非均質(zhì)砂土地區(qū)鉆孔樁孔壁穩(wěn)定性分析

閆振虎，郭奕辰，龔長(zhǎng)華，李文杰

(1.中鐵十五局集團(tuán)第三工程有限公司，四川 成都 610097；2.河南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 洛陽 471000)

鉆孔樁因具有承載力大、穩(wěn)定性高、能協(xié)調(diào)不均勻沉降等特點(diǎn)，已在建筑工程、橋梁工程、港口碼頭等工程得到廣泛應(yīng)用[1-2]。鉆孔樁在成孔過程中，土體初始平衡應(yīng)力狀態(tài)改變，產(chǎn)生卸荷效應(yīng)，孔壁形成塑性區(qū)。砂土黏聚力c較小，內(nèi)摩擦角φ較大，孔壁穩(wěn)定性差，極易導(dǎo)致樁孔縮徑或孔壁坍塌[3-4]。鋼護(hù)筒支護(hù)是目前鉆孔樁施工最常見的支護(hù)形式，其力學(xué)性能和形變直接影響成樁質(zhì)量，但對(duì)于鋼護(hù)筒的力學(xué)變化規(guī)律鮮有研究[5]。

李小青等[6]依據(jù)經(jīng)典土力學(xué)滑動(dòng)理論，分析了土體物理力學(xué)性質(zhì)、地下水位和泥漿對(duì)孔壁穩(wěn)定性的影響，并推導(dǎo)了數(shù)學(xué)模型公式，得出了干成孔在砂性土地區(qū)不適用的結(jié)論。王中文[7]通過孔壁土體應(yīng)力數(shù)學(xué)模型分析了孔壁土體的應(yīng)力狀況，研究了土層受力、鉆孔深度、地下水位、鋼筒護(hù)壁等因素對(duì)孔壁穩(wěn)定性的影響，得出了孔徑、孔深、護(hù)筒深度等是鉆孔灌注樁孔壁穩(wěn)定的主要影響因素。

龔輝等[8]基于統(tǒng)一強(qiáng)度理論分析了土體強(qiáng)度參數(shù)對(duì)泥漿重力密度和初始屈服深度的影響，從理論角度討論了鉆孔樁的孔壁坍塌和縮頸問題。胡曉敏等[9]提出了樁孔中泥漿最小、最大深度的概念。李尚飛等[10-11]通過對(duì)卸荷縮孔的研究，推導(dǎo)出了無量綱化的孔壁卸荷縮孔近似解。

王云崗等[12]運(yùn)用有限元軟件，模擬二維樁孔土體，研究了土體空間分布特性、孔徑孔深、邊界條件等指標(biāo)對(duì)鉆孔樁孔壁穩(wěn)定性的影響，總結(jié)了各影響因素在不同土體中的特性規(guī)律。唐勝利等[13]利用有限元軟件，模擬了逐層鉆進(jìn)均質(zhì)土體時(shí)孔壁巖土體受力、變形狀態(tài)，分析了各階段變形和最大不平衡力的變化，驗(yàn)證了成孔時(shí)弱穩(wěn)定地層會(huì)出現(xiàn)大幅應(yīng)力波動(dòng)。李媛媛等[14]通過模擬鉆孔樁成樁過程中鋼護(hù)筒的受力性能，得出鋼護(hù)筒應(yīng)力隨鉆孔深度增加而增大，成樁過程施工的最不利工況為鉆孔完成后澆筑混凝土前階段，為實(shí)際工程提供了理論數(shù)據(jù)支持。

盡管許多學(xué)者已對(duì)砂土地區(qū)鉆孔樁孔壁穩(wěn)定性分析及施工層面有了較為廣泛的研究，但為了簡(jiǎn)化計(jì)算，對(duì)地層進(jìn)行二維均質(zhì)簡(jiǎn)化，忽略了非均質(zhì)土體在樁孔成孔過程中的應(yīng)力變化，以及鋼護(hù)筒的受力性能?；诖耍疚囊劳兴斓赂咚俟讽?xiàng)目王家堰大橋樁基工程，采用有限元軟件Midas GTS-NX建立三維模型，分析非均質(zhì)砂土地區(qū)樁孔成孔過程中孔壁土體塑性區(qū)的分布、應(yīng)力應(yīng)變特征、沉降變形和鋼護(hù)筒支護(hù)的受力性能，總結(jié)鉆孔樁在非均質(zhì)土體中開挖樁孔及護(hù)筒的力學(xué)特性規(guī)律，為類似實(shí)際工程提供技術(shù)參考。

