软土地区拔桩施工对既有桩基变形性状影响的研究_马昱.pdf

收稿日期：2022-05-10基金项目：国家自然科学基金项目（51678352）作者简介：马昱（1988-），男，工程师，主要从事公路桥梁的施工及管理工作。E-mail：第43卷 第1期2023年03月华南地震SOUTH CHINA JOURNAL OF SEISMOLOGYVol.43，NO.1Mar.，2023马昱.软土地区拔桩施工对既有桩基变形性状影响的研究J.华南地震，2023，43（1）：37-45.MA Yu.Study on the Influence of Pile PullingConstruction on the Deformation Behavior of Existing Pile Foundation in a Soft Clay AreaJ.South China journal of seismology，2023，43（1）：37-45软土地区拔桩施工对既有桩基变形性状影响的研究马昱（上海公路桥梁（集团）有限公司，上海 200082）摘要：拔桩施工过程中会对周围既有桩基产生一定影响。为了估计套管法拔桩对周围既有桩基变形性状的影响，通过结合现场实测数据，使用有限元软件ABAQUS对施工过程进行数值模拟，分析了拔桩施工时既有桩基沉降与水平位移的变化情况。结果表明：套管开始压入、套管拔出与回填过程中，既有桩水平位移和沉降分别沿桩身不断减少和逐渐增加，最大值分别为2.4 mm和4.6 mm；套管压入或拔出回填过程中，既有桩基的水平位移均约为沉降的1/10；拔桩施工时既有桩基桩身轴力随着深度不断减少；拔桩结束后土的工程性质（尤其是压缩模量）发生较大改变，折减系数可取0.40.9。此成果可为拔桩施工提供一定的参考。关键词：拔桩施工；既有桩基；沉降；有限元数值模拟中图分类号：TU753文献标识码：A文章编号：1001-8662（2023）01-0037-09DOI：10.13512/j.hndz.2023.01.05Study on the Influence of Pile Pulling Constructionon the Deformation Behavior of Existing PileFoundation in a Soft Clay AreaMA Yu（Shanghai Road and Bridge（Group）Co.，Ltd.，Shanghai 200082，China）Abstract：The pile pulling construction will have certain influence on the surrounding existing pile foundationaround.In this study，in order to estimate the influence of the casing pile pulling method on the deformationbehavior of existing pile foundation，the finite element software ABAQUS is used to simulate the constructionprocess during the pile pulling construction by combining with the field measured data，and the variation of thesettlement and horizontal displacement of the existing pile foundation during the pile pulling construction areanalyzed.The results show that during the process of casing pressing，casing pulling and backfilling，thehorizontal displacement and settlement of the existing pile decreases and increases along the pile body，respectively with the maximum value of 2.6 mm and 4.6 mm;the horizontal displacement of the existing pilefoundation is about 1/10 of the settlement，during the process of casing pressing or pulling out;during the pilepulling construction，the axial pile force of the existing pile foundation decreases with the depth;after the pile43卷华南地震pulling，the engineering properties（especially the compressive modulus）of the soils change greatly，and thereduction coefficients can be 0.4-0.9.The results presented herein may provide some references for the pile pullingconstruction.Keywords：Pile construction;Existing pile foundation;Settlement;Finite element numerical simulation0 引言桩基是一种历史悠久的基础形式。