地下工程中桩基托换技术研究

曲文婷

（枣庄学院，山东 枣庄 277160）

1 引言

托换技术是既有基础加固、改造、补强技术的总称，其目的是提高既有地基承载力或既有建筑物纠偏等.在众多基础托换技术中，桩基托换技术在地下空间的开发中应用最广，近年来得到了快速发展.

2 桩基托换的概念

随着既有建筑物加固改造及地下穿越工程的增多，当已有建筑物的桩基不满足新的承载要求或将被新建地下建筑穿过时，可施工新的托换桩基来代替原有桩基承载，此种技术被称为桩基托换.

桩基托换一般可根据机理不同分为被动托换和主动托换两种.被动托换是指在托换桩基施工完成后，直接切除原桩，上部结构荷载直接传递到新桩上.被动托换引起的变形取决于托换桩性能，一般适用于荷载较小、变形控制要求不严的工程.而主动托换指在切除原桩前通过对新桩的预压消除部分变形，主动托换变形较小，适用于严格控制变形的工程.

3 桩基托换技术要点

3.1 上部结构变形控制

进行上部结构变形控制，一方面需选择合理的既有建筑物容许变形值，由于既有建筑物的地基及结构状态不同于新建建筑物，因此需要通过合理的计算方法确定其容许变形值，只靠经验估算的方法是欠可靠的；另一方面需要精确估算托换工程的施工变形，若变形估算不准确，实际施工变形超过预估值，则会引起托换结构开裂甚至破坏.

3.2 新老混凝土的连接

由于新老混凝土连接处剪力很大，该处能否安全承载也是托换工程能否成功的关键问题之一.

3.3 托换桩基施工技术

由于新的托换桩基施工存在空间小、地下水位较高等困难因素，对托换桩基施工技术进行研究，有利于托换技术的快速发展.

3.4 桩基托换机理研究

尽管近年来托换工程逐渐增多，但托换施工带有较大随意性和经验性，不利于安全控制，亟需对托换机理进行深入研究.

3.5 隧道施工对托换结构的影响

由于托换在隧道开挖前完成，因此隧道施工会对已有的托换体系造成影响，但目前该类研究较少.

4 桩基托换研究现状

4.1 桩基托换施工工艺

国内外已有大量桩基托换的成功案例，为以后的工程积累了大量施工经验，特别是各种已有工程托换体系的设计及托换方案的部署对后续工程具有重要的指导意义.

RichardP[1]等针对某建筑物加层改造的桩基托换工程，详细设计了托换方案及新桩施工方案，并通过沉降监测追踪施工效果.

对梁柱节点的研究方面，柯在田等[2]详述了对节点进行启口、凿毛、植筋及形成双向预应力的施工方法；高俊合等[3]则提出了托换梁与原桩连接节点形成三向预应力的施工工艺；黄祥忠[4]在对北京音乐堂改造工程进行托换方案设计的基础上，对多项桩基托换关键技术进行了研究.其中对梁柱节点的设计，提出了“通筋穿柱法”，即用托换梁的主筋穿过桩身而后用化学胶锚固，该方法能够显著加强梁柱连接的整体性.

深圳地铁有限公司[5]基于深圳地铁百货广场大厦桩基托换工程，进行了实测数据分析，提出了主动托换预顶及截桩两个关键工况的荷载分级及施工要点，对此后的桩基托换工程施工有很大指导意义.

4.2 试验研究

由于桩基托换工程的复杂性，使得完全仿真实际工程的试验难度较大，对较复杂的托换工程，其荷载传递过程一般是通过现场监测结果进行间接评估.已有的试验研究手段多为室内的模型试验，通过模型试验，可近似模拟桩基托换时的荷载传递行为.

对桩基托换进行的模型试验，关注的一个重点是托换节点的处理方式.所谓托换节点，指的是新施工的托换体系与原有桩基之间的连接点.托换节点联系了既有结构和托换结构，结构荷载经由该点传递，节点的连接方式和施工质量关系着托换的成败.国内一些学者通过试验提出了多种类型的节点连接方法供托换工程选用.

基于深圳地铁桩基托换工程，李铁强等[6]提出通过竖向吊杆对节点施加竖向预应力，并对该种托换节点进行了模型试验，分析了这种节点的受力情况，为以后进行的托换工程提供了一种可靠的节点连接方式.

柯在田等[2]对5种梁柱连接方式分别进行了1/4模型试验，研究了各种接头类型的抗剪特性.通过对比提出“企口+锚筋+预应力”的方式是一种安全可靠的大轴力托换节点连接方式.

在梁柱连接的植筋技术方面，黄昌富和耿倩男[7]提出了一种计算植筋植入深度的方法，该方法依据的原则是钢筋使用极限不超过黏结灰浆和混凝土使用条件极限.

