付 馨 胡威東

1 概述

人工挖孔樁歷史悠久。20世紀(jì)初，美國(guó)便采用邊人工挖土邊以木板或圓形鋼環(huán)支護(hù)(Chicago Method)或用套筒式金屬殼支護(hù)(GOW Method)的方式成孔制作承載樁(墩)［1］。我國(guó)鐵路部門最早約在20世紀(jì)50年代開始用人工挖孔樁作為治理滑坡的抗滑樁［2］。20世紀(jì)80年代到20世紀(jì)末，我國(guó)曾大規(guī)模采用人工挖孔樁造就了一大批高層建筑［1］。然而，由于對(duì)人工挖孔樁研究不足，尤其是對(duì)人工挖孔樁護(hù)壁受力機(jī)理、適應(yīng)地層等方面的研究不足，導(dǎo)致因人工挖孔樁施工事故頻發(fā)，最終不得不從政策層面上限制人工挖孔樁的使用［3］。

實(shí)際上，古代人們就有地面開挖飲用水井時(shí)，邊挖邊用磚砌一護(hù)圈以抵擋側(cè)向土壓，直至井底。從工藝順序及受力機(jī)理而言，這與人工挖孔灌注樁別無(wú)兩樣，其差別僅是選用的施工機(jī)具(鼓風(fēng)機(jī)、水泵、起重鎖具等)及材料(混凝土護(hù)壁、鋼護(hù)壁等)的不同［2］。因此，人工挖孔樁護(hù)壁可以理解為豎井井壁的圓筒型結(jié)構(gòu)。

2 豎井井壁的受力機(jī)理［4］

目前，對(duì)于豎井井壁承受側(cè)壓力有兩種比較主流的理論，即平面擋土墻主動(dòng)土壓力公式(礦山井巷工程中常稱“普氏公式”)和前蘇聯(lián)別列贊采夫的筒形地坑壁主動(dòng)土壓力空間問(wèn)題解析解(本文簡(jiǎn)稱“別氏公式”)。從本質(zhì)上講，普氏公式和別氏公式一樣，都是認(rèn)為松散體(土體)極限平衡狀態(tài)在某一微面積上的條件是土體受剪切應(yīng)力的絕對(duì)值，等于其本身的粘結(jié)力加上外荷載重和自重造成的摩擦力。即常見的公式:

其中，|τ|為剪切應(yīng)力的絕對(duì)值;σ為外荷載重和自重造成的作用于滑動(dòng)面上的壓應(yīng)力;c為土體的內(nèi)聚力;φ為土體的內(nèi)摩擦角。

當(dāng)|τ|＞c+σtanφ時(shí)，平衡即破壞，對(duì)于整個(gè)土體來(lái)說(shuō)將產(chǎn)生滑動(dòng)面。根據(jù)計(jì)算，對(duì)于構(gòu)筑物產(chǎn)生最大主動(dòng)土壓力的滑動(dòng)面，其角度為45°。

普氏公式和別氏公式的不同是:別氏公式將井壁周圍的這種滑動(dòng)體看作是一個(gè)環(huán)狀的空心圓錐體;而普氏公式則是將這種滑動(dòng)體看作是一個(gè)直的棱柱體，將井壁看作是平面狀態(tài)墻面。

普氏公式應(yīng)用擋土墻理論，計(jì)算出土層的主動(dòng)土壓力為:

其中，PPh為普氏公式土層主動(dòng)土壓力;γ為土的重度;H為計(jì)算點(diǎn)距離;φ為土體的內(nèi)摩擦角。

別氏公式解出作用于圓柱體上的主動(dòng)土壓力為:

其中，PBh為別氏公式土層主動(dòng)土壓力;R0為豎井掘進(jìn)半徑; Rb為在深度為H時(shí)，滑動(dòng)線與地面交點(diǎn)的橫坐標(biāo)值，Rb=R0+ H tan(45°-);λ為公式推演過(guò)程中的一個(gè)簡(jiǎn)化系數(shù)，λ=2tanφ· tan(45°-)。其余參數(shù)與普氏公式中的參數(shù)相同。

