考慮卸荷效應(yīng)鉆孔灌注樁孔徑時(shí)空變化規(guī)律研究

趙春風(fēng) ，陳洪祥 ，趙 程 ，薛金賢

（1. 同濟(jì)大學(xué) 巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092；2. 同濟(jì)大學(xué) 地下建筑與工程系，上海 200092；3. 深圳高速工程顧問(wèn)有限公司，廣東 深圳 518000)

1 引 言

鉆孔灌注樁在樁位處成孔時(shí)使孔壁的側(cè)壓力得到解除，形成較大的自由面，使地層壓力向自由面應(yīng)力釋放，在遠(yuǎn)場(chǎng)地應(yīng)力作用下造成孔壁土體向內(nèi)收縮，出現(xiàn)“縮孔現(xiàn)象”，產(chǎn)生卸荷效應(yīng)，不可避免地對(duì)原有土體產(chǎn)生了擾動(dòng)，造成土體的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)發(fā)生變化，削弱了樁周土的應(yīng)力，使應(yīng)力不平衡而失穩(wěn)[1－2]。

鉆孔后孔體隨時(shí)間的卸荷效應(yīng)不容忽視，受到土質(zhì)、施工工藝、鉆機(jī)類型、泥漿指標(biāo)等因素的影響。各種外界因素對(duì)孔壁擾動(dòng)的累積效應(yīng)可以通過(guò)孔徑的變化反映出來(lái)，孔徑的變化揭示出這些影響因素隨時(shí)間累計(jì)的作用效果。因此，衡量成孔質(zhì)量的有效手段就是分析樁孔穿越土層后孔徑的變化值，得到孔徑隨時(shí)間及空間的變化特征[3]。

2 工程地質(zhì)概況

本工程數(shù)據(jù)來(lái)自上海浦東地區(qū)某高層住宅小區(qū)鉆孔灌注樁施工過(guò)程中的的原始施工記錄、工程地質(zhì)勘察報(bào)告和試成孔質(zhì)量檢測(cè)資料。土層物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。

3 不同土層孔徑隨時(shí)間的變化

本工程的試成孔孔徑測(cè)量在鉆孔結(jié)束后24 h內(nèi)進(jìn)行，共測(cè)量4次孔徑，第一次測(cè)量在鉆孔結(jié)束后立即進(jìn)行，以后3次測(cè)量的時(shí)間間隔分別為6、6、12 h。通過(guò)對(duì)少數(shù)鉆孔孔徑的連續(xù)測(cè)量，可統(tǒng)計(jì)不同鉆孔孔徑隨鉆孔時(shí)間的變化，減小了不同鉆孔的差異所造成的影響，能夠更真實(shí)地反映出孔徑隨時(shí)間的變化規(guī)律。

根據(jù)本工程情況，選取 0#、1#、3#、6#樓各 2個(gè)試成孔和5#樓的一個(gè)試成孔，共計(jì)9個(gè)試成孔數(shù)據(jù)。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，在孔深8.6 m以上土層范圍內(nèi)，孔徑隨時(shí)間變化比較大，但沒(méi)有較為一致的變化方向，非嚴(yán)重塌孔即明顯縮頸。究其原因，從地質(zhì)勘察報(bào)告來(lái)看，這個(gè)范圍內(nèi)的土層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，土層穩(wěn)定性較差，且淺部土層受施工和地面的擾動(dòng)較深層土更嚴(yán)重，因此這個(gè)范圍內(nèi)的孔壁變化極不規(guī)律，故統(tǒng)計(jì)時(shí)剔除這個(gè)深度范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，只保留余下相對(duì)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)。

不同土層的孔徑變化曲線如圖1所示。從圖中可以看出，所有土層的孔徑都發(fā)生了縮小，且隨著時(shí)間的推移，縮小量逐漸增加，可知孔徑縮小量與時(shí)間具有正相關(guān)的關(guān)系。仔細(xì)分析圖表可以得知，在 0～12 h內(nèi)，第④、⑤-1a、⑤-1b、⑥、⑦1、⑦2土層的累計(jì)變化量分別為6.2、5.0、6.0、4.9、6.8、8.8 mm，已經(jīng)占到24 h總變化量的69%、62%、68%、78%、65%、70%，所以，不同土層平均孔徑的縮小值隨時(shí)間的增長(zhǎng)不是線性增加的，而是前期增加量大，而后逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定。

