全護(hù)筒跟管灌注樁護(hù)筒受力分析

王朝陽(yáng) 孫文懷 郝彥超

(1.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450046； 2.河南省建筑科學(xué)研究院有限公司，河南 鄭州 450053)

1 概述

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，我國(guó)大型基礎(chǔ)工程施工越來越復(fù)雜，設(shè)計(jì)需要的樁徑越來越大，面對(duì)的地質(zhì)條件愈加復(fù)雜。需要在更復(fù)雜的地質(zhì)條件下施工，如：穿越軟土層、卵礫石層、地下水豐富地層、不穩(wěn)定地層等。對(duì)于地質(zhì)條件復(fù)雜的情況，鉆孔灌注成樁施工難度大，存在塌孔、縮頸等現(xiàn)象，施工質(zhì)量難以保障。

全護(hù)筒跟進(jìn)工藝因簡(jiǎn)便有效的解決了塌孔、縮頸等困擾樁基施工的問題，正在我國(guó)被越來越多的使用，但同時(shí)面對(duì)復(fù)雜的施工條件也常常存在配套的護(hù)筒鉆具在施工過程中損壞、斷裂進(jìn)而造成經(jīng)濟(jì)損失、影響工期的問題。由于相關(guān)研究資料較少[1]、施工過程監(jiān)測(cè)難度大，直接研究護(hù)筒受力較為困難。如何從理論上解釋護(hù)筒跟進(jìn)過程中的受力情況，首先需要先建立護(hù)筒工作時(shí)的力學(xué)模型。

2 護(hù)筒力學(xué)分析

2.1 護(hù)筒鉆進(jìn)運(yùn)動(dòng)分析

護(hù)筒在動(dòng)力連接設(shè)備驅(qū)動(dòng)做向下的垂直直線運(yùn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如圖1所示。

護(hù)筒上任意一點(diǎn)的切向速度：

(1)

護(hù)筒下壓速度：

vz=nh

(2)

其中，vt為切向速度,m/s；r為半徑,m；ω為角速度,1/s；n為套管轉(zhuǎn)速,r/min；vz為護(hù)筒下壓速度，m/s；h為護(hù)筒每轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的深度，m。

護(hù)筒在動(dòng)力驅(qū)動(dòng)過程中承受一定驅(qū)動(dòng)扭矩M，使護(hù)筒克服與土體之間的摩擦力逐漸深入土體內(nèi)部，鉆進(jìn)過程中護(hù)筒的受力分別為重力G，由護(hù)筒尺寸、材料確定，鉆進(jìn)壓力F，地層支持力N，土體給護(hù)筒內(nèi)外壁的法向約束力FN1與FN2,土體給護(hù)筒內(nèi)外表面的切向摩擦力Ft1和Ft2，土體給護(hù)筒軸向摩擦力Fz1和Fz2，靴齒切削土體阻力矩M2，力學(xué)模型如圖2所示。

2.2 護(hù)筒鉆進(jìn)受力分析

護(hù)筒下鉆時(shí)的運(yùn)動(dòng)形式為回轉(zhuǎn)和下沉的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，通過全回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)或搓管機(jī)對(duì)護(hù)筒施加扭矩使套管進(jìn)行小角度或360°回轉(zhuǎn)同時(shí)對(duì)套管向下加壓，將荷載傳遞到護(hù)筒端部靴齒，對(duì)土體進(jìn)行切割一部分土體涌入護(hù)筒內(nèi)，形成土芯并與護(hù)筒內(nèi)壁相互接觸產(chǎn)生摩擦，由于護(hù)筒內(nèi)部土體會(huì)隨著施工進(jìn)程不斷被取出，鉆進(jìn)過程中護(hù)筒內(nèi)只保留少量土體，因此護(hù)筒內(nèi)部產(chǎn)生的摩擦阻力可以忽略，另一部分土體被擠向護(hù)筒外部，擠向四周的土體與護(hù)筒的外壁接觸更加緊密法向應(yīng)力更大，因而護(hù)筒外的側(cè)摩阻力也更大。下沉過程中護(hù)筒在已經(jīng)被擾動(dòng)的土體中滑動(dòng)，護(hù)筒受到滑動(dòng)摩擦阻力。宋志彬[2]通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與理論數(shù)據(jù)對(duì)比分析，護(hù)筒受到的滑動(dòng)摩擦阻力可以參照靜壓樁的沉樁阻力計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)護(hù)筒內(nèi)部土體在施工時(shí)會(huì)及時(shí)取出，因此對(duì)于施工時(shí)護(hù)筒受力情況，重點(diǎn)分析護(hù)筒外壁與土體接觸因相對(duì)滑移產(chǎn)生的摩擦力。

對(duì)于側(cè)摩阻力計(jì)算，Chandler在1968年提出粘性土的經(jīng)驗(yàn)公式:

