不同條件鉆孔灌注樁孔壁穩(wěn)定性模擬分析

陳 爽

南水北調(diào)濟(jì)南市續(xù)建配套工程臥虎山水庫(kù)供水線路改造工程?hào)|風(fēng)洞～孟家水庫(kù)段建成后供水規(guī)模為5萬(wàn)m3/d，工程主要內(nèi)容包括維修砧子山隧洞2.4 km、新建砧子山隧洞出口～興隆水庫(kù)管道2.33 km、新建興隆水庫(kù)～孟家水庫(kù)隧洞6.38 km。砧子山隧洞出口至興隆水庫(kù)（2+400-4+730）段屬山間凹地～山前平原地貌單元，地層主要為黃土狀粉質(zhì)壤土夾碎石土，局部見(jiàn)奧陶系灰?guī)r。此次改造混凝土灌注樁工程涉及鋼管架空段底部基礎(chǔ)處理，施工內(nèi)容主要包括成孔、鋼筋制安、混凝土灌注等工作。工程鉆孔直徑為1.0 m，深度為3.2 m，混凝土等級(jí)為C25，工程施工中縮孔問(wèn)題發(fā)生頻繁。對(duì)此，對(duì)不同條件鉆孔灌注樁孔壁穩(wěn)定性進(jìn)行模擬分析。

1 模型建立

鉆孔灌注樁孔壁穩(wěn)定性分析采用有限元模擬軟件Plaxis 7.2，本構(gòu)模型選擇摩爾-庫(kù)倫模型，分析黏性土和砂性土兩種飽和土體的孔壁穩(wěn)定性。黏性土和砂性土分析時(shí)的強(qiáng)度參數(shù)分別采用總應(yīng)力參數(shù)和有效應(yīng)力參數(shù)。模擬過(guò)程中的泥漿作用，可通過(guò)在模型中施加靜水壓力達(dá)到。

模擬中鉆孔灌注樁孔壁穩(wěn)定性的衡量指標(biāo)選擇兩個(gè)，一是孔壁土體的塑性區(qū)半徑比，即塑性區(qū)與鉆孔的半徑之比；二是穩(wěn)定性安全系數(shù)，通過(guò)有限元強(qiáng)度折減的方法得到。

在鉆孔灌注樁鉆孔施工過(guò)程中，孔壁土體應(yīng)力狀態(tài)會(huì)發(fā)生改變，由原先的三向受力狀態(tài)變?yōu)殡p向受力，孔壁側(cè)應(yīng)力會(huì)發(fā)生卸荷。因此，孔壁側(cè)土體的變形應(yīng)該屬于卸荷變形，分析過(guò)程中應(yīng)綜合考慮應(yīng)力卸荷路徑及其側(cè)向變形模量，黏性土和砂性土側(cè)向卸荷模量應(yīng)力路徑影響系數(shù)分別取 100和 160。

2 不同條件對(duì)孔壁穩(wěn)定性的影響

2.1 土體性質(zhì)

土體性質(zhì)對(duì)鉆孔灌注樁穩(wěn)定性的判別指標(biāo)為抗剪強(qiáng)度、孔壁最大塑性區(qū)半徑比以及穩(wěn)定性安全系數(shù)。計(jì)算孔深L、孔半徑D、泥漿相對(duì)密度分別為20 m、0.5 m和1.1，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 土體性質(zhì)對(duì)孔壁穩(wěn)定性的計(jì)算結(jié)果

結(jié)合土體性質(zhì)影響計(jì)算結(jié)果，得出：對(duì)于黏性土地質(zhì)，鉆孔灌注樁孔壁土體的塑性區(qū)分布與孔深度呈正相關(guān)關(guān)系，孔深度越大，塑性區(qū)半徑也逐漸增加；隨著土體內(nèi)摩擦角的增加，孔壁安全性系數(shù)會(huì)同步增加，但塑性區(qū)半徑會(huì)減小。對(duì)于砂性土地層，塑性區(qū)分布及其半徑大小與深度之間并沒(méi)很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)，隨著內(nèi)摩擦角的增大，塑性區(qū)半徑及其半徑比會(huì)逐漸較小，而安全系數(shù)會(huì)增大。

分析黏性土和砂土地質(zhì)條件下孔壁變形量可知，變形量與塑性區(qū)分布模式結(jié)果基本相吻合，隨著深度的增加，黏性土孔壁變形量增加，而砂土地質(zhì)孔壁變形量沒(méi)有太大的波動(dòng)，基本維持在一個(gè)較小的變形量。綜合分析可以得出以下結(jié)論：

1）隨著鉆孔深度的增加，黏性土中土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)變化速率基本保持在較小的數(shù)值，而側(cè)壓系數(shù)、側(cè)向卸荷量較大，且土體不同方向的應(yīng)力差值也非常大，致使黏性土孔壁卸荷變形量大，塑性區(qū)分布較廣。但黏性土孔壁土體變形受黏聚力的影響，應(yīng)力狀態(tài)失衡之后很快達(dá)到新的平衡，使得穩(wěn)定安全系數(shù)仍保持在一個(gè)相對(duì)安全的范圍。

