劳骥民

(中国地质大学 (武汉)工程学院,湖北 武汉 430074)

1 问题的提出

由于重视程度不够及缺乏科学发展的眼光,目前在我国城市地下遗留了大量的废弃桩基。这些废弃桩基给城市的后续发展,尤其对地下空间开发造成了很大的困难,同时,增加了后续项目开发的成本。由于数量众多,部分桩基深度极深以及新桩型的影响,使得问题变得复杂。在相关研究中,由于实验条件复杂,难以模拟控制,试验周期长,确定性及安全性较差,相应的科学研究项目较少。为了城市今后的可持续发展对废弃桩的处理必须引起高度重视。

2 废弃桩产生原因

2.1 结构原因

GB 50068—2001《建筑结构可靠度设计统一标准》规定了建筑物的设计使用年限(见表1)。

表1 结构与建筑使用年限表

当建筑物达到设计使用年限后,应予以处理。在多数情况下,尚未达到耐用年限,建筑结构便已破坏,必须予以拆除。虽然桩基础深埋在地下,有地基土体保护,加之耐久性设计[1],其使用年限往往比上部结构长。但在使用过程中受诸多不利因素的影响而损坏,主要有:①材料、施工质量问题;②地基沉降、位移及有关设计问题;③使用不当,管理不善;④受自然灾害,如地震、台风影响;⑤周围环境影响,水、土腐蚀;⑥其他意外事故[2]。

以上因素都将使桩基工程因其结构原因而需要拆除。

2.2 外部原因

某些情况下,虽然桩基结构尚未破坏,但由于其地理位置有碍规划(地下工程、地铁、隧道等)或需要改变设计,进行改建、扩建时,也会产生废弃桩基,此类情况主要由人为因素造成。例如:

2010年5月底,武汉华润凤凰城,因位于武汉地铁2号线的施工路线上,不得不进行拆迁。经铁路施工方面勘探发现,华润凤凰城部分建筑打下了56根深桩基,每根深达30 m,挡住了建在地下10～15 m的2号线,使得盾构机无法通过,只能把这些桩基作为废弃桩基处理,予以拆除。而凤凰城二期于2006年竣工,使用不过4 a。

2009年7月,武汉东西湖博大学府花园小区8至11栋楼因与轨道交通1号线二期线路走向相撞,将遭拆除。面临拆除的4栋楼层是商住两用楼,每栋6层,一楼多为商铺,预计桩基深度在20～30 m。而小区用户入住大多数不及3 a。

南京地铁2号线一期工程茶亭站—莫愁湖站区间隧道施工中,盾构机要穿越2处已拆除建筑物的废弃桩基,即南京锅炉厂原中心试验楼预制方桩基础和管材车间振冲灌注桩基础,分别有49,23根桩基侵入隧道区域。由于这些废弃桩基多数为钢筋混凝土预制桩或钢筋混凝土灌注桩,盾构机穿越施工非常困难,因此实际工程中,采用提前拔除废弃桩的施工方案。

3 废弃桩的影响危害

废弃桩基的存在会对当地环境、发展等多方面产生影响。

3.1 限制该地区新工程建设

如果在原有地基基础上直接进行二次建筑的修建,大量废弃桩基将:

(1)对新桩基位置布设的影响。当旧桩基被埋在地下未处理时,占据了一定的地下空间。由于新建筑全新的结构布局,旧桩基的存在就干扰新桩基的布设。尤其当新桩基型式为扩径桩或扩盘桩时,旧桩基的干扰尤为强烈。

(2)造成新桩基及地基受力情况的改变,形成不均匀压力。当旧桩基埋在地下时,会对地下空间应力场产生作用。所以在计算新桩基周围的土体压力时,需要考虑旧桩基的影响,由于旧桩基分布不均匀,由此会产生不均匀压力。

(3)对施工产生干扰。施工中存在旧桩干扰新桩的情况,如新桩为钻孔桩,旧桩是扩径桩,螺旋钻碰到扩径桩的斜面容易改变方向,施工也会比较困难[2]。

(4)修建地下工程时,废弃桩基将直接阻碍其施工。在城市地铁修建过程中,时常要穿过存在深桩基的地层。目前的主要解决手段是托换技术,但该方法操作麻烦、工期长、成本较高。

3.2 影响地下水、土环境

从现有资料来看,由于受实验条件复杂、难以模拟、实验周期长、不确定性高等因素限制,有关废弃桩基对地下水、土环境影响的研究很少。废弃桩基在地下,主要受地下水的侵蚀作用,这种侵蚀作用大致可分为结晶性侵蚀、分解性侵蚀和结晶分解复合性侵蚀等。马晓轩通过多年的实验研究,总结出混凝土和钢筋混凝土在我国有代表性的某些土壤中的腐蚀情况[3]。在这种侵蚀作用下,桩基材料发生物理、化学反应,部分物质交换到水土环境中,造成桩基的强度降低,结构破坏。而地下水土中也逐渐富集桩基材料中的部分有害添加剂,形成污染。