1 工程概況

遂德高速公路TJ-3標(biāo)段位于四川省綿陽市三臺(tái)縣，王家堰大橋墩臺(tái)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。樁基成孔深度范圍內(nèi)地層從上至下依次為素填土層、粉質(zhì)黏土層(夾砂)、粉細(xì)砂層、粉質(zhì)黏土層、砂質(zhì)泥巖層和砂巖層。其中砂土及粉細(xì)砂層，呈斷續(xù)分布，分布不均勻，存在承壓水。橋址樁基成孔區(qū)河流寬 3～5 m，水深一般0.5～0.8 m，豐水期水深可達(dá) 1.2～1.5 m，水量受季節(jié)變化影響大。

王家堰大橋鉆孔樁樁基開挖深度11 m，樁徑1.5 m，鋼護(hù)筒內(nèi)徑大于設(shè)計(jì)樁徑20～30 cm，埋設(shè)深度根據(jù)地質(zhì)情況設(shè)置。施工時(shí)恰逢梅雨期，鉆孔樁所在位置緊鄰河道，因持續(xù)降雨導(dǎo)致地下水位不斷上升。鋼護(hù)筒設(shè)置未穿越砂土層，導(dǎo)致樁基開挖出現(xiàn)流泥、流砂(圖1)和樁口土體坍落現(xiàn)象(圖2)。

2 樁孔開挖卸載原理

原位狀態(tài)下土體處于平衡狀態(tài)，鉆孔過程中土體平衡遭到破壞。樁孔開挖時(shí)，孔壁土體通過自密實(shí)和圓拱效應(yīng)，使圓拱支撐力大于主動(dòng)土壓力，孔壁相對(duì)穩(wěn)定；在地下水作用下，地層圓拱支撐力小于主動(dòng)土壓力，孔壁不穩(wěn)定。當(dāng)?shù)貙又泻猩靶酝翆訒r(shí)，隨著樁孔開挖地下水向孔壁方向滲流，由于黏性土層的滲透系數(shù)低于砂土層，滲流在土層交界面處被阻滯，砂土層體積膨脹、孔隙比增大。樁孔開挖至砂土層，孔壁處四周土側(cè)向卸荷，形成了孔內(nèi)低壓的狀態(tài)，當(dāng)塑性區(qū)過大時(shí)，砂土伴隨地下水涌入樁孔，產(chǎn)生噴砂、冒砂現(xiàn)象，原有砂土層體積隨之減小，上部土體在樁口處形成塌落(見圖3)。為保證孔壁穩(wěn)定，可采用泥漿護(hù)壁或設(shè)置鋼護(hù)筒。

圖1 樁內(nèi)流泥、流砂

圖3 孔壁卸載原理

圖4 三維模型

3 分析模型與計(jì)算參數(shù)

采用有限元軟件Midas GTS-NX建立王家堰大橋11#號(hào)鉆孔樁三維模型，見圖4。土體本構(gòu)模型選用修正莫爾-庫倫(考慮卸荷彈模增大)理想彈塑性模型，X、Y軸長(zhǎng)度取大于孔半徑的10倍，Z軸深度取大于孔深的0.5倍，將砂土地層簡(jiǎn)化模擬為近河岸端厚、遠(yuǎn)河岸端薄的斜向土層，鋼護(hù)筒作用在孔壁上，土體、護(hù)筒與樁之間設(shè)置接觸連接。主要從成孔時(shí)非均質(zhì)砂土層樁的塑性區(qū)分布、應(yīng)力應(yīng)變、沉降變形以及鋼筒護(hù)壁的應(yīng)力變化等方面分析孔壁的穩(wěn)定性。

施工階段設(shè)置兩種工況見表1，土層物理力學(xué)指標(biāo)見表2。土體模量采用考慮應(yīng)力路徑和應(yīng)力水平的側(cè)向卸荷模量，即:

E0=E0,0+λσz′

(1)

式中:E0,0為土體變形模量，取1 MPa；λ為應(yīng)力路徑影響系數(shù)，砂土側(cè)向卸荷取160；σz′為豎向有效應(yīng)力(kPa)。