随着社会的不断进步，桩基已从19世纪初美国的H型钢桩逐渐发展到20世纪70年代的钢管桩。桩基础不仅在民用建筑、工业建筑和道路桥梁应用广泛，在海洋平台及港口码头应用率也极高。在目前大规模的改造项目中，往往需要拔除既有桩基。套管法拔桩对周围环境影响较小，得到较多的工程应用。软土地区拔桩施工对既有建构筑物沉降影响已经取得了一些研究成果。结合实际工程，张中杰等1采用全回转清障机对预制混凝土直桩和斜桩进行拔桩施工，发现施工时邻近防汛墙的最大沉降值为 6 mm；韩泽亮2采用振管法、配合喷水射气管对钻孔灌注桩进行清障施工时，邻近距离为1m处防汛导流钢管的沉降达到30 mm；冷金荣等3使用全回转套管机对钻孔灌注桩进行清障施工时发现，邻近合流污水管接缝处最大沉降达到 5.7cm；魏国文等4采用全回转套筒钻机进行拔桩施工与实测数据分析，认为施工过程中需要合理安排清障工作来减小对邻近构筑物的影响。在理论研究和数值分析中，符羽佳等5分析了砂土中齿桩的抗拔承载特性；Kong等6使用数字图像处理技术研究了倾斜拉拔荷载下桩土相互作用引起的土体变形；Shin等7通过研究粘土中刚性金属桩的抗拔承载力特性，分析了模型桩极限抗拔承载力与桩身横截面面积、土的粘聚力等因素之间的关系；刘文白等8用颗粒流软件PFC2D和细观试验模拟了拔桩过程，得到了桩的上拔承载力确定方法；贺嘉等9运用数值分析软件ABAQUS建立了大直径桩的有限元模型，得到大直径桩承载力-变形关系的一些规律。目前，拔桩对既有桩基影响也有一些研究。比如，宋辉等10使用有限元方法分析了套管法拔桩施工对邻近既有大直径污水管的影响；丁红岩等11运用有限元分析研究了钻井船拔桩对筒基平台稳定性的影响；曹玉忠等12结合上海地铁 6 号线研究了套管法拔桩施工对邻近箱涵的影响。但总的来说，拔桩对既有桩基影响的研究还不多。本文研究对象中，套管法拔桩对周围桩基影响存在于压入和拔出套管的整个过程，拔桩可能对同一承台下的其它桩体产生较大影响。因此，本文以拟利用有限元软件ABAQUS，研究套管法拔桩全过程对既有桩基变形性状的影响，并将模拟结果与实测结果进行对比分析，以期得到对工程施工具有一定参考价值的一些结果。1 工程概况如图1所示，本工程位于G1501高速公路与苏申内港线西段航道（吴淞江青浦段）交汇处。G1501高速公路桥按原址改建，道路中心线与原有桥梁设计中心线一致；安亭立交四条匝道结合主线同步改建，在红线范围内微调线形，满足相应设计标准。工程实施范围主线南起安鹤路附近，向北上跨吴淞江、经安亭立交区，止于绿地大道接现状G1501高架桥梁，主线道路全长约1573m；同步改造安亭立交A、B、C、D、Z等匝道，匝道总长约1770 m。匝道施工过程中，与新建桥梁基础冲突的桩基需要拔除。匝道桩基为直径600 mm的PHC（预应力高强混凝土）管桩。本文以一承台为例，选取其中两根桩（1号桩、2号桩）进行分析。两根桩体桩长为50 m，间距为1 m。2 套管法拔桩全过程对既有桩基扰动的分析套管法拔桩施工由以下三个阶段组成：压入套管、拔出桩体、拔出套管并回填。拔桩过程如图2所示。套管法拔桩施工主要分为六个工况，具体步骤如下：（1）在2号桩周围压入大直径（1200 mm）钢护筒（套管）；（2）使用高压水射流设备将护筒内泥土冲成泥浆；38第1期马昱：软土地区拔桩施工对既有桩基变形性状影响的研究图1 G1501桥平面示意Fig.1 Schematic plan of G1501 bridge（3）将2号桩周围的泥浆抽出（能够有效地减小桩侧摩阻力）；（4）使用起重设备将桩基拔出；（5）进行护筒回填；（6）拔出套管。整个施工过程将会对周围既有桩基产生 3 次扰动，因而既有桩基最终位移及内力是 3 次扰动累加的结果：第一次扰动：压入套管。土体受到套管向下的摩擦力，产生竖向和水平方向的位移，进而对与桩身净距仅为1 m的1号桩产生明显扰动。第二次扰动：拔出桩体。桩体与套管之间的土体已经被高压水冲射并抽出，桩体与周围土体的摩擦几乎为0。因此，拔出桩体对于既有桩基的扰动不明显。第三次扰动：拔出套管。土体受到套管向上的摩擦力以及回填材料在初期不能形成足够刚度，导致周围土体向回填区域移动，二者共同作用使既有桩基产生明显的扰动。由于第二次扰动属于微扰动，对既有桩基影响不明显，故本文着重分析第一次套管压入及第三次套管拔出及回填过程。（a）工况一（b）工况二（c）工况三（d）工况四（e）工况五（f）工况六图2 拔桩施工的不同工况Fig.2 Different working conditions during pile pulling construction3943卷华南地震3 套管法拔桩过程的数值模型3.1 模型尺寸及边界模型边界结点施加 X 和 Y 方向的水平位移约束；模型底面结点施加 X、Y、Z 方向的固定约束。模型横向范围取为20倍桩径，模型深度取1.2倍桩径，故模型大小为X Y Z=12 m 12 m 60 m。模型网格划分时，各单元为八节点线性六面体完全积分单元，模型单元总数为36 472个。拔桩施工模型如图3所示，桩体模型如图4所示。图3 三维拔桩模型Fig.3 Three-dimensional model of pile pulling图4 桩体模型Fig.4 Model of piles3.2 模型材料参数土的本构模型采用 Mohr-Coulomb 本构关系，各土层物理力学性质参数见表1。套管及桩采用线弹性模型，套管与土体之间的接触采用库伦摩擦模型。套管材料为钢，混凝土强度等级为 C30，套管及桩的材料性质参数见表2。4 套管法拔桩过程模拟结果的分析为研究套管法施工对既有桩基的影响，重点关注套管压入和拔出时1号桩的水平位移和沉降。表1 土的物理力学性质参数Table 1 Physical and mechanical parameters of soil层号13131312厚度/（m）0.610.02.810.45.49.411.410土层名称素填土灰色粉性土灰色淤泥质粉质粘土灰色淤泥质粉质粘土褐灰色