砂土地區鉆孔樁孔壁穩定性與評價方法研究

陳維超，楊偉軍

(1.湖南建工集團有限公司， 湖南 長沙 410004； 2.長沙理工大學)

鉆孔樁因具有承載力大、穩定性高、能協調不均勻沉降的特點，已在建筑工程、鐵路與公路、市政橋梁、港口碼頭以及大型構筑物等工程中得到了廣泛的應用。鉆孔樁成孔過程中改變了土體的初始平衡應力狀態，由于砂性土黏聚力低，如采用的技術或措施不當，易導致孔壁縮徑、塌孔等質量問題。關于鉆孔樁孔壁穩定性問題，可通過孔壁土體應力數學模型分析孔壁土體的應力狀況，研究土體物理性能、護壁泥漿、地下水埋深等因素對孔壁穩定性的影響，采用樁孔徑最小、最大泥漿深度概念來判斷孔壁的穩定性?；蛞詮椥岳碚摓榛A，采用莫爾-庫侖屈服準則，建立孔壁穩定性計算式來分析孔壁穩定性的條件。由于成孔后的卸荷效應，孔壁在土體側向力及有效豎向應力的作用下，產生的塑性區將導致樁孔的縮徑或孔壁的坍塌，砂土地區孔壁穩定性問題主要表現為孔壁坍塌問題。在孔壁穩定性評價方面，張嘉鑫采用模糊數學理論中的綜合評價方法，構建鉆孔樁孔壁坍塌的模糊綜合評價模型;謝翔基于統一強度理論對孔壁穩定性進行了分析。

砂土地區鉆孔樁孔壁穩定性受地質情況、護壁泥漿、地下水、施工工藝等因素的綜合影響，該文結合工程實踐，采用有限元數值模擬分析對砂土地區鉆孔樁孔壁穩定性影響因素及機理進行分析，并建立砂土地區鉆孔樁孔壁穩定性評價模型與評價方法，可為砂土地區鉆孔樁的施工提供一定的參考。

1 孔壁穩定性分析模型

采用Plaxis巖土工程數值分析軟件，分析土質情況、泥漿密度、樁深、樁徑、地下水位以及鋼護筒埋置深度等因素對孔壁穩定性的影響特性。因樁孔符合軸對稱模型條件，分析模型建立時，采用Mohr-Coulomb理想彈塑性本構關系及二維軸對稱模型，水平方向的孔周土取大于孔半徑的10倍，豎向方向的孔底土取大于孔深的0.5倍，護壁泥漿等效成靜水壓力模擬作用在孔壁上。分析模型及網格劃分如圖1所示。

圖1 分析模型及網格劃分圖

假設砂土為勻質體，其天然重度為18 kN/m3，飽和重度為20 kN/m3。鉆孔過程中土體向孔內變形為側向卸荷變形，其側向卸荷變形模量應考慮應力路徑的影響，即：

(1)

2 孔壁穩定性影響機理分析

2.1 內摩擦角對孔壁穩定性的影響特性

鉆孔樁孔深L為60 m，孔徑D為2 m，地下水位標高為+5 m，護壁泥漿相對密度Gm=1.05，砂土內摩擦角φ為20°、25°、30°、35°、40°時對孔壁穩定性的影響如圖2所示。

圖2 不同土質孔壁橫向位移與孔深的關系

由圖2可以看出：土體內摩擦角越大越有利于孔口的穩定，內摩擦角φ為20°、25°、30°、35°、40°時，孔口邊緣橫向位移S分別為68.5、17.08、2.02、0.23、0.17 mm；隨鉆孔深度增加至地下水位標高時，孔壁橫向位移隨孔深逐漸減少，然后隨鉆孔深度增加孔壁橫向位移逐漸增大，在距孔底約2 m處，孔壁橫向位移達到最大值，其最大橫向位移Smax分別為68.4、37.1、18.97、8.8、6.9 mm(圖3)，至設計孔深時孔壁橫向位移迅速減小。