表1 工況詳情

表2 土層物理力學(xué)指標(biāo)

圖5 無支護(hù)土體開挖后塑性區(qū)分布云圖

4 孔壁穩(wěn)定性分析

4.1 孔周土體塑性區(qū)分析

不同土性的土層在無支護(hù)情況下開挖后的塑性區(qū)分布云圖見圖5?？字芡馏w塑性變化主要集中在孔壁及相鄰?fù)馏w，在遠(yuǎn)離孔壁位置塑性應(yīng)變減小，由于各土層性質(zhì)不同，塑性區(qū)應(yīng)變最大值集中在砂土層，最大值為2.24×10-3。隨著挖孔深度不斷增加，孔壁土體側(cè)向卸荷量增大，砂土層土體塑性區(qū)半徑大小隨深度變化不大，其他各層土體塑性區(qū)半徑在不同土層深度有明顯變化。當(dāng)?shù)叵滤惠^高時(shí)，砂土層中孔壁土體產(chǎn)生一定的塑性區(qū)后在靜水壓力作用下，易發(fā)生破壞，同時(shí)這種破壞會(huì)向四周蔓延擴(kuò)散，最終形成塌孔。因此，在施工中需要補(bǔ)充相應(yīng)措施來減小土體塑性區(qū)變化。

4.2 節(jié)段開挖土體應(yīng)力、應(yīng)變分析

節(jié)段開挖前后土體應(yīng)力分布云圖見圖6。節(jié)段開挖前非均質(zhì)土層水平應(yīng)力出現(xiàn)斜向分布。節(jié)段開挖過程中，土體應(yīng)力重分布，出現(xiàn)較大豎向應(yīng)變，孔壁處出現(xiàn)應(yīng)力集中，非均質(zhì)砂土層的應(yīng)變值和應(yīng)變區(qū)域增大。土體節(jié)段開挖后水平向和豎向應(yīng)變?cè)茍D見圖7。在非均質(zhì)砂土層較薄側(cè)孔壁位置，出現(xiàn)較大水平方向應(yīng)變和豎向應(yīng)變，最大應(yīng)變值為1.66×10-3，對(duì)應(yīng)砂土層較厚側(cè)孔壁位置，最大應(yīng)變值為8.65×10-4，表明非均質(zhì)砂土層處的樁孔孔壁位置易產(chǎn)生較大偏壓力與剪切應(yīng)力，施工中易發(fā)生流砂現(xiàn)象進(jìn)而造成上部塌孔。因此，有必要在砂土地區(qū)開挖鉆孔樁時(shí)設(shè)置支護(hù)，同時(shí)注意不應(yīng)在砂土區(qū)域設(shè)置支護(hù)連接，減小偏壓力對(duì)支護(hù)的影響、保證支護(hù)的整體性。

(a)節(jié)段開挖前 (b)節(jié)段開挖后

(a)X方向應(yīng)變 (b)Y方向應(yīng)變

4.3 孔周土體變形分析

樁孔開挖在無支護(hù)和有支護(hù)兩種工況下土體沉降分布云圖見圖8、圖9。

圖8 無支護(hù)土體沉降分布云圖

圖9 有支護(hù)土體沉降分布云圖

樁孔在無支護(hù)工況下開挖，孔壁處產(chǎn)生較大整體位移，最大整體位移為1.62 mm，分布范圍主要集中在砂土層及其上下層土體孔壁處，在高地下水位作用下易產(chǎn)生流泥、流砂現(xiàn)象；由于孔壁處位移變形大，導(dǎo)致孔周土體出現(xiàn)“V”型沉降分布形態(tài)，施工中表現(xiàn)為樁口土體坍落。樁孔在有支護(hù)工況下開挖，合理設(shè)置鋼護(hù)筒支護(hù)能夠有效減小孔壁土體沉降變形，且未發(fā)生偏斜，最大整體位移出現(xiàn)在樁底，最大位移值為1.14 mm，上述沉降分析模擬證明了在砂土地區(qū)鉆孔施工時(shí)為避免土體坍塌提前設(shè)置鋼護(hù)筒支護(hù)的必要性。