除托换节点的研究外，已有的试验另一关注点为托换过程的截桩阶段及截桩前后的荷载转移规律.理论上，截断被托换的原桩的最佳状态应该是在被托换桩受零应力时，但实际上，这一理想状态很难控制.实际工程中一般通过千斤顶达到主动控制，即逐步截除被托换的桩基，同时逐步用千斤顶对托换桩加载，最终使得原来由被托换桩基承受的荷载完全转移到新施工的托换桩上.

柯在田等[2]对桩基主动托换过程进行了1/4整体模型试验，重点研究了托换荷载在托换体系中的分配规律以及截桩前后荷载的转移情况.试验表明，被托换桩基的混凝土截面面积较大时，在钢筋截断后，由于剩余混凝土的承压作用，被托换桩轴力可以保持稳定，因此，截桩时可以采用比较小的千斤顶顶力.截桩过程中，则应控制节点处的位移不超过安全范围，即要随时根据位移情况调整顶力.

4.3 理论分析

对桩基托换的理论分析主要有两种方法：简化计算法和有限元计算法.简化法是利用力学计算，采用数理统计手段给出计算公式，此法使用方便，计算速度快，但无法合理模拟地基土力学特性及托换施工的荷载传递过程，因此，只能用于简单托换工程的近似评估.有限元法是将地基、桩基及上部结构整体建模，通过计算可得到任意位置的应力变形状态.

在简化计算方面，Makarchian和Poulos[8]根据桩-筏共同作用机理给出了一种托换桩基的简化设计方法，应用该法对几个工程问题进行了分析，并通过与有限元计算结果的对比验证了该方法的合理性.

在桩基托换的有限元研究方面，国外已有研究主要集中在托换对已有基础的加固效果上；而由于国内近年遇到许多复杂的桩基托换工程，各学者也多采用商业有限元软件进行理论研究，所得结果可进一步指导施工.国内理论研究的关注点主要有以下几方面：

4.3.1 共同作用方面的研究

由于基础托换过程中，上部结构、地基、基础是相互协调、共同作用的，因此对桩基托换问题进行数值分析时，必须考虑三者的变形协调及共同作用对工程的影响.

4.3.2 托换变形对上部结构的影响研究

被托换的建筑物往往已使用多年，其变形在托换之前已经完成，而托换施工引起的变形对上部结构而言是新的二次变形.许多学者对建筑物承受二次变形尤其是不均匀变形的能力进行了大量有限元分析，试图提出合理的上部结构二次变形允许值，以便指导施工变形控制.

由于托换过程较复杂，顶升、截桩、土方开挖等工况都会对上部结构造成不同程度的影响，因此，对各工况变形规律及其对上部结构影响的研究成果也较多.已有成果对施工能起一定的指导作用，但并没有形成统一的规范，尚需更深入的研究.

4.3.3 主动托换顶升规律研究

桩基主动托换能适应的托换荷载较大，且能对托换变形进行主动控制，因此，主动托换的案例较多，并可预见，主动托换的应用必将比被动托换更加广泛.主动托换变形控制的核心，是在截断原桩前，通过千斤顶顶升托换梁来对托换桩进行预压，消除部分变形，因此，顶升控制是主动托换的关键.现有的研究多关注合理的顶力的确定、顶升位移对上部结构的影响等.

5 结语

我国近年已有大量桩基托换的成功实例，积累了一定经验，以往的研究也推动了该技术的发展.随着城市化的发展，可以预见今后将会遇到更多、更复杂的桩基托换工程，已有的研究很难满足多变的实际需求，因此，桩基托换技术值得更加深入和系统的研究及总结.

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

〔2〕柯在田，高岩，张澍曾.深圳地铁大轴力桩基托换模型试验研究[J].中国铁道科学，2003，24(5)：15-22.

〔3〕高俊合，张澍曾，柯在田,等.大轴力桩基托换梁—柱接头模型试验[J].土木工程学报，2004，37(9)：62-68.

〔4〕黄祥忠.独立柱基础托换与结构加固技术研究[D].西安：西安建筑科技大学，2004.

〔5〕深圳地铁有限公司，铁道科学研究院，铁道第二勘察设计院等.深圳地铁一期工程百货广场桩基托换工程技术总结[R].深圳：深圳地铁公司，2003.

〔6〕李铁强，吴蕴，余楠.一种新型预应力托换节点的试验研究[J].四川建筑科学研究，2003，29(3):54-56.

〔7〕黄昌富，耿倩男.植筋技术在桩基托换工程中的应用研究[C].//全国岩土与工程学术大会，北京:2003.

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