旧桩拔除对临界桩基承载力的影响分析

孔劲奇，毛一玫，刘 菲，王 琰，卫 翔

（江苏省中成建设工程总公司，江苏 南京 210041）

1 概述

近年来，废旧桩拔除项目在房屋拆迁改建、桥梁码头翻新、隧道施工、水利设施基础改造等很多工程中都有遇到，拔除的种类涉及木桩、钢管桩、钢筋混凝土灌注桩和PHC 管桩等[1-3]，基本涵盖现有各种桩型。现有研究大多关注拔桩施工工艺，对拔桩产生的工程环境影响没有进行深入研究。无论采用何种拔桩方法，其结果都是拔桩后在场地中形成竖向孔洞，孔洞形成和回填之间存在时间差，导致孔径缩小甚至坍塌，可能引起场地发生侧向位移和地表沉降，引起周围土体的塑性变形和扰动，进而影响周围新桩的承载特性。为了研究拔桩产生的工程环境影响，本文基于小孔扩张理论推导了拔桩后桩孔周围应力和应变分布，分析了桩孔周围其他桩基的承载力变化规律，研究结果可为相关工程设计与施工提供借鉴。

2 基本假设和力学模型

旧桩拔出后的遗留桩孔视作一个竖直圆孔，将其看作轴对称来计算。假定所有应力分量和位移分量均不沿着自重应力方向发生变化，各点只会沿着径向和切向发生移动，不发生竖向位移。以地面桩孔中心处建立柱面坐标系，Z 轴竖直向下。在旧桩拔除前，桩孔孔径为ri=r0，对应的平衡应力为p=p0=kγz；在废桩拔除后，随着内压的减少桩孔逐渐收缩，从弹性状态过渡为塑性状态，最终达到极限值，此时的半径为ru，所对应的应力pu满足Mohr-Coulomb 极限平衡条件。任一点的径向应力为σr，切向应力为 σθ，如图 1 所示。

图1 桩周土任意一点应力状态

将单元体上各力径向、切向叠加，计算解得应力平衡方程为：

几何方程：

边界条件：

假设土体在弹性状态满足广义胡克定律，塑性状态满足Mohr-Coulomb 屈服准则，对于卸荷缩孔问题，径向应力为小主应力，环向应力为大主应力：

在塑性流动区遵循流动准则如式所示：

3 弹塑性区应力场

3.1 弹性区

根据弹性理论，假设应力函数为：

代入边界条件，解出弹性区的应力场如式（9、10）所示：

式中，σrp为 r=rp处的径向应力，解得：

弹性区位移为：

弹性区径向应变、切向应变分别为：

则在弹塑性交界处，由几何方程可得r=rp处的极限弹性应变为：

3.2 塑性区

将式（2）、式（3）代入式（15）可得：

解得塑性区的位移协调方程：

由修正后的Mohr-Coulomb 极限平衡条件、边界条件求得塑性区径向应力σr与距离r 的关系为：

根据弹塑性边界的连续条件，由已知条件r=r0，σr=p0=kγz 代入得：

由式（6）、式（18）、式（19）求得塑性区径向应力：

根据弹塑性交界面上应力条件即塑性一致性条件，考虑在r=rp处，径向应力连续解得：

由于体积应变与孔隙比存在一一对应关系，即εv=（e-e0）/（1+e0），故求得孔隙比e 与距孔壁距离r 的关系为：

其中，假设在弹性区桩周土c、φ 不变，rp可根据式（21）进行求解计算。

4 基桩承载力的变化规律

本节选取西宁市地区土层参数进行分析，整体土层自上而下为粉质粘土、粘质粉土，其中粘聚力c、内摩擦角φ 与孔隙比e 关系如下：

对于粉质粘土：

对于粘质粉土：

联立式（22-24）计算可得粘聚力c、内摩擦角φ 随距孔壁距离变化规律。由于废桩桩周土体强度削弱，这对临近桩基侧摩阻力的发挥产生影响，进而降低新桩的承载性能。桩的极限侧摩阻力可近似表达为：τ=kσtanφ+c，将桩与土的作用看作滑动摩擦，则桩侧总侧摩阻力Qs的值为：

图2 影响系数随距孔壁距离变化规律

定义废桩拔除对临近桩基的影响系数为 ζ=Qs′/Qs，Qs′为考虑临界桩孔扰动后的单桩承载力。图2 为影响系数ζ 随距孔壁距离变化规律。由图2 可知，废桩拔除对临近基桩承载力的影响范围约为6 倍的桩径，在距孔壁距离约6 倍桩径范围内，废桩拔除对临近基桩承载力影响较大，当距离约为1.5 倍桩径时，旧桩实际承载力削弱为原承载力的93%；当距孔壁距离大于6 倍的桩径，基桩性能受旧桩拔除影响较小，承载力基本保持不变。

5 结论

废桩拔除，桩周土体强度c、φ 随着距孔壁距离增大而减小，导致临近旧桩承载力受到一定程度的削弱，研究表明旧桩承载力变化与距孔壁距离关系呈曲线变化，影响范围约为6 倍的桩径，并随着距离增大而减小。