摘要：基于在既有混凝土灌注桩周边施工灰土桩的实际需要，借助于岩土隧道有限元软件MIDAS/GTS，模拟灰土桩施工对邻近混凝土桩基的影响，分析了灰土桩施工对既有灌注桩的受力情况，为工程设计和施工提供了有益的参考依据。
关键词：灰土桩；复合地基；既有灌注桩影响
1、概况
西安城墙距今已有600多年的历史，为第一批全国重点文物保护单位，伴随着西安城墙社会活动的增加及城市基础建设的影响，城墙砖表土芯的结构出现了新的病害表现，某马面处城砖及敌楼台明出现裂缝的情况，局部存在沉陷并形成错台。
参考类似工程的修缮经验，尽量减少对文物本体的扰动，拟采取直径120mm的灰土桩加固该病害区域。其中马面区域东西宽25.76m，突出墙体10.5m，高11.27m。马面上建有敌楼一座，钢筋混凝土灌注桩基础，桩径600mm，桩长12m，单桩承载力300-400KN之间，考虑到在马面敌楼周边进行灰土桩施工会产生土体损失和应力释放，对邻近混凝土桩基产生不可忽视的影响，需要对混凝土桩的影响进行数值模拟分析，分析灰土桩施工土体损失对邻近桩基的影响，结合分析结果，提出减小灰土桩施工对原有混凝土桩影响的相关工程设计及施工措施，并在施工过程中提出相关技术措施。
2、灰土桩施工对桩基影响的数值模拟
2.1、计算模型
采用岩土隧道有限元软件MIDAS/GTS模拟灰土桩施工对邻近混凝土桩基的影响，GTS能够提供完全的三维动态模拟功能。模型的本构模型设定为：土体及灰土桩采用摩尔库伦本构模型，混凝土桩采用弹性模型，在土体内建立桩体。
2.2、土层特性
1、夯筑土：坚硬～硬塑，稍湿～湿，可见砖瓦碎片，孔隙比0.713～1.067，平均值为 0.905，含水量 16.5%～20.7%，平均值为18.4%，湿陷系数平均值δs= 0.029，具轻微湿陷性，局部具中等湿陷性。中压缩性土。层厚 5.70～7.00m。
2、夯筑土：坚硬～硬塑，稍湿，可见砖瓦碎片，孔隙比0.679～0.937，平均值为 0.826，含水量 14.3%～22.1%，平均值为17.1%，湿陷系数平均值δs= 0.010，局部具轻微湿陷性。中压缩性土，该层未揭穿，最大揭露厚度为6.50m。
2.3桩基的侧向弯矩分析
灰土桩施工过程中土体损失产生的侧向附加应力使混凝土灌注桩体发生侧向变形，并承受侧向弯矩，在距离混凝土灌注桩0.5m、1.0m、1.5m处分别布置桩长3.0m、5.0m、7.0m的灰土桩进行有限元模拟，有限元计算结果如图2所示。
图中表明，三种工况下桩身受到的最大侧向负弯矩分别为37.54kNm、37.51kNm、36.81kNm，三者最大相差1.9%，可见灰土桩对原有混凝土桩的弯矩作用与两者距离及灰土桩桩长关系不大，弯矩最大点近似为混凝土桩长的上部1/3 处。但是，随着桩长的增加在混凝土桩身下部开始出现正弯矩，且随桩长增加弯矩值随之增加。
图2 不同距离混凝土桩基所受的侧向弯矩沿深度分布图
参考相关文献，不论机械成孔还是人工成孔，灰土桩桩周土的影响范围约为10d左右，考虑到尽量减少对原有混凝土桩的干扰，在混凝土桩外侧1.5m范围施工灰土桩，灰土桩桩长由3.5m逐根增加0.5m，建立相关有限元模型，可以看出与原有工况的弯矩曲线的形状基本一致，但是最大弯矩值为26.34 kNm，相比7m桩长的工况减少了28.4%。
图3 递增桩长对混凝土桩基所受的侧向弯矩沿深度分布图
4 结论
灰土桩施工过程中，由于土体损失，必定会对邻近混凝土桩基产生影响，但由于桩基埋于地下，很难测量其受力和变形情况，况且对文物本体的变形与位移的控制要求更高，所以有必要对桩基的受力和变形情况进行有限元模拟分析。
分析结果表明：在既有混凝土灌注桩周边施工灰土桩，会对既有桩身产生弯矩作用，最大弯矩点在桩身上部三分之一处，灰土桩与混凝土桩的距离及灰土桩桩长对最大弯矩值的影响有限，但是在相同位置处灰土桩布置成阶梯状可有效降低对既有混凝土桩的弯矩作用，可减小约28.4%。
结合分析结果可提出相关工程设计及施工措施，例如，灰土桩施工范围可控制在混凝土桩外侧1.2m以外；灰土桩桩长可布置为阶梯状，有效减小对桩基础附加受力及变形的影响；在后续施工过程中应进行相关监测，验证有限元模型计算的正确性。
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作者简介：王磊、陕西省文化遗产研究院、工程师、硕士研究生。
论文作者:王磊,毛頔,刘康
论文发表刊物:《建筑模拟》2018年第14期
论文发表时间:2018/8/29
标签：灰土论文; 弯矩论文; 混凝土论文; 桩基论文; 有限元论文; 模型论文; 应力论文; 《建筑模拟》2018年第14期论文;