李志杰 謝益平 張文學(xué) 張成

（1.北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京 100124；2.中鐵十二局集團(tuán)第七工程有限公司，長沙 410004）

經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展帶動了城市交通量飛速增長，為緩解交通壓力需要建設(shè)立交橋、高架橋等交通基礎(chǔ)設(shè)施。隨著城市化進(jìn)程的快速發(fā)展，可用空地日益減少，征地成本急劇增加。因此，對既有的交通基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行改擴(kuò)建以增大通行能力是一種可行的解決方案。在改擴(kuò)建工程中會不可避免地遇到既有基礎(chǔ)再利用的問題，為了達(dá)到物盡其用、節(jié)約投資、保護(hù)環(huán)境的目的，既有基礎(chǔ)再利用在改擴(kuò)建工程中是十分有必要的。

在長期的實(shí)踐和研究中發(fā)現(xiàn)，樁基礎(chǔ)在入土后的承載能力會隨時間的推移而逐漸增加，這一現(xiàn)象被稱為樁基礎(chǔ)的承載力時間效應(yīng)。研究表明樁型和成樁方式對樁基承載力的時間效應(yīng)機(jī)理有很大影響[1-4]。采用鉆孔灌注樁施工的樁基承載力時間效應(yīng)性相對更為明顯，主要體現(xiàn)在樁周土的觸變恢復(fù)、樁周形成土殼以及樁底沉渣的影響。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)承載力時間效與地質(zhì)條件、樁身尺寸等關(guān)系密切[5-8]。目前對此方面的研究多數(shù)是基于靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)提出的地區(qū)性經(jīng)驗(yàn)公式[9-11]，但由于不同方法有各自的適用性和局限性，在不同地區(qū)不同工程中計算結(jié)果差別很大，缺少參考價值。

本文依托南沙港鐵路雞鴉水道特大橋工程，對既有樁基的承載力時間效應(yīng)進(jìn)行驗(yàn)證分析，并利用非線性有限元軟件ABAQUS建立新老樁共同工作模型，分析不同參數(shù)對新老樁荷載分擔(dān)比例的影響，探討既有樁基礎(chǔ)再利用的可行性，以便為類似工程設(shè)計提供參考。

1 工程概況

南沙港鐵路是粵港澳大灣區(qū)交通發(fā)展的重要項(xiàng)目之一，也是首條進(jìn)入廣州南沙自貿(mào)區(qū)境內(nèi)的貨運(yùn)鐵路。南沙港鐵路雞鴉水道特大橋?yàn)楣F兩用橋，位于廣東省中山市，是在原廣中江高速公路雞鴉水道大橋基礎(chǔ)上改擴(kuò)建而成。原高速公路雞鴉水道大橋?yàn)閮煞纸ǖ倪B續(xù)剛構(gòu)公路橋，左幅孔跨為（102.5+175.0+102.5）m，右幅孔跨為（102.5+175.0+106.0）m。原公路左右兩幅橋已完成了樁基、承臺和墩身的施工，右幅橋0#塊也已施工。從減少占地拆遷、節(jié)約國家投資的角度出發(fā)，經(jīng)多方協(xié)商采用公鐵合建的形式跨越雞鴉水道，采用（102+175+102）m平行弦連續(xù)鋼桁架按公路在上、鐵路在下進(jìn)行設(shè)置，樁基利用原公路681#邊墩已施工8根直徑2 m樁基，中間增補(bǔ)2根直徑2 m樁基，如圖1所示，其中L1—L8為既有樁基礎(chǔ)，X1和X2為新增樁基礎(chǔ)。

圖1 681#邊墩樁基示意（單位：cm）

2 現(xiàn)場試驗(yàn)

為分析既有樁基礎(chǔ)再利用的可行性和新老樁共同工作情況，在考慮樁基布置情況和經(jīng)濟(jì)合理的基礎(chǔ)上，選取681#橋墩的3個樁基（L3、L5和X1）布設(shè)傳感器，進(jìn)行承臺橋墩荷載作用下的應(yīng)變測試。單個樁基環(huán)向等間距布設(shè)3個傳感器，測點(diǎn)距樁邊30 cm，如圖2所示。