当废弃桩基在数量、深度、埋藏时间达到一定程度后,这种影响是不容忽视的。

4 废弃桩拆除手段

在拆除过程中需考虑噪声、振动、安全等多方面因素。目前在工程实际中常用的手段有机械拆除法和高压水破坏拆除法。

桩基在地下的受力模型见图1。

图1 桩基在地下的受力模型图

可见,在拔除桩基过程中,主要考虑桩本身的重力和土侧向压力造成的摩擦力,拔除力F的计算:

式中:P为土侧向压力,N;k为摩擦系数;f为摩擦力,N;G为桩基自重,kg。

若想减少拔除力,则主要从2个方面进行考虑:①减小桩基本身重力。采用开挖方式,机械破除一部分旧桩,从而减小其自身重力,该方法同时也可减小土在侧壁产生的侧向压力,进而减小抗拔力。但此法开挖成本高,施工困难大;②减小抗拔系数。采用高压水破土,使其桩基周围土体适当剥离,从而降低抗拔系数,进而减小抗拔力。但此法施工工艺复杂。

值得提出的是,拔除法可广泛应用于等直桩,但对扩孔桩、扩盘桩的适用性还有待观察。另外,在拔除时,需考虑断桩的处理以及回填土问题。张继红等人曾在上海地区,对不同尺寸的预制桩进行了大量静载试验及计算[4]。

目前在工程上一般采取过度钻孔的方法从上到下逐段拔除。而对钢管桩等桩型,在可以提供足够拔除力又不致于出现断桩时,可以直接拔除,但常需要振动或水流等配合。

试验表明[5]:等直桩的抗拔极限侧阻力小于极限抗压侧阻力,比值在0.7～0.9。桩受到的侧压力是动态变化的,对于受压桩,当侧压力增大时,极限状态时的侧压力系数约为静止土压力系数的1.5倍以上;对于受拉桩,侧压力有减小趋势,期极限状态时的侧压力系数约为静止土压力系数的0.9倍。这一点在新型拔桩技术中需引起注意。

其他的拆除手段还有爆破拆除法、切割拆除法、膨胀拆除法等,各有优缺点及适用性[2]。

目前对桩基拆除手段的研究还不完善。对旧桩的处理是一个涉及技术、安全、环境、经济等多方面因素的复杂问题,需要开发新桩材、新桩型和拆除手段。

对旧桩基进行处理时,还需考虑到以下几个方面:

(1)成本问题:这是在保证工程安全之后的最主要因素。减少成本,避免不必要的浪费是施工的重点。

(2)信息收集:对旧桩的处理,信息收集尤为重要。掌握旧工程的相关资料,不仅在设计方面,同时在施工方面也给予很大帮助。

(3)寻求专业指导:目前,国内从事专业拔桩的施工队不多。但仍可以向从事过大项目的专业队伍寻求帮助,收取资料。

(4)试验前提:在决定拔桩前,应该采取多次的模拟试验,可以有效避免失误,减少不必要的损失。

5 建 议

通过对废弃桩基产生的原因、影响以及比较现有处理措施的阐述,随着日后对废弃桩基研究的深入,其拆除工艺也将日益成熟,向着高速度、低公害、更经济、更安全的方向发展。在此,提出几点建议:

(1)采用多种方案结合、优化组合的方式。如先用膨胀破碎法使废弃桩基产生一定程度的破坏,再利用机械拆除法予以拆除。但该方案对工作人员的技术要求较高,并且需要相当的实践经验,否则会造成浪费。

(2)对桩基材料进行优化,结合新型建筑材料,因地制宜地采用耐久性材料。

(3)在桩基结构设计上予以突破,可采用倒三角、倒梯形设计,减小边界上的抗摩阻力,以利于桩的拔除。

(4)在桩基设计上避免过大过密,从源头上加以控制。

(5)制定相应规范,完善资料整合。获取详细的桩基分布图,减少施工难度。

[1]杜斌,刘祖德,聂向珍.城市中的就装机问题及处理方法探讨[C]//第二届全国岩土与工程学术大会论文集:下册.北京:科学出版社,2006.

[2]徐维钧.桩基施工手册 [M].北京:人民交通出版社,2007.

[3]马晓轩.我国主要类型土壤对混凝土材料腐蚀性规律的研究[J].建筑科学,2003,19(6):55-57.

[4]张继红,顾国荣,陈晖.上海地区预制桩承载力时间效应的统计分析与研究[J].土木工程学报,2002,35(4):98-102.

[5]徐宏发,罗国煜,廖铁平,等.等截面桩的抗拔机理研究[J].工程勘察,2003(3):4-6,34