黄 涛，费静燕，徐高翔，单佩佩，李智鹏

（江苏省中成建设工程总公司，江苏 南京 210041）

1 概述

近20 年来对城市中心区的旧城改造成为城市化进程的一个重要方面，现有的旧城改造模式一般是将旧建筑结构（包括基础结构）一律拆除，重新设计建造，而遗留的旧桩基础处理却成为工程上比较棘手的难题。目前，遗留旧桩的处理通常有拔除与再利用两种方式，旧桩拔除既增加了工程成本、浪费了资源，旧桩的再利用成为岩土工程领域研究的新方向。然而，旧桩的承载能力评价还缺乏系统的研究。对此，本文考虑新旧桩承载力的不同主要来源于桩周土体力学特性这一特点，提出通过修正桩周土体参数方法来实现对旧桩承载力的数值模拟，并将模拟结果与实测数据进行对比，验证了数值模拟方法的合理性、可行性，研究结果可为今后类似工程的相关设计提供借鉴。

2 旧桩承载特性的模拟方法

旧桩模拟的关键是合理反映桩周土力学特性的应力历史效应和时间效应。以下针对砂土和黏土分别讨论如何修正本构模型参数以考虑这两个因素的影响。

2.1 砂土的力学参数修正

采用Mohr-Coulomb 本构模型描述砂土力学特性。根据国内外学者研究成果，采用Bolton[1]研究的有关17 种砂土在不同密度和围压下的强度和剪胀性的试验成果整理得到砂土内摩擦角：

式中，emax、emin分别为最大孔隙比与最小孔隙比，φcrit′相当于土的残余内摩擦角，通过收集学者有关砂土的研究发现，该值大约为 30°～37°，模拟中取值 33°。

剪胀角可表达为

根据Iwasaki[2]研究砂土在循环扭剪作用下的力学特性，剪切模量G 可表达为：

式中，G0取值一般为 0.5～10MPa。

通过式（1）～（3）可以发现，砂土的内摩擦角、剪胀角、剪切模量不仅与平均有效应力p′有关，还与孔隙比e 有关。

此外，在长期荷载作用下，砂土颗粒可能发生破碎进而引起密实度增大。McDowell 和Bolton[3]指出砂土正常压缩曲线为：

表1 各土层物理力学性质

式中，σc为正常压缩曲线上一点，ec为对应σc的孔隙比，λ 为压缩指数。

由于正常压缩曲线上一点σc与当前骨料中最小颗粒的平均强度成正比，所以可以得到：

式中，σS为最小颗粒的平均强度，k 为常数，与粒径无关。

将式（5）代入式（4）得：

Davidge[4]、Ashby 和 Jones[5]提出的土体强度随时间变化的规律是：

式中，n 为缓慢裂纹扩展指数，范围为10～100。

假设在t=t0时对应的平均颗粒强度为σs0，则经历t时间后对应的平均强度σs为：

将式（8）代入式（6）得：

因此孔隙比的变化值随时间变化的关系为：

本文首先采用FLAC 3D 有限元软件模拟新桩的第一次加载，记录荷载作用下单元土体的体应变，得到新桩卸载后的孔隙比，在考虑旧桩已经工作的时长由式（10）得到修正的 e，进而根据 p′、e 由式（1）～（10）实现对桩周砂土参数的修正。

2.2 黏性土的力学参数修正

对于粉质黏土等黏性土选取修正剑桥模型进行模拟，模型能通过超固结比OCR 自动考虑加载历史的影响。而次固结沉降可导致超固结效应，通过修正前期固结压力反映。大量压缩试验表明，在恒定压力作用下，次固结系数Ca是固定不变的，并不随着时间发生变化，且对于粘性土，Cc/Ca在0.03～0.05 之间。次固结系数可由土样的e-lgt 关系曲线求得：

式中，t1为主固结完成时间，t2为需要计算次固结的时间。

根据式（11）可得：

图1 e-lnp 关系曲线

图1 为e-lnp 曲线，土体压缩固结孔隙比e 由e2减小为e1，并与卸载曲线相交，交点为lnpt，压缩曲线与卸载曲线相交与点为lnpm，t。由图1 计算得到：

联立式（11）、式（13）、式（14）可得：

3 旧桩模型的建立与分析

以天津某实际工程项目为背景[6]，整体桩筏基础采用钻孔灌注桩，该工程分别于1996 年以及2011 年进行两次单桩静载试验（以下分别称为新桩和旧桩试验），旧桩桩长47m，桩径800mm，场地各土层参数如表1 所示。

数值模型中的土体、桩全部采用实体单元，模型整体尺寸为70m×70m×70m（长，宽，深），砂土层本构采用Mohr-Coulomb 模型，粘土层、粉土层采用修正剑桥模型。天津地区软土次固结系数与压缩指数之比取值为0.00109～0.0098[7]，本节计算近似取 0.005；对于砂土层，考虑时间效应时孔隙比的变化按式（12）进行计算，式中n近似取50。

旧桩静载实测曲线与数值模拟曲线对比分析如图2所示。通过对比1996 年与2011 年静载试验曲线可以看出，桩的竖向抗压承载力随时间增大而增大，且在相同荷载作用下，相较于新桩，旧桩沉降显著减小，这是由于钻孔灌注桩随着泥皮硬化和桩周土的触变以及重新固结，土体强度增加，桩侧摩阻力增加，单桩承载性能提高，该工程中单桩竖向承载力增长了约55%。模拟结果与实测结果之间相接近，说明采用的修正桩周土体来模拟灌注旧桩的方法能较为真实的反映出旧桩的荷载-沉降规律合理。

图2 静载曲线对比图

4 结论

数值模拟中区别新旧桩周围土体的力学特性差异，考虑应力历史和时间效应分别对不同土层的影响，推导出不同土层参数的修正方法，进而实现对旧桩的模拟。以实际工程为背景，对某灌注桩进行数值分析，将模拟结果与实测数值进行对比，结果表明本文提出的考虑新旧桩桩周土体力学特性差异的修正参数方法合理。