圖2 樁基鉆孔取芯（單位：cm）

根據(jù)試驗(yàn)計劃并配合現(xiàn)場施工進(jìn)度要求完成試驗(yàn)結(jié)果采集。試驗(yàn)過程為：①根據(jù)測試要求和圖紙，將所需的9根型號為CMJX‐215型埋入式混凝土應(yīng)變計數(shù)據(jù)線頭尾依次進(jìn)行對應(yīng)標(biāo)號；②利用專業(yè)混凝土取芯機(jī)設(shè)備，按照圖紙對應(yīng)位置在測試樁基上進(jìn)行取芯，將應(yīng)變計平行結(jié)構(gòu)應(yīng)力方向進(jìn)行安裝；③將應(yīng)變傳感器垂直布置在孔洞中，并用C30混凝土砂漿填滿孔洞。用專業(yè)工具振搗，保證砂漿密實(shí)；④將測試導(dǎo)線沿結(jié)構(gòu)鋼筋引出后與型號為JMZX‐3001L的應(yīng)變測試儀相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和后續(xù)整理。

相關(guān)施工計劃為：9月3日前進(jìn)行681#墩臺的混凝土澆筑；9月3日后墩臺澆筑完成，拆除模板，樁基開始承擔(dān)豎向荷載。

681#墩各樁基應(yīng)變隨時間的變化曲線見圖3。

圖3 681#墩各樁基應(yīng)變隨時間的變化曲線

由圖3可知：在9月3日前未加載豎向荷載時，L3和L5樁應(yīng)變變化不大，而X1新樁應(yīng)變增加較大，這是由新樁的收縮徐變和預(yù)埋的混凝土水化熱作用造成的；9月3日后在豎向荷載作用下各樁均為壓應(yīng)變，且應(yīng)變變化量基本相同，說明新老樁共同承擔(dān)上部荷載，且同步性能良好，因此可初步驗(yàn)證樁基礎(chǔ)的承載力時間效應(yīng)和既有老樁的再利用性能。

3 計算模型

3.1 有限元模型

利用ABAQUS軟件建立樁基礎(chǔ)三維有限元模型，如圖4所示。承臺下布置10根基樁（8個老樁、2個新樁），樁徑為2 m，樁長、樁間距、樁型為影響參數(shù)，承臺尺寸為25.0 m×7.6 m×4.0 m。承臺為高樁承臺，未與地面相接觸。為保證計算結(jié)果的可靠性，同時考慮建模的簡便性，將承臺等效為剛體，承臺上部結(jié)構(gòu)均以面荷載P作用于承臺。本模型共建節(jié)點(diǎn)44 442個，單元29 367個。為保證模型最大化保留原有狀態(tài)，網(wǎng)格規(guī)范整齊，采用線性六面體C3D8R類型。承臺與樁基綁定固結(jié)，土體四周法向約束，底部完全固結(jié)，樁基與樁周土采用接觸模型模擬。

混凝土樁與地基的接觸采用接觸模型中小滑移模型模擬，引入拉格朗日函數(shù)，使接觸面h≤0（h為主從接觸面的接觸距離），從而得到樁與地基位移和接觸力場?；炷僚c樁底沉渣摩擦因數(shù)取0.3，與樁底土摩擦因數(shù)取0.6，與樁周土摩擦因數(shù)取0.5，均不考慮黏聚力作用。

圖4 樁基模型

3.2 模型工況和計算荷載

為了分析樁長、樁型對新老樁共同工作下荷載分配的影響，本文考慮以下4個工況，樁基編號參見圖1。工況1：新老樁均為樁長54 m的摩擦樁；工況2：新老樁均樁長為54 m的端承樁；工況3：老樁樁長49 m，新樁樁長54 m，均為摩擦樁；工況4：老樁樁長49 m，新樁樁長54 m，均為端承樁。

計算需考慮的荷載包括地應(yīng)力、自重和承臺上部結(jié)構(gòu)傳遞到承臺的荷載。地應(yīng)力等同于無外載條件下土體自重應(yīng)力。作用于承臺的外荷載由橋體自重、汽車和火車簡化荷載組成，其值成為-87.2 kPa。

3.3 材料參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場勘查資料，土體由上至下端承樁依次為：淤泥質(zhì)黏土（0～15.2 m）、粉質(zhì)黏土（15.2～27.0 m）、細(xì)砂（27.0～37.6 m）、細(xì)圓礫土（37.6～45.6 m）、花崗巖（45.6～70.0 m）；摩擦樁淤依次為泥質(zhì)黏土（0～15.2 m）、粉質(zhì)黏土（15.2～27.0 m）、細(xì)砂（27.0～70.0 m）。樁、樁間土的力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 樁、樁間土的力學(xué)參數(shù)

4 結(jié)果分析

通過計算分別得到老樁L5，L7及新樁X1的承擔(dān)荷載Pi（i為樁號）和各樁的樁端阻力Piσ、樁側(cè)阻力Piτ。各樁實(shí)際承擔(dān)荷載與均值的比值計算公式為

