慮斷樁的處理以及回填土問題。張繼紅等人曾在上海地區(qū),對不同尺寸的預(yù)制樁進(jìn)行了大量靜載試驗及計算[4]。

目前在工程上一般采取過度鉆孔的方法從上到下逐段拔除。而對鋼管樁等樁型,在可以提供足夠拔除力又不致于出現(xiàn)斷樁時,可以直接拔除,但常需要振動或水流等配合。

試驗表明[5]:等直樁的抗拔極限側(cè)阻力小于極限抗壓側(cè)阻力,比值在0.7～0.9。樁受到的側(cè)壓力是動態(tài)變化的,對于受壓樁,當(dāng)側(cè)壓力增大時,極限狀態(tài)時的側(cè)壓力系數(shù)約為靜止土壓力系數(shù)的1.5倍以上;對于受拉樁,側(cè)壓力有減小趨勢,期極限狀態(tài)時的側(cè)壓力系數(shù)約為靜止土壓力系數(shù)的0.9倍。這一點在新型拔樁技術(shù)中需引起注意。

其他的拆除手段還有爆破拆除法、切割拆除法、膨脹拆除法等,各有優(yōu)缺點及適用性[2]。

目前對樁基拆除手段的研究還不完善。對舊樁的處理是一個涉及技術(shù)、安全、環(huán)境、經(jīng)濟等多方面因素的復(fù)雜問題,需要開發(fā)新樁材、新樁型和拆除手段。

對舊樁基進(jìn)行處理時,還需考慮到以下幾個方面:

(1)成本問題:這是在保證工程安全之后的最主要因素。減少成本,避免不必要的浪費是施工的重點。

(2)信息收集:對舊樁的處理,信息收集尤為重要。掌握舊工程的相關(guān)資料,不僅在設(shè)計方面,同時在施工方面也給予很大幫助。

(3)尋求專業(yè)指導(dǎo):目前,國內(nèi)從事專業(yè)拔樁的施工隊不多。但仍可以向從事過大項目的專業(yè)隊伍尋求幫助,收取資料。

(4)試驗前提:在決定拔樁前,應(yīng)該采取多次的模擬試驗,可以有效避免失誤,減少不必要的損失。

5 建 議

通過對廢棄樁基產(chǎn)生的原因、影響以及比較現(xiàn)有處理措施的闡述,隨著日后對廢棄樁基研究的深入,其拆除工藝也將日益成熟,向著高速度、低公害、更經(jīng)濟、更安全的方向發(fā)展。在此,提出幾點建議:

(1)采用多種方案結(jié)合、優(yōu)化組合的方式。如先用膨脹破碎法使廢棄樁基產(chǎn)生一定程度的破壞,再利用機械拆除法予以拆除。但該方案對工作人員的技術(shù)要求較高,并且需要相當(dāng)?shù)膶嵺`經(jīng)驗,否則會造成浪費。

(2)對樁基材料進(jìn)行優(yōu)化,結(jié)合新型建筑材料,因地制宜地采用耐久性材料。

(3)在樁基結(jié)構(gòu)設(shè)計上予以突破,可采用倒三角、倒梯形設(shè)計,減小邊界上的抗摩阻力,以利于樁的拔除。

(4)在樁基設(shè)計上避免過大過密,從源頭上加以控制。

(5)制定相應(yīng)規(guī)范,完善資料整合。獲取詳細(xì)的樁基分布圖,減少施工難度。

[1]杜斌,劉祖德,聶向珍.城市中的就裝機問題及處理方法探討[C]//第二屆全國巖土與工程學(xué)術(shù)大會論文集:下冊.北京:科學(xué)出版社,2006.

[2]徐維鈞.樁基施工手冊 [M].北京:人民交通出版社,2007.

[3]馬曉軒.我國主要類型土壤對混凝土材料腐蝕性規(guī)律的研究[J].建筑科學(xué),2003,19(6):55-57.

[4]張繼紅,顧國榮,陳暉.上海地區(qū)預(yù)制樁承載力時間效應(yīng)的統(tǒng)計分析與研究[J].土木工程學(xué)報,2002,35(4):98-102.

[5]徐宏發(fā),羅國煜,廖鐵平,等.等截面樁的抗拔機理研究[J].工程勘察,2003(3):4-6,34