地下工程中樁基托換技術(shù)研究

曲文婷

（棗莊學(xué)院，山東 棗莊 277160）

1 引言

托換技術(shù)是既有基礎(chǔ)加固、改造、補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)的總稱，其目的是提高既有地基承載力或既有建筑物糾偏等.在眾多基礎(chǔ)托換技術(shù)中，樁基托換技術(shù)在地下空間的開發(fā)中應(yīng)用最廣，近年來得到了快速發(fā)展.

2 樁基托換的概念

隨著既有建筑物加固改造及地下穿越工程的增多，當(dāng)已有建筑物的樁基不滿足新的承載要求或?qū)⒈恍陆ǖ叵陆ㄖ┻^時，可施工新的托換樁基來代替原有樁基承載，此種技術(shù)被稱為樁基托換.

樁基托換一般可根據(jù)機(jī)理不同分為被動托換和主動托換兩種.被動托換是指在托換樁基施工完成后，直接切除原樁，上部結(jié)構(gòu)荷載直接傳遞到新樁上.被動托換引起的變形取決于托換樁性能，一般適用于荷載較小、變形控制要求不嚴(yán)的工程.而主動托換指在切除原樁前通過對新樁的預(yù)壓消除部分變形，主動托換變形較小，適用于嚴(yán)格控制變形的工程.

3 樁基托換技術(shù)要點

3.1 上部結(jié)構(gòu)變形控制

進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)變形控制，一方面需選擇合理的既有建筑物容許變形值，由于既有建筑物的地基及結(jié)構(gòu)狀態(tài)不同于新建建筑物，因此需要通過合理的計算方法確定其容許變形值，只靠經(jīng)驗估算的方法是欠可靠的；另一方面需要精確估算托換工程的施工變形，若變形估算不準(zhǔn)確，實際施工變形超過預(yù)估值，則會引起托換結(jié)構(gòu)開裂甚至破壞.

3.2 新老混凝土的連接

由于新老混凝土連接處剪力很大，該處能否安全承載也是托換工程能否成功的關(guān)鍵問題之一.

3.3 托換樁基施工技術(shù)

由于新的托換樁基施工存在空間小、地下水位較高等困難因素，對托換樁基施工技術(shù)進(jìn)行研究，有利于托換技術(shù)的快速發(fā)展.

3.4 樁基托換機(jī)理研究

盡管近年來托換工程逐漸增多，但托換施工帶有較大隨意性和經(jīng)驗性，不利于安全控制，亟需對托換機(jī)理進(jìn)行深入研究.

3.5 隧道施工對托換結(jié)構(gòu)的影響

由于托換在隧道開挖前完成，因此隧道施工會對已有的托換體系造成影響，但目前該類研究較少.

4 樁基托換研究現(xiàn)狀

4.1 樁基托換施工工藝

國內(nèi)外已有大量樁基托換的成功案例，為以后的工程積累了大量施工經(jīng)驗，特別是各種已有工程托換體系的設(shè)計及托換方案的部署對后續(xù)工程具有重要的指導(dǎo)意義.

RichardP[1]等針對某建筑物加層改造的樁基托換工程，詳細(xì)設(shè)計了托換方案及新樁施工方案，并通過沉降監(jiān)測追蹤施工效果.

對梁柱節(jié)點的研究方面，柯在田等[2]詳述了對節(jié)點進(jìn)行啟口、鑿毛、植筋及形成雙向預(yù)應(yīng)力的施工方法；高俊合等[3]則提出了托換梁與原樁連接節(jié)點形成三向預(yù)應(yīng)力的施工工藝；黃祥忠[4]在對北京音樂堂改造工程進(jìn)行托換方案設(shè)計的基礎(chǔ)上，對多項樁基托換關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究.其中對梁柱節(jié)點的設(shè)計，提出了“通筋穿柱法”，即用托換梁的主筋穿過樁身而后用化學(xué)膠錨固，該方法能夠顯著加強(qiáng)梁柱連接的整體性.

深圳地鐵有限公司[5]基于深圳地鐵百貨廣場大廈樁基托換工程，進(jìn)行了實測數(shù)據(jù)分析，提出了主動托換預(yù)頂及截樁兩個關(guān)鍵工況的荷載分級及施工要點，對此后的樁基托換工程施工有很大指導(dǎo)意義.