式中：ki為i號樁承擔(dān)荷載與群樁荷載均值之比；Pˉ為群樁下各樁頂反力的均值，取1 662 kN；n為樁的數(shù)量；γi為i號樁側(cè)摩阻力承擔(dān)總荷載的比值。

承臺荷載P作用下，各樁軸力隨深度的變化曲線見圖5。樁側(cè)摩阻力為樁頂軸力與樁底軸力之差，樁端阻力等于樁底軸力。

圖5 不同工況下各樁軸力隨深度的變化曲線

由圖5（a）可知：①各樁隨著入土深度的增加，側(cè)摩阻力發(fā)揮較大的作用，γi=50%～70%。②L7樁基承擔(dān)荷載最大，PL7=2 009 kN，kL7=1.21；L5樁和X1樁位置比較接近，承擔(dān)的荷載也基本相同，kL5，kX1分別為0.85和0.84?？梢?，各樁受力不均勻并不是因?yàn)樾聵逗屠蠘兑鸬模侨簶墩w的不均勻下沉導(dǎo)致邊樁承擔(dān)荷載明顯比中間樁大。

由圖5（b）可知：①不等樁長條件下X1樁與相鄰L5樁的軸力下降趨勢相近，L7樁側(cè)摩阻力因受群樁整體的不均勻下沉影響發(fā)揮較大作用。②L7樁基承擔(dān)荷載最大，為 1 956 kN；kL7=1.18，kL5=0.77，因X1樁樁長大于老樁樁長，其承擔(dān)荷載比重有較大提高，kX1=1.11?？梢姡鳂妒芰Σ痪鶆?，差值較大，其中老邊樁樁基承擔(dān)荷載占比較大。

由圖5（c）可知：①端承樁因土質(zhì)差異，在入土0～40 m內(nèi)樁側(cè)摩阻力很小。X1樁側(cè)摩阻力在入土40 m以下呈線形增加，樁端阻力較小，為612 kN。L5樁與L7樁樁端阻力較大，承擔(dān)總荷載的80%～95%。②因群樁下樁基位置不同，X1樁基承擔(dān)荷載最大，為1 872 kN；kX1=1.12，kL5=1.03，kL7=0.90。

由圖5（d）可知：①端承樁樁端阻力承擔(dān)總荷載的85%～98%；②因群樁下樁基位置不同，X1樁樁基承擔(dān)荷載最大，為1 782 kN，kX1=1.07，kL5=1.05，kL7=0.90，總體相差不大。

對比摩擦樁圖5（a）和圖5（b）以及荷載分擔(dān)比值可知，摩擦樁樁長對L5和L7老樁的承擔(dān)荷載影響很小，差值僅在5%以內(nèi)。因新樁長于老樁，受群樁整體不均勻沉降影響較小，側(cè)摩阻力發(fā)揮作用大，導(dǎo)致X1樁的承擔(dān)荷載變化較大，為19%。對比端承樁圖5（c）和圖 5（d）以及荷載分擔(dān)比值可知，X1樁樁頂反力由1 872 kN減小到1 782 kN，差值僅為0.4%，故端承樁樁長對各樁基荷載分擔(dān)比的影響很小。

對比等長樁圖5（a）和圖5（c）以及荷載分擔(dān)比值可知，各樁承擔(dān)荷載受樁型影響明顯，各樁均有較大變化，其中L7樁樁頂反力變化量最大，為506 kN，占比為33.9%。對比不等長樁圖5（b）和圖5（d）以及荷載分擔(dān)比值，樁型影響亦明顯，L7樁樁頂反力變化量最大，為467 kN，占比為31.2%。

5 結(jié)論

1）新老樁受力后應(yīng)變趨勢基本相同，且新樁較老樁應(yīng)變略大，可初步驗(yàn)證樁基礎(chǔ)的承載力時間效應(yīng)和既有老樁的再利用性能。

2）樁長對新老樁荷載分擔(dān)比的影響較??；新樁樁長大于老樁時，新樁的荷載分擔(dān)比有小幅增加，對老樁的影響可忽略不計。

3）樁型不同時新老樁荷載分擔(dān)比相差較大。端承樁各樁承擔(dān)上部豎向荷載較均勻；摩擦樁受群樁整體不均勻沉降影響造成各樁受力不均勻，邊樁承擔(dān)豎向荷載比重大，較危險。

4）從經(jīng)濟(jì)和安全角度分析，對于端承樁建議新增樁與既有老樁等樁長設(shè)計。若采用摩擦型樁，應(yīng)盡量減小新打入樁對樁周土的影響。