蒲俊吉PU Jun-ji

（中鐵十一局集團(tuán)第五工程有限公司，重慶 400000）

0 引言

在現(xiàn)代鐵路橋梁工程中，沖擊鉆灌注樁被廣泛應(yīng)用于樁基處理，作為一種重要的基礎(chǔ)工程技術(shù)，對(duì)于保障橋梁的安全和穩(wěn)定起著至關(guān)重要的作用[1]。然而，在沖擊鉆灌注樁施工過程中，孔壁的穩(wěn)定性問題一直是工程實(shí)踐中亟待解決的難題[2]?？妆诜€(wěn)定性直接影響著樁基的承載性能和整個(gè)橋梁工程的安全性[3～4]。尤其是在鐵路橋梁工程中，對(duì)樁基的安全性和穩(wěn)定性要求更為嚴(yán)格，因此對(duì)于沖擊鉆灌注樁孔壁的穩(wěn)定性分析顯得尤為重要。

目前，已經(jīng)有多位學(xué)者針對(duì)灌注樁孔壁穩(wěn)定性方向開展了相關(guān)研究，黃博杰等[5]基于別氏理論和擋土墻原理，考慮了土體圓拱效應(yīng)以及孔徑對(duì)孔壁穩(wěn)定性的影響，并提出了計(jì)算孔壁自立穩(wěn)定最大孔深的計(jì)算模型，使用別氏公式解和MATLAB 數(shù)值分析軟件進(jìn)行了多次調(diào)整，并最終提出了簡(jiǎn)化計(jì)算公式。馬永峰等[6]通過對(duì)典型區(qū)域灌注樁成孔質(zhì)量的實(shí)測(cè)，提出了一種新的評(píng)價(jià)孔壁穩(wěn)定或坍塌程度的參數(shù)——塌孔率，并建立了塌孔孔徑劃分標(biāo)準(zhǔn)和坍塌體積計(jì)算模型。劉祥磊等[7]以鉆桿為研究對(duì)象，建立了鉆桿橫向應(yīng)力數(shù)學(xué)模型，并通過數(shù)值模擬分析了鉆桿橫向應(yīng)力對(duì)孔壁穩(wěn)定性的影響。李林等[8]將飽和軟黏土中鉆孔灌注樁孔壁穩(wěn)定性問題視為半無限體內(nèi)柱形孔的卸荷收縮問題，通過改進(jìn)的修正劍橋模型和應(yīng)力空間變換方法得出了彈塑性解答，提出了維持孔壁穩(wěn)定所需最小泥漿重度和孔壁穩(wěn)定安全系數(shù)的計(jì)算方法，并研究了影響鉆孔穩(wěn)定性的因素。趙春風(fēng)等[9]在上海地區(qū)的實(shí)際工程中進(jìn)行了鉆孔灌注樁試成孔測(cè)試，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出了孔徑隨時(shí)間和空間變化的規(guī)律。張細(xì)才等[10]分析了孔壁被水浸泡和未被浸泡兩種狀態(tài)下的受力情況，并討論了影響孔壁穩(wěn)定性的因素。針對(duì)這些情況，從鉆井液、鉆具和施工操作三個(gè)方面提出了改善全風(fēng)化花崗巖孔壁穩(wěn)定性的措施，為這類特殊巖土的鉆探工作提供了參考。

在現(xiàn)有研究中，針對(duì)沖擊鉆灌注樁孔壁穩(wěn)定性影響因素的分析較少，鑒于此，本研究采用數(shù)值模擬方法探究了不同因素對(duì)孔壁穩(wěn)定性的影響，研究成果可為提高沖擊鉆灌注樁施工質(zhì)量和安全性提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。

1 工程概況

本研究依澎溪河特大橋工程項(xiàng)目，該項(xiàng)目位于重慶市云陽縣黃石鎮(zhèn)，沿線地形起伏較大，相對(duì)高差約30～80m，橋址區(qū)域地表多為農(nóng)田及林地，房屋較少。該項(xiàng)目鐵路為高速鐵路，設(shè)計(jì)時(shí)速為350km/h，正線數(shù)目為雙線，線間距為5m，橋面結(jié)構(gòu)為無軌道。

2 數(shù)值模型與材料參數(shù)