4.4 鋼護(hù)筒內(nèi)力分析

鋼筒護(hù)壁在不同開挖階段的應(yīng)力分布規(guī)律見圖10。

(a)開挖初始階段鋼護(hù)筒最大主應(yīng)力 (b)開挖至砂土階段鋼護(hù)筒最大主應(yīng)力

(c)開挖至砂土層底階段鋼護(hù)筒最大主應(yīng)力 (d)開挖最終階段鋼護(hù)筒最大主應(yīng)力

在土體開挖初始階段預(yù)先埋設(shè)鋼護(hù)筒，鋼護(hù)筒所受剪力最大值僅為2.93 N/mm，隨之孔內(nèi)土體按照每節(jié)開挖1 m深入孔底(圖10(a))；在開挖中期階段及位于砂土層4.5～7 m處，砂土層產(chǎn)生大量側(cè)向卸荷，鋼護(hù)筒在砂土層局部剪力最大值增加至8.75 N/mm，下部深入未開挖土體中的護(hù)筒也出現(xiàn)應(yīng)力變化(圖10(b)，圖10(c))；在開挖最終階段，開挖樁孔深度為11 m，鋼護(hù)筒高度為8 m未深入孔底，從圖10(d)內(nèi)力分布圖可以看出，位于砂土層的鋼護(hù)筒節(jié)段總體內(nèi)力值減小，相較于中期階段所占區(qū)域減小5.15%，說明隨開挖深度增加土體自密實(shí)程度逐漸增加，土體逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)，鋼護(hù)筒穿越砂土層作用在粉質(zhì)黏土，鋼護(hù)筒下端內(nèi)力值減小，表明鋼護(hù)筒底部受到周圍土體橫向作用力較小，孔壁穩(wěn)定。因此，在設(shè)計(jì)鉆孔樁鋼護(hù)筒長(zhǎng)度時(shí)應(yīng)重視地勘報(bào)告土層分布狀況，當(dāng)土層中含有砂性土體時(shí)，鋼護(hù)筒設(shè)計(jì)高度應(yīng)穿越砂土層，底端作用在相對(duì)穩(wěn)定土層，以達(dá)到提高孔壁穩(wěn)定性的目的。

5 結(jié)論

(1)無支護(hù)情況下，隨著挖孔深度不斷增加，孔壁體側(cè)向卸荷量增大，無黏性土塑性區(qū)半徑隨深度變化不大，形成塑性區(qū)后易發(fā)生破壞，黏性土塑性區(qū)半徑在不同土層深度有明顯變化。

(2)樁孔在非均質(zhì)土層開挖，孔壁兩側(cè)應(yīng)力分布不均勻，水平應(yīng)力出現(xiàn)斜向分布，砂土層位置孔壁出現(xiàn)應(yīng)力集中，產(chǎn)生較大偏壓力與剪切應(yīng)力，因此有必要在砂土地區(qū)開挖鉆孔樁時(shí)設(shè)置支護(hù)，同時(shí)注意不應(yīng)在砂土區(qū)域設(shè)置支護(hù)連接，減小偏壓力對(duì)支護(hù)的影響。

(3) 砂土地層樁孔開挖土體沉降最大位置，主要集中在砂土層及其上下層土體孔壁處，孔周土體出現(xiàn)“V”型沉降分布形態(tài)，在高地下水位作用下易產(chǎn)生流泥、流砂現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致樁口土體坍落，合理設(shè)置鋼護(hù)筒支護(hù)能夠有效減小孔壁土體沉降變形。

(4)鋼護(hù)筒支護(hù)在樁孔開挖全階段受力，抵抗土體節(jié)段開挖側(cè)向卸荷。逐漸開挖至砂土層時(shí)，砂土側(cè)向卸荷量不斷增大，繼續(xù)開挖至穿越砂土層后，砂土層區(qū)域鋼護(hù)筒表面剪力值減小，表明鋼護(hù)筒能有效抵抗砂土層變形，開挖全階段鋼護(hù)筒應(yīng)力隨鉆孔深度增加而增大。因此，當(dāng)土層中含有砂性土體時(shí)，鋼護(hù)筒設(shè)計(jì)高度應(yīng)穿越砂土層，底端作用在相對(duì)穩(wěn)定土層，既能滿足孔壁穩(wěn)定性又可以達(dá)到降低施工成本的目的，為后期類似樁基塌孔處治提供了借鑒。