4.2 試驗研究

由于樁基托換工程的復(fù)雜性，使得完全仿真實際工程的試驗難度較大，對較復(fù)雜的托換工程，其荷載傳遞過程一般是通過現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行間接評估.已有的試驗研究手段多為室內(nèi)的模型試驗，通過模型試驗，可近似模擬樁基托換時的荷載傳遞行為.

對樁基托換進(jìn)行的模型試驗，關(guān)注的一個重點是托換節(jié)點的處理方式.所謂托換節(jié)點，指的是新施工的托換體系與原有樁基之間的連接點.托換節(jié)點聯(lián)系了既有結(jié)構(gòu)和托換結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)荷載經(jīng)由該點傳遞，節(jié)點的連接方式和施工質(zhì)量關(guān)系著托換的成敗.國內(nèi)一些學(xué)者通過試驗提出了多種類型的節(jié)點連接方法供托換工程選用.

基于深圳地鐵樁基托換工程，李鐵強(qiáng)等[6]提出通過豎向吊桿對節(jié)點施加豎向預(yù)應(yīng)力，并對該種托換節(jié)點進(jìn)行了模型試驗，分析了這種節(jié)點的受力情況，為以后進(jìn)行的托換工程提供了一種可靠的節(jié)點連接方式.

柯在田等[2]對5種梁柱連接方式分別進(jìn)行了1/4模型試驗，研究了各種接頭類型的抗剪特性.通過對比提出“企口+錨筋+預(yù)應(yīng)力”的方式是一種安全可靠的大軸力托換節(jié)點連接方式.

在梁柱連接的植筋技術(shù)方面，黃昌富和耿倩男[7]提出了一種計算植筋植入深度的方法，該方法依據(jù)的原則是鋼筋使用極限不超過黏結(jié)灰漿和混凝土使用條件極限.

除托換節(jié)點的研究外，已有的試驗另一關(guān)注點為托換過程的截樁階段及截樁前后的荷載轉(zhuǎn)移規(guī)律.理論上，截斷被托換的原樁的最佳狀態(tài)應(yīng)該是在被托換樁受零應(yīng)力時，但實際上，這一理想狀態(tài)很難控制.實際工程中一般通過千斤頂達(dá)到主動控制，即逐步截除被托換的樁基，同時逐步用千斤頂對托換樁加載，最終使得原來由被托換樁基承受的荷載完全轉(zhuǎn)移到新施工的托換樁上.

柯在田等[2]對樁基主動托換過程進(jìn)行了1/4整體模型試驗，重點研究了托換荷載在托換體系中的分配規(guī)律以及截樁前后荷載的轉(zhuǎn)移情況.試驗表明，被托換樁基的混凝土截面面積較大時，在鋼筋截斷后，由于剩余混凝土的承壓作用，被托換樁軸力可以保持穩(wěn)定，因此，截樁時可以采用比較小的千斤頂頂力.截樁過程中，則應(yīng)控制節(jié)點處的位移不超過安全范圍，即要隨時根據(jù)位移情況調(diào)整頂力.

4.3 理論分析

對樁基托換的理論分析主要有兩種方法：簡化計算法和有限元計算法.簡化法是利用力學(xué)計算，采用數(shù)理統(tǒng)計手段給出計算公式，此法使用方便，計算速度快，但無法合理模擬地基土力學(xué)特性及托換施工的荷載傳遞過程，因此，只能用于簡單托換工程的近似評估.有限元法是將地基、樁基及上部結(jié)構(gòu)整體建模，通過計算可得到任意位置的應(yīng)力變形狀態(tài).

在簡化計算方面，Makarchian和Poulos[8]根據(jù)樁-筏共同作用機(jī)理給出了一種托換樁基的簡化設(shè)計方法，應(yīng)用該法對幾個工程問題進(jìn)行了分析，并通過與有限元計算結(jié)果的對比驗證了該方法的合理性.