圖3 孔壁最大橫向位移與內摩擦角的關系

由圖3可知：在其他條件相同時，孔壁最大橫向位移與土體內摩擦角呈指數函數關系，其關系式為：

(2)

式中：y(φ)為砂土內摩擦角φ的函數(mm)。

上述結果表明：砂土地區同一深度鉆孔樁孔壁橫向位移隨土體內摩擦角的增大而減少，這是因為隨著砂土的內摩擦角增大，砂土的抗剪強度也增大，越有利于孔壁的穩定；當內摩擦角φ大于35°時，進一步增大砂土的內摩擦角對提高土體穩定性的幅度有限。

2.2 孔徑對孔壁穩定性的影響特性

鉆孔樁孔深L為60 m，地下水位標高為+0 m，護壁泥漿相對密度Gm=1.05，砂土內摩擦角φ為30°，孔徑D為1 000、1 600、2 000、2 600、3 000 mm時對孔壁穩定性的影響如圖4、5所示。

圖4 不同孔徑孔壁橫向位移與孔深的關系

圖5 孔壁最大橫向位移與孔徑的關系

由圖4、5可知：孔壁橫向位移隨鉆孔孔徑、孔深度增大而增大，距孔底約2 m位置處，孔徑D為1 000、1 600、2 000、2 600、3 000 mm的孔壁最大橫向位移Smax分別為8、17.34、21.65、27.13、29.73 mm， 并與孔徑呈指數函數關系，其關系式為：

y(D)=32.825 4-63.545 5×0.999 1D，R2=0.999 8

(3)

式中：y(D)為鉆孔直徑D的函數(mm)。

根據分析結果及式(3)可知：減小鉆孔直徑，有利于孔壁的穩定；當孔徑小于3 m時，鉆孔樁的孔壁最大橫向位移隨孔徑增大而增大；當孔徑大于3 m時，孔壁最大橫向位移計算值趨于穩定，這是因為鉆孔直徑增大，孔壁周圍土體卸載量也隨之增大，孔壁的土拱效應減弱，護壁泥漿側向力不足以抵抗土體卸載所形成的側向力而導致失穩，在理論計算模型中以孔壁橫向位移的變形來體現，在實踐工程中則表現為坍塌現象。建議在砂土地區中鉆孔樁直徑不宜大于3 m，其原因為：① 在砂土地區采用大直徑鉆孔樁難以成孔；② 盡管提高了單樁自身的承載力，但基樁與樁周土側摩阻承載力提高有限，對于大噸位設計荷載，建議采用群樁基礎。

2.3 鉆孔深度對孔壁穩定性的影響特性

砂土內摩擦角φ為30°，地下水位標高為+0 m，護壁泥漿相對密度Gm=1.05，鉆孔深度L為40、60、80、100、120 m對孔壁穩定性的影響如圖6、7所示。

圖6 孔深對孔壁橫向位移的影響

圖7 孔壁橫向位移與孔深擬合關系式

由圖6、7可以看出：鉆孔深度為40、60、80、100、120 m時孔壁最大橫向位移分別為9.87、21.65、29.58、30.27、37.67 mm；鉆孔深度為40～100 m，孔壁橫向最大位移發生在距孔底約2 m處；鉆孔深度為120 m時，孔壁橫向最大位移發生在距孔底約5 m處。

在其他條件相同時，孔壁橫向位移隨孔深增加而增大，與鉆孔深度呈較好的線性關系，這是因為隨著鉆孔深度的增加，深層土體的卸荷量增大，由于砂土具有較大的內摩擦角，土體的致塌應力與孔深呈線性關系。

2.4 地下水位對孔壁穩定性的影響特性

砂土內摩擦角φ為30°，鉆孔深度L為80 m，護壁泥漿相對密度為Gm=1.05，地下水位埋置深度h為0、10、20、30、40 m對孔壁穩定性的影響見圖8。

圖8 地下水埋深對孔壁橫向位移的影響

由圖8可知：不同地下水位埋深，其孔壁最大橫向位移發生距離孔底2～3 m處，其最大橫向位移值約為30 mm，其不同埋置深度的地下水位對孔壁穩定性的影響較少。

2.5 泥漿對孔壁穩定性的影響特性

鉆孔樁孔深L為60 m，孔徑D為2 m，地下水位標高為+5 m，土體的內摩擦角為φ=30°，護壁泥漿相對密度Gm=1.05、1.10、1.15、1.20、1.25對孔壁穩定性的影響如圖9所示。