鉆孔灌注樁成孔完成后，不同土層在相同的時(shí)間內(nèi)所對(duì)應(yīng)的孔徑縮小值是不一樣的，在埋深24.6 m以上，即從第④～⑥層，隨著土層的埋身越大，其縮小量越??；埋深24.6 m以下，隨著土層的埋深增加，其縮小量反而增加，且該處土層不太穩(wěn)定，其縮小量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)24.6 m以上的土層。分析原因，可能與各個(gè)土層的物理力學(xué)性質(zhì)存在差異有關(guān)，觀察地質(zhì)勘察報(bào)告可以發(fā)現(xiàn)，⑦1層砂質(zhì)粉土層和⑦2層粉砂層力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)較小，土層的穩(wěn)定性較差。

圖1 不同土層內(nèi)平均孔徑縮小值與時(shí)間關(guān)系曲線Fig.1 Relationships between average bore diameter reduction and time in different soil layers

為分析不同土層內(nèi)孔徑隨時(shí)間的變化規(guī)律，采用歸一法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，運(yùn)用最小二乘法對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，公式為

式中：D為不同時(shí)間土層平均孔徑值；D0為土層初始孔徑值；x為時(shí)間；A、B、t為待定參數(shù)。

具體參數(shù)見(jiàn)表 2。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和擬合公式繪制不同土層的平均孔徑值/初始孔徑值與時(shí)間的關(guān)系曲線如圖2所示。從圖中可以看出，各土層的擬合曲線逐漸趨于平緩，說(shuō)明孔徑的變化隨時(shí)間增長(zhǎng)趨于穩(wěn)定，⑦1層淤泥質(zhì)黏土層的孔徑變化是最大的，也是最不穩(wěn)定的，⑦2層粉砂層的孔徑變化次之，較不穩(wěn)定，⑥層粉質(zhì)黏土層的孔徑變化最小，④、⑤1a層和⑤1b層的變化較為一致。擬合公式的擬合度較高，同時(shí)擬合曲線能夠真實(shí)地反映出不同土層的孔徑隨時(shí)間的變化特征。

表2 不同土層孔徑變化公式Table 2 Change formulas of hole diameter in different soil layers

圖2 不同土層內(nèi)平均孔徑值/初始孔徑值與時(shí)間關(guān)系Fig.2 Relationships between ratio of average bore diameter and initial bore diameter and time in different soil layers

4 鉆孔特性的力學(xué)分析

4.1 基本假設(shè)和力學(xué)模型

成孔后的土體由若干層高度有限平面無(wú)限的彈性體組成，只受自重應(yīng)力σz的作用，圓柱形樁孔的深度遠(yuǎn)大于孔徑，孔壁僅受到泥漿的壓力q（以壓為正）作用，泥漿對(duì)孔壁的沖刷作用和機(jī)械對(duì)孔壁的影響忽略不計(jì)，各土層交界面為平面，以地面樁孔中心處建立柱面坐標(biāo)系，Z軸豎直向下[4]。計(jì)算公式為

式中：γs為泥漿相對(duì)重度；γi為第i層土重度，水面以下取有效重度；h為泥漿液面高出地面的高度。

沿Z軸取出任何一個(gè)平面進(jìn)行受力分析，可按照平面應(yīng)變問(wèn)題進(jìn)行計(jì)算，彈性力學(xué)的解答為

式中：ur為孔壁的位移；ν為土的泊松比；E為彈性模量。

式中：r0為樁孔半徑；K0為靜止土壓力系數(shù)。

4.2 孔徑變化公式推導(dǎo)

根據(jù)平均孔徑的變化繪制了孔徑縮小值和時(shí)間的關(guān)系曲線見(jiàn)圖 1?？讖降目s小值是逐漸增大并趨于穩(wěn)定的，這是由于真實(shí)的土體的變形包含了土的彈性、塑性和黏性的特點(diǎn)?？紤]到黏彈性模型中的Kelvin模型[5]能夠描述巖土的黏彈性，即在應(yīng)力作用下應(yīng)變不是立即達(dá)到彈性應(yīng)變的最終值，而是有一個(gè)相對(duì)滯后的現(xiàn)象。本構(gòu)方程為