在樁基托換的有限元研究方面，國外已有研究主要集中在托換對已有基礎(chǔ)的加固效果上；而由于國內(nèi)近年遇到許多復(fù)雜的樁基托換工程，各學(xué)者也多采用商業(yè)有限元軟件進(jìn)行理論研究，所得結(jié)果可進(jìn)一步指導(dǎo)施工.國內(nèi)理論研究的關(guān)注點主要有以下幾方面：

4.3.1 共同作用方面的研究

由于基礎(chǔ)托換過程中，上部結(jié)構(gòu)、地基、基礎(chǔ)是相互協(xié)調(diào)、共同作用的，因此對樁基托換問題進(jìn)行數(shù)值分析時，必須考慮三者的變形協(xié)調(diào)及共同作用對工程的影響.

4.3.2 托換變形對上部結(jié)構(gòu)的影響研究

被托換的建筑物往往已使用多年，其變形在托換之前已經(jīng)完成，而托換施工引起的變形對上部結(jié)構(gòu)而言是新的二次變形.許多學(xué)者對建筑物承受二次變形尤其是不均勻變形的能力進(jìn)行了大量有限元分析，試圖提出合理的上部結(jié)構(gòu)二次變形允許值，以便指導(dǎo)施工變形控制.

由于托換過程較復(fù)雜，頂升、截樁、土方開挖等工況都會對上部結(jié)構(gòu)造成不同程度的影響，因此，對各工況變形規(guī)律及其對上部結(jié)構(gòu)影響的研究成果也較多.已有成果對施工能起一定的指導(dǎo)作用，但并沒有形成統(tǒng)一的規(guī)范，尚需更深入的研究.

4.3.3 主動托換頂升規(guī)律研究

樁基主動托換能適應(yīng)的托換荷載較大，且能對托換變形進(jìn)行主動控制，因此，主動托換的案例較多，并可預(yù)見，主動托換的應(yīng)用必將比被動托換更加廣泛.主動托換變形控制的核心，是在截斷原樁前，通過千斤頂頂升托換梁來對托換樁進(jìn)行預(yù)壓，消除部分變形，因此，頂升控制是主動托換的關(guān)鍵.現(xiàn)有的研究多關(guān)注合理的頂力的確定、頂升位移對上部結(jié)構(gòu)的影響等.

5 結(jié)語

我國近年已有大量樁基托換的成功實例，積累了一定經(jīng)驗，以往的研究也推動了該技術(shù)的發(fā)展.隨著城市化的發(fā)展，可以預(yù)見今后將會遇到更多、更復(fù)雜的樁基托換工程，已有的研究很難滿足多變的實際需求，因此，樁基托換技術(shù)值得更加深入和系統(tǒng)的研究及總結(jié).

〔1〕RichardP,StulgisBrockE,BarryFrancisS,etal.FoundationUnderpinningwith Mini-Piles: “A First” in Guyana,SouthAmerica.In:ProceedingsofGeoSupportConference2004.NewYork:ASCE,2004.

〔2〕柯在田，高巖，張澍曾.深圳地鐵大軸力樁基托換模型試驗研究[J].中國鐵道科學(xué)，2003，24(5)：15-22.

〔3〕高俊合，張澍曾，柯在田,等.大軸力樁基托換梁—柱接頭模型試驗[J].土木工程學(xué)報，2004，37(9)：62-68.

〔4〕黃祥忠.獨(dú)立柱基礎(chǔ)托換與結(jié)構(gòu)加固技術(shù)研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2004.

〔5〕深圳地鐵有限公司，鐵道科學(xué)研究院，鐵道第二勘察設(shè)計院等.深圳地鐵一期工程百貨廣場樁基托換工程技術(shù)總結(jié)[R].深圳：深圳地鐵公司，2003.

〔6〕李鐵強(qiáng)，吳蘊(yùn)，余楠.一種新型預(yù)應(yīng)力托換節(jié)點的試驗研究[J].四川建筑科學(xué)研究，2003，29(3):54-56.

〔7〕黃昌富，耿倩男.植筋技術(shù)在樁基托換工程中的應(yīng)用研究[C].//全國巖土與工程學(xué)術(shù)大會，北京:2003.

〔8〕MakarchianM,PoulosHG.Simplifiedmethodfordesign ofunderpinningpiles.JournalofGeotechnicalEngineering,ASCE,1996,122(9):745-751.