基于實(shí)際工程建立沖擊鉆灌注樁數(shù)值分析模型，在模擬過程中做出如下假設(shè)：土體為線性彈性材料；假設(shè)孔壁表面是光滑的，忽略表面粗糙度對(duì)孔壁穩(wěn)定性的影響；假設(shè)孔壁材料是均勻的，不考慮各向異質(zhì)性；忽略地下水作用；假設(shè)鉆孔施工過程是瞬時(shí)進(jìn)行且連續(xù)的。模型的寬度和長度及深度均為40m，模型前后及左右側(cè)面設(shè)置邊界條件為法向約束，底面設(shè)置為固定邊界，頂面設(shè)置為自由邊界。鉆孔在施工時(shí)，除承受自身重力荷載及鉆孔施工導(dǎo)致的應(yīng)力重分布外，還承受由泥漿護(hù)壁引起的側(cè)向壓力。采用四節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分完畢后，共有節(jié)點(diǎn)數(shù)69199 個(gè)；單元數(shù)64617 個(gè)，模型示意圖如圖1 所示。

圖1 數(shù)值模型示意圖

數(shù)值模型鉆孔深度設(shè)置為16m，鉆孔直徑為1.6m，鋼護(hù)筒埋深3m，壁厚10mm，高出地面0.5m，鉆孔直徑比護(hù)筒內(nèi)徑小0.2m。施工場(chǎng)地地層材料參數(shù)如表1 所示。

表1 土層材料參數(shù)

3 不同因素對(duì)沖擊鉆灌注樁孔壁穩(wěn)定性的影響

3.1 泥漿重度的影響

圖2 是在10kN/m3、10.5kN/m3、11kN/m3及11.5kN/m3泥漿重度下孔壁橫向位移變化。由圖2 可知，在不同泥漿重度下，孔壁最大橫向位移依次為10.21mm、9.05mm、8.06mm 和7.15mm，表明泥漿重度越大，孔壁橫向位移最大值越小。泥漿的重度越大，其對(duì)孔壁的支撐能力越強(qiáng)，能夠有效地抵抗土體的側(cè)向位移。當(dāng)泥漿重度增大時(shí)，孔壁周圍的土體在受到外部荷載作用時(shí)，受到的約束越強(qiáng)，從而使得孔壁周圍的土體的側(cè)向變形受到限制，導(dǎo)致孔壁的橫向位移最大值減小。說明增大泥漿重度可以有效地提高孔壁的穩(wěn)定性，減小孔壁的橫向位移。在鉆孔深度為0～3m范圍內(nèi)，孔壁橫向位移較小，孔壁橫向位移最大值出現(xiàn)在鉆孔深度為5m 位置，這是由于在0～3m 范圍有鋼護(hù)筒支撐，其剛度較大且與孔壁土體緊密接觸，而在3～9m 范圍內(nèi)土層主要為素填土，其壓實(shí)度較低，強(qiáng)度較小。

圖2 不同泥漿重度下孔壁橫向位移變化

不同泥漿重度下鉆孔周圍地表沉降量變化如圖3 所示，觀察圖3 可知，在樁孔附近地表沉降量較大，隨著與樁孔距離的增大，地表沉降量逐漸減小。沖擊鉆灌注樁的施工過程中會(huì)對(duì)周圍的土體產(chǎn)生擠壓和變形，這會(huì)導(dǎo)致土體的壓實(shí)和沉降，樁孔附近的土體受到了較大的變形和壓實(shí)，使得土體的密實(shí)度增加，從而土體的沉降量較大，隨著與樁孔距離的增大，地表土體受到的振動(dòng)和壓實(shí)作用逐漸減小，導(dǎo)致與樁孔距離較大的土體地表沉降量較小。在10kN/m3、10.5kN/m3、11kN/m3及11.5kN/m3泥漿重度下，地表沉降最大值分別為 2.87mm、2.58mm、2.31mm 和2.06mm，說明樁孔附近土體地表沉降值隨著泥漿重度的增大而逐漸減小。究其原因，一方面，隨著泥漿重度增大，填充在樁孔周圍的泥漿壓力會(huì)增加，從而提高了土體的支撐作用，泥漿的重度增大意味著單位體積泥漿的重量增加，因此施加在土體上的壓力也隨之增大，對(duì)土體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性產(chǎn)生了影響。增大泥漿重度導(dǎo)致泥漿的密實(shí)度增加，使得填充在樁孔周圍的泥漿更加密實(shí)，能夠更好地填充土體中的孔隙，提高了土體的整體穩(wěn)定性，從而減小了地表沉降的程度。另一方面，泥漿重度增大還會(huì)影響土體的滲透性，泥漿中的顆粒堆積得更加緊密，減小了土體的滲透性，從而減小了地表沉降。