2）與黏性土孔壁變形不同，隨著鉆孔深度的增加，砂性土中土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)變化速率較大，而側(cè)壓系數(shù)、側(cè)向卸荷量保持在一個(gè)較小的數(shù)值，且土體不同方向的應(yīng)力差值小，致使砂性土孔壁卸荷變形量大，塑性區(qū)分布較廣。但砂性土孔壁土體塑性區(qū)形成之后，易發(fā)生破壞。綜合分析，在不同性質(zhì)的土體中孔壁變形破壞存在差異，黏性土孔壁易出現(xiàn)縮徑，砂土中易出現(xiàn)塌孔。

2.2 孔半徑

在模擬孔半徑對(duì)鉆孔灌注樁孔壁穩(wěn)定性影響時(shí)，固定孔深與泥漿相對(duì)密度數(shù)值，分別為20 m和1.1，黏性土黏聚力和內(nèi)摩擦角分別為20 kPa、2°，砂土黏聚力和內(nèi)摩擦角分別為 0 kPa、30°，孔徑參數(shù)設(shè)置0.3 m、0.5 m、0.7 m、0.9 m和1.1 m五組。計(jì)算得到，隨著孔徑的增加，黏性土最大塑性區(qū)半徑比為 8.7、7.8、6.7、5.9、5.6，穩(wěn)定性安全系數(shù)分別為 1.587、1.398、1.294、1.184、1.114；砂性土最大塑性區(qū)半徑比為 0.7、0.8、0.7、0.8、0.8，穩(wěn)定性安全 系數(shù) 分 別 為 1.767、1.650、1.463、1.366、1.298。結(jié)合孔壁縮徑量得到，隨著孔半徑的增加，黏性土孔壁土體塑性區(qū)半徑比擴(kuò)大，穩(wěn)定性降低，縮徑量增加；砂土孔壁穩(wěn)定性受孔徑的影響較小，塑性區(qū)半徑比幾乎維持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的數(shù)值。

2.3 孔深

在模擬孔深對(duì)鉆孔灌注樁孔壁穩(wěn)定性影響時(shí)，固定孔半徑與泥漿相對(duì)密度數(shù)值，各參數(shù)取值同上。對(duì)于黏性土土體，在孔深10 m、20 m、30 m時(shí)的塑性區(qū)半徑比分別為2.0、4.2、7.2，安全系數(shù)分別為3.333、1.718、1.309。對(duì)于砂土土體，在孔深10 m、20 m、30 m時(shí)的塑性區(qū)半徑比分別為0.8、0.8、0.8，安全系數(shù)分別為 1.724、1.650、1.643。土體變形量，分析可知，黏性土土體卸荷量、塑性區(qū)半徑、側(cè)向變形量均與孔深成正相關(guān)關(guān)系，而孔壁的穩(wěn)定性隨著孔深增加會(huì)降低；砂土地基鉆孔孔壁卸荷量也會(huì)隨著孔深增加而增加，但由于其自身內(nèi)摩擦角大，使得抗剪強(qiáng)度也會(huì)同步增加，土體卸荷量、塑性區(qū)半徑、側(cè)向變形量不會(huì)受孔深影響程度不明顯，孔壁都容易發(fā)生塌孔。

2.4 泥漿相對(duì)密度

泥漿相對(duì)密度對(duì)控制孔壁穩(wěn)定性有著重要意義，其可有效降低孔壁的側(cè)向卸荷量，并能提高側(cè)壓力、抑制局部坍孔，達(dá)到提高孔壁穩(wěn)定性的目的。但增加泥漿相對(duì)密度會(huì)增加施工難度，并會(huì)對(duì)鉆孔灌注樁樁身承載能力產(chǎn)生影響。黏性土地基中，增加泥漿相對(duì)密度可在很大程度上控制塑性區(qū)半徑，提高孔壁穩(wěn)定性；砂土地基中，塑性區(qū)的形成與泥漿側(cè)壓力、土體靜止側(cè)壓力有密切關(guān)系，當(dāng)靜止側(cè)壓力超過(guò)泥漿側(cè)壓力時(shí)，孔壁土體會(huì)產(chǎn)生塑性區(qū)，穩(wěn)定性下降，有出現(xiàn)塌孔可能，反之則可抑制塑性區(qū)形成，提高孔壁穩(wěn)定性安全系數(shù)。

3 結(jié)語(yǔ)

縮徑是黏性土地基孔壁穩(wěn)定性控制的主要問(wèn)題，并且如地基土土質(zhì)越松散、鉆孔越深、鉆孔半徑越大，鉆孔灌注樁孔壁的穩(wěn)定性越差，鉆孔縮徑問(wèn)題越嚴(yán)重，可通過(guò)提高泥漿相對(duì)密度加以控制。塌孔是砂土地基孔壁穩(wěn)定性控制的主要問(wèn)題，鉆孔打設(shè)過(guò)程中，孔壁土體會(huì)產(chǎn)生塑性區(qū)，易發(fā)生破壞，并且塑性區(qū)范圍會(huì)逐漸擴(kuò)大，最終發(fā)生塌孔。砂土地基鉆孔灌注樁孔壁穩(wěn)定性控制的關(guān)鍵在于有效控制泥漿相對(duì)密度，應(yīng)確保土體靜止側(cè)壓力超過(guò)泥漿的側(cè)壓力。