圖9 泥漿相對密度對孔壁橫向位移的影響

由圖9可知：孔口至地下水位段，孔壁橫向位移隨鉆孔深度逐漸減小，然后隨孔深增加而增大，距離孔底2～3 m處，孔壁橫向位移達到最大值，地下水位至孔底區段孔壁橫向位移與鉆孔深度基本呈線性關系。提高泥漿的密度，孔壁橫向位移整體上呈減小的趨勢，有利于孔壁的穩定性，但對減小孔壁位移的幅度有限。在工程實踐應用中，如果采用高密度的泥漿來增加孔壁的穩定性，則泥漿將會在孔壁上形成一層較厚的泥皮，影響基樁承載力。因此，在工程中應配置優質的泥漿，在確?？妆诜€定的前提下，盡量減小泥皮效應對基樁承載力的影響，根據以上分析結果，建議砂土地區鉆孔樁護壁泥漿的相對密度取1.15～1.20。

2.6 鋼護筒對孔壁穩定性的影響特性

土體的內摩擦角φ為30°，鉆孔深度L為60 m，護壁泥漿的相對密度Gm=1.05，分析鋼護筒埋置深度為0、5、10 m對孔壁穩定性的影響；其中鋼護筒采用Q235鋼材制作，壁厚t取10 mm，彈性模量E=2.06×105MPa。鋼護筒對孔壁穩定性的影響如圖10所示。

圖10 鋼護筒對孔壁橫向位移的影響

由圖10可以看出：孔口處采用鋼護筒支護，由于鋼護筒具有較大的剛度和強度，孔壁橫向位移為零，能夠直接消除孔壁坍塌的風險。對于易坍塌的地層，可采用鋼護筒全孔支護以確保成孔的質量。由于孔口位置處土體受力復雜，為防止孔口塌孔，通常在孔口位置設置鋼護筒進行支護，以確保施工機具、人員的安全。

3 鉆孔樁孔壁穩定性評價方法

3.1 孔壁穩定性評價指標因素

影響鉆孔樁孔壁穩定性有定量化和非定量化因素，包括土質、土層結構、鉆孔深度、鉆孔直徑、護壁泥漿密度、地下水位、鋼護筒埋深等，這些構成了砂土地區鉆孔樁壁穩定性的因素空間。該文采用灰色系統理論，對影響孔壁穩定性因素進行灰色分析，建立鉆孔樁孔壁穩定性評價模型及評價方法。在確定評價指標體系時采取專家經驗法以及評價指標。評價指標按以下原則確定：評價指標對評價目標是充分與必要的；評價指標對應的要素數據可以從當前工作階段獲得；評價指標之間相互獨立，并應著重考慮重要的控制因素。砂土地區鉆孔樁孔壁穩定性影響因素如下：砂土土質x1、土層結構x2、鉆孔深度x3、鉆孔直徑x4、泥漿密度x5、地下水位x6、鋼護筒埋深x7、施工工藝x8。

3.2 變權集的確定及綜合評價模型

評價模型的精度與因素權重的確定有著重要的關系，在實際工程中，評價因素的重要性一般采用常權的方法來反映，而對于變權的方法，在可變的權重中，需要考慮各評價因素的相對重要性，同時也要考慮它們的組態，因此，采用變權法更能符合工程的實際情況。

3.2.1 因素常權的確定

利用灰色關聯法確定因素常權，對非定量因素進行定量分析。

以w0={w0(k)|k=1,2,…,n}為參考數列，wi={wi(k)|k=1,2,…,n}(i=1,2,…,m)為比較數列。

則wi(k)與w0(k)的關聯系數：

ηi(k)=

(4)

取ξ=0.5，各因素的關聯度按下式計算：

(5)