Fs=K0γhtanδ

(3)

于是護(hù)筒與土體之間的摩擦阻力矩M1可表示為：

(4)

其中，R為護(hù)筒半徑；Fs為側(cè)摩阻力；h為護(hù)筒下鉆深度；K0為樁側(cè)壓力系數(shù)；γ為土體重度；δ為樁與土的滑動(dòng)外摩擦角；λ為折減系數(shù)(根據(jù)工程實(shí)踐及理論推導(dǎo)λ取值0.38，護(hù)筒內(nèi)部土體被連續(xù)取出，λ取值應(yīng)該更小，按照0.38系數(shù)計(jì)算指導(dǎo)施工安全性更高)。

3 護(hù)筒受力模擬分析

3.1 護(hù)筒及土體模型建立及參數(shù)[3]選取

由于實(shí)際影響因素較為復(fù)雜,為簡(jiǎn)化計(jì)算突出主要因素的影響，計(jì)算時(shí)假定土體為單一均質(zhì)彈塑性土體，通過以上分析全護(hù)筒施工過程影響扭矩大小的主要因素有兩個(gè):

1)護(hù)筒內(nèi)外壁與土體接觸面積(通過鉆進(jìn)深度體現(xiàn))；

2)施工地層地質(zhì)條件。陶友海[4]結(jié)合施工案例模擬了長(zhǎng)護(hù)筒跟進(jìn)中護(hù)筒受力情況，而護(hù)筒下鉆過程中靴齒切削土體模擬模型出現(xiàn)變形大，計(jì)算不易收斂，模擬結(jié)果與實(shí)際情況差別較大的情況，對(duì)此王永健等[5]運(yùn)用自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)網(wǎng)格的ALE方法，提高了模擬精度，與實(shí)際情況更為符合。取護(hù)筒長(zhǎng)度為20 m，土體及基本參數(shù)選取如表1所示，模型見圖3。

表1 土體及護(hù)筒參數(shù)

為使模擬條件更接近真實(shí)土體狀態(tài)，應(yīng)提前對(duì)土體進(jìn)行地應(yīng)力平衡，胡長(zhǎng)明等[6]詳細(xì)對(duì)比地應(yīng)力平衡的四種方法各自適用條件，結(jié)合實(shí)際情況需要采用自動(dòng)地應(yīng)力平衡方法，地應(yīng)力平衡的效果通過分析土體平衡時(shí)自身應(yīng)力值及不同深度處護(hù)筒表面所受土壓力與理論計(jì)算結(jié)果對(duì)比如圖4所示，模擬結(jié)果與理論相符。

3.2 模擬結(jié)果分析

圖5反映了:1)護(hù)筒回轉(zhuǎn)下沉過程中靜摩擦阻力逐漸增大，動(dòng)力連接驅(qū)動(dòng)護(hù)筒克服與土體間的靜摩擦，護(hù)筒相對(duì)土體運(yùn)動(dòng)，兩者之間摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)摩擦，此時(shí)護(hù)筒外壁的摩擦力也趨于穩(wěn)定；2)護(hù)筒與土體間的側(cè)摩阻力隨著接觸深度的增加而增加。根據(jù)式(3)，式(4)分別選取R=1 000 mm，1 200 mm，1 500 mm。

護(hù)筒長(zhǎng)度為15 m時(shí)，計(jì)算M1=165 kN·m;M2=198 kN·m;M3=248 kN·m。

護(hù)筒長(zhǎng)度為20 m時(shí)，計(jì)算M1=293 kN·m;M2=352 kN·m;M3=440 kN·m。計(jì)算結(jié)果與實(shí)際施工情況是相符的。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)全護(hù)筒跟管灌注樁施工中護(hù)筒受力影響因素復(fù)雜、有效理論指導(dǎo)相對(duì)較少、護(hù)筒鉆進(jìn)過程中受力狀態(tài)不明確，在施工時(shí)對(duì)設(shè)備的選取對(duì)經(jīng)驗(yàn)依賴性大可能造成施工過程中出現(xiàn)設(shè)備選取不合適造成設(shè)備損壞施工無法正常進(jìn)行及資源的浪費(fèi)，通過對(duì)護(hù)筒鉆進(jìn)過程受力分析，建立了護(hù)筒的受力模型同時(shí)提出了護(hù)筒所受阻扭矩的計(jì)算公式，結(jié)合數(shù)值模擬計(jì)算了護(hù)筒鉆進(jìn)過程中不同深度處的側(cè)摩阻力，選取不同半徑及長(zhǎng)度的護(hù)筒進(jìn)行理論計(jì)算，與實(shí)際工程中情況相符，因此對(duì)全護(hù)筒跟管施工及設(shè)備選取都有一定參考價(jià)值。