圖3 不同泥漿重度下地表沉降變化

3.2 鉆孔直徑的影響

圖4 所示是在不同鉆孔直徑下孔壁橫向位移變化，由圖4 可知，在1000mm、1200mm、1400mm 及1600mm 鉆孔直徑下，孔壁橫向位移最大值依次為6.13mm、7.12mm、8.2mm 和9.32mm，說明增大鉆孔直徑，最大孔壁橫向位移隨之增大。增大孔徑會(huì)增加土體的受力范圍，使得孔壁周圍的土體承受的相互作用力增大，較大的孔徑使得孔壁周圍土體的支撐面積減小，土體的抗側(cè)向變形能力相對(duì)減弱，導(dǎo)致孔壁最大橫向位移增大。在1200mm、1400mm 及1600mm 鉆孔直徑下的最大孔壁橫向位移與孔徑為1000mm 相比依次提升了16.15%、33.77%和52.04%。

圖4 不同鉆孔直徑下孔壁橫向位移變化

不同鉆孔直徑下地表沉降變化如圖5 所示，從圖5 中可以看出，地表沉降最大值出現(xiàn)在孔壁邊緣位置，隨著與孔壁距離的增大，地表沉降量逐漸減小。在1000mm、1200mm、1400mm 及1600mm 鉆孔直徑下，最大地表沉降量分別為1.29mm、1.67mm、2.03mm 和2.47mm，說明鉆孔直徑越大，樁孔周圍的地表沉降量越大。增大鉆孔直徑表示在鉆孔時(shí)需要移除更多的土壤，導(dǎo)致樁孔周圍土體的應(yīng)力重分布，引起土體的位移和變形，進(jìn)而導(dǎo)致地表沉降。在1200mm、1400mm 和1600mm 鉆孔直徑下的最大地表沉降量與1000mm 鉆孔直徑相比分別提升了29.45%、57.36%和91.47%。

圖5 不同鉆孔直徑下地表沉降變化

3.3 鉆孔深度的影響

圖6 是不同鉆孔深度下孔壁橫向位移變化，觀察圖6可知，在12m、14m、16m 及18m 鉆孔深度下，不同鉆孔深度下孔壁橫向位移的變化曲線基本重合，表明改變鉆孔深度對(duì)孔壁橫向位移變化無明顯影響。沖擊鉆灌注樁孔壁的穩(wěn)定性主要受到樁孔周圍土體的支撐作用以及孔壁與土體之間的相互作用影響，鉆孔深度的變化并沒有引起明顯的地層結(jié)構(gòu)或土體性質(zhì)的改變，因此，改變鉆孔深度孔壁橫向位移無顯著變化。

圖6 不同鉆孔深度下孔壁橫向位移變化

圖7 所示是不同鉆孔深度下地表沉降變化，從圖中可以看出，鉆孔深度在12～16m，地表沉降量隨著鉆孔深度的增大逐漸增大，在16m 和18m 鉆孔深度下地表沉降量變化趨勢(shì)及幅度基本相同，說明增大鉆孔深度對(duì)地表沉降影響較小，鉆孔深度增大至16m 后，地表沉降量無明顯變化。地表沉降主要是由于樁孔周圍土體的變形引起的，而這種變形主要受到樁孔周圍土體的力學(xué)性質(zhì)和受力狀態(tài)的影響。在這種情況下，即使鉆孔深度增大，但樁孔周圍土體的性質(zhì)和受力狀態(tài)并沒有發(fā)生顯著變化，導(dǎo)致地表沉降量的變化趨勢(shì)及幅度基本相同。

圖7 不同鉆孔深度下地表沉降變化

4 結(jié)論

本研究依托普里河特大橋工程項(xiàng)目，對(duì)不同因素對(duì)沖擊鉆灌注樁孔壁穩(wěn)定性的影響因素開展研究，得出以下結(jié)論：①孔壁橫向位移在鉆孔深度為0～3m 范圍內(nèi)變化較小，在3～9m 范圍內(nèi)變化較大，孔壁橫向位移最大值出現(xiàn)在鉆孔深度為5m 位置；在樁孔附近地表沉降量較大，隨著與樁孔距離的增大，地表沉降量逐漸減小。②增大泥漿重度及鉆孔直徑對(duì)孔壁橫向位移及樁孔附近地表沉降均有顯著影響，泥漿重度越大，孔壁橫向位移最大值越小，最大地表沉降量越??；增大鉆孔直徑，最大孔壁橫向位移及地表沉降量均隨之增大。③不同鉆孔深度下最大孔壁橫向位移變化趨勢(shì)及幅度均基本相同，鉆孔深度由12m 增大至16m，地表沉降量隨之增大，但增大幅度較小，鉆孔深度大于16m 后，改變鉆孔深度對(duì)地表沉降無顯著影響。