采用歸一化處理其關聯度，可得到因素的權重集。

3.2.2 變權集的確定

根據3.2.1節的計算，常權向量采用以下表示：

SW={S1(W),S2(W),…,Sn(W)}，其中W=(w1,w2,…,wn)∈[0,1]n。

將常權向量與狀態變權向量的Hardarmard積得到變權向量：

(6)

(7)

因素的變權集可表示為：

(8)

根據工程經驗，取b=0.5為宜。

3.2.3 評價關系矩陣及綜合評價模型

指標因素為n個，評估對象為m個，評估對象的各指標作單因素進行評價，其評價關系矩陣為：

(9)

在工程實際應用中，可采用專家評分的方法來確定m個評價對象的評價關系矩陣，其指標計分應遵循以下規則：以100分制進行打分；指標集中的某一因素評價的平均值計為l；低于l的某一評價因素平均值計為A；高于l的某一評價因素平均值計為B。則每位專家對評價指標因素及某一因素平均的估計值為：

Wij=(A+4l+B)/6

(10)

式(10)的評價值去除了評價的最大值、最小值和異常的數值，同時也重視了專家評價的平均值，較為符合實際，可得wij=Wij/100。

對單個對象進行評價，評價模型為：

(11)

對m個對象進行評價，其評價模型為：

(12)

3.3 工程應用

加蓬共和國的奧果韋河特大橋，其地質為厚砂土層，采用超長鉆孔灌注樁基礎，設計樁長為60～90 m，直徑為1 600、1 800 mm，選取5根基樁進行試樁，對試樁的孔壁穩定性進行評價,并對試樁的成孔質量進行現場檢測。邀請科研院校、建設單位、設計單位、施工單位和監理單位的5位專家對權重和因素進行咨詢評價，得到各評價指標權重的評價信息如表1所示。并依據各專家對鉆孔樁孔壁穩定性影響因素的評價，采用式(10)可得到鉆孔樁孔壁穩定性評價指標的統計信息，結果見表2。

表1 評價指標權重的評價信息

表2 評價指標的統計信息

從表1可以看出：其最大權重為0.30，設定參考數列w0=(0.3,0.3,0.3,0.3,0.3,0.3,0.3,0.3)，將參考數列及表1代入式(4)、(5)得到評價指標的權重見表3所示。

表3 評價指標權重計算值

根據3.2節及表2數據得到指標評價矩陣：

將各數據代入式(6)～(12)，得到5根基樁孔壁的穩定性評價結果B=(0.870，0.846，0.852，0.840，0.842)，從上述評價結果可以看出，各基樁孔壁的穩定性ZK1(0.870)>ZK3(0.852)>ZK2(0.846)>ZK5(0.842)>ZK4(0.840)。根據穩定性評價結果，可以相對地反映各因素對鉆孔樁孔壁穩定性的影響程度以及各鉆孔樁孔壁的穩定性。

4 結論

(1) 砂土的內摩擦角愈大，其抗剪強度愈高，孔壁越穩定，當內摩擦角達到35°后，再一步增大內摩擦角對提高土體的穩定性有限；鉆孔直徑愈大，孔壁周圍土體的卸荷量也隨之增大，土拱效應減弱，孔壁越不穩定；但地下水位的埋深對孔壁穩定性影響較小。

(2) 砂土鉆孔樁孔壁的穩定性隨護壁泥漿的密度增大而提高，但提高的幅度有限，在確?？妆诜€定的前提下，應盡量減小泥皮效應對基樁承載力的影響，建議砂土地區鉆孔樁護壁泥漿的相對密度宜取1.15～1.20。對于坍塌風險區域，可采用鋼護筒支護措施直接解決塌孔事故。

(3) 孔壁的最大橫向位移與土體的內摩擦角以及孔徑呈指數函數關系，孔壁橫向位移與鉆孔深度呈線性函數，隨孔深增加而增大。

(4) 綜合考慮了砂土地區鉆孔樁孔壁穩定性指標因素組合對權重的影響，構建了孔壁穩定性的灰色變權綜合評價模型及評價方法，滿足現場實踐工程的需要。