其曲線形式和孔徑縮小值和時(shí)間的關(guān)系曲線一致，隨著時(shí)間增長(zhǎng)其應(yīng)變逐漸趨于穩(wěn)定值，這與章節(jié)4.1中對(duì)平均孔徑隨時(shí)間變化擬和的公式具有相似性：隨時(shí)間增長(zhǎng)D/D0趨于定值A(chǔ)，因此可以認(rèn)為(1－A)r0即為最終總的彈性變形，即

將通過(guò)彈性理論計(jì)算得到的ur/r0值代入擬合所得公式中，可得到更為理想且可以反映土體黏彈性的孔徑變化規(guī)律。

4.3 鉆孔穩(wěn)定性分析

文獻(xiàn)[6]提到可用應(yīng)力坡角θ描述孔壁的穩(wěn)定性：

當(dāng)r=r0時(shí)，sinθ最大，即在孔壁處最不穩(wěn)定，隨者r值的增大sinθ迅速減小，孔壁外土體的穩(wěn)定性很快得到提高，該公式表明，黏聚力c越大，內(nèi)摩擦角φ越小，孔壁穩(wěn)定性越好，從而可解釋在前文從④層淤泥質(zhì)黏土到⑤層灰色黏土再到⑥粉質(zhì)黏土層的鉆孔平均孔徑波動(dòng)逐漸減小，平均孔徑維持穩(wěn)定時(shí)間逐漸增長(zhǎng)的內(nèi)在機(jī)理。對(duì)于⑦1層砂質(zhì)粉土和⑦2層粉砂的c值很小，個(gè)別單體的c值接近于0，也最不穩(wěn)定，表現(xiàn)為孔徑的減小最為明顯，孔徑波動(dòng)的幅度也較大。

5 結(jié) 論

（1）上海地區(qū)孔深8.6 m以上多為淤泥質(zhì)黏土，這個(gè)范圍內(nèi)得到的孔徑實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)離散型較大，且埋藏較淺，受外界干擾的因素太多，孔徑變化極其不規(guī)律，故在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析時(shí)應(yīng)將其剔除，有利于排出干擾，得出正確結(jié)論。

（2）孔徑的縮小量與時(shí)間呈正相關(guān)，縮小幅度逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定。采用最小二乘法，將所測(cè)得的孔徑變化數(shù)據(jù)用式（1）進(jìn)行擬合，擬合度較高，能夠反映孔徑變化的特點(diǎn)和規(guī)律。

（3）空間上，相同時(shí)間內(nèi)、不同物理力學(xué)性質(zhì)的土層孔徑變化量也不同，黏聚力c越小，內(nèi)摩擦角φ越大，穩(wěn)定性就越差，表現(xiàn)為該土層的孔徑變化量越大，其中④層淤泥質(zhì)黏土層及⑦1層砂質(zhì)粉土層易發(fā)生塌孔，⑦1層砂質(zhì)粉土層及⑦2層粉砂層易發(fā)生縮頸。

（4）基于Kelvin模型，運(yùn)用彈性理論，結(jié)合擬和公式，推導(dǎo)出更符合實(shí)際的孔徑變化公式和反映出孔壁穩(wěn)定性的公式，并合理地解釋了不同土層穩(wěn)定性差異的原因。

[1] 趙春風(fēng), 王學(xué)知, 趙洪平, 等. 考慮混凝土性質(zhì)變化灌注樁深部土壓力分析[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009, 37(7): 878－882.ZHAO Chun-feng, WANG Xue-zhi, ZHAO Hong-ping,et al. Analysis of deep earth pressure around cast-in-place pile considering concrete property variation[J]. Journal of Tongji University(Natural Science), 2009, 37(7): 878－882.

[2] 楊硯宗. 砂土考慮卸荷效應(yīng)的鉆孔灌注樁試驗(yàn)與理論研究[D]. 上海：同濟(jì)大學(xué), 2011.

[3] 龔輝. 黏性土中鉆孔灌注樁徑向卸荷效應(yīng)及其對(duì)樁側(cè)摩阻力的影響機(jī)制[D]. 上海：同濟(jì)大學(xué), 2013.

[4] 吳家龍. 彈性力學(xué)（第2版）[M]. 上海：同濟(jì)大學(xué)出版社, 1997.

[5] 殷宗澤. 土工原理[M]. 北京：中國(guó)水利水電出版社,2007.

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