比較式(2)和式(3)可以看出，別氏公式從空間上考慮了空心圓柱體的受力問(wèn)題，考慮了土體向豎井中心作位移時(shí)其本身的相互擠壓力使主動(dòng)土壓力減小的有利作用，并且根據(jù)公式還能考慮豎井?dāng)嗝娴拇笮?duì)主動(dòng)土壓力的影響。因此，從上述幾個(gè)方面來(lái)講，別氏公式所揭示的主動(dòng)土壓力現(xiàn)象比普氏公式更接近于實(shí)際。

然而，別氏公式按照式(3)計(jì)算當(dāng)H→∞，PBh→定值，得到土壓力在某一深度以后，趨于一個(gè)定值，可以認(rèn)為與深度無(wú)關(guān)。這一結(jié)論尚未被工程實(shí)測(cè)所證實(shí)［5］。但是，別氏公式仍有其實(shí)用價(jià)值。因?yàn)?，分析別氏公式可以知道，對(duì)于埋深不大的豎井，掘進(jìn)半徑與掘進(jìn)深度之間存在臨界點(diǎn)。為了更清楚地反映掘進(jìn)半徑與掘進(jìn)深度之間的關(guān)系，假定地質(zhì)條件一定(即土體的容重γ一定，內(nèi)摩擦角φ一定，粘聚力c一定)的情況下，并假定豎井周邊無(wú)超載(即q為0)，繪出別氏公式主動(dòng)土壓力PBh與豎井掘進(jìn)半徑R0及掘進(jìn)深度H之間的關(guān)系圖，如圖1所示。

從圖1可以看出，對(duì)于表層土體中，當(dāng)豎井掘進(jìn)半徑一定的時(shí)候，豎井井壁承受的主動(dòng)土壓力隨著挖深的增加而增加;當(dāng)開挖深度與開挖半徑的比例達(dá)到某一個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)，豎井井壁承受的主動(dòng)土壓力將趨于某一個(gè)恒定值，這個(gè)規(guī)律符合我們的感性認(rèn)識(shí)，而普氏公式是無(wú)法考慮的。鑒于上述規(guī)律，別氏公式較普氏公式更接近于實(shí)際，能夠用來(lái)計(jì)算表土層圓形豎井的主動(dòng)土壓力。

3 人工挖孔樁護(hù)壁水平荷載

人工挖孔樁樁基混凝土澆搗前，作用在護(hù)壁上的主要是護(hù)壁后的土對(duì)護(hù)壁產(chǎn)生的側(cè)向壓力。根據(jù)護(hù)壁的位移情況，和墻后土體所處的應(yīng)力狀態(tài)，該土壓力可以采用式(3)計(jì)算［6］。

鑒于別氏公式的結(jié)構(gòu)形式較普氏公式復(fù)雜，為便于別氏公式的應(yīng)用，可根據(jù)土體內(nèi)摩擦角所在的區(qū)間編制參數(shù)表(見表1)。若φ值介于兩值之間，可采用線性插值的方法求得。

4 人工挖孔樁護(hù)壁結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算

圖2為受徑向均布荷載作用下的圓形護(hù)壁。

1)當(dāng)護(hù)壁厚度t≤R/10時(shí)(R為圓形護(hù)壁半徑)，可認(rèn)為是薄壁圓筒，在圖2a)壓力作用下，按材料力學(xué)理論，其環(huán)向應(yīng)力為［8］:

其中，σ為環(huán)向應(yīng)力(壓應(yīng)力為負(fù));PBh為采用別氏公式計(jì)算的主動(dòng)土壓力。

表1 別氏公式計(jì)算參數(shù)表

2)當(dāng)護(hù)壁厚度t＞R/10時(shí)，可認(rèn)為是厚壁圓筒，在圖2b)壓力作用下，按彈性力學(xué)理論，其環(huán)向應(yīng)力為［9］:

按式(4)，式(5)求出護(hù)壁內(nèi)力后，即可根據(jù)不同材料合理地設(shè)計(jì)護(hù)壁結(jié)構(gòu)。

3)以上分析均為圓形護(hù)壁處于均值地層情況，此時(shí)，護(hù)壁在均布力作用下僅產(chǎn)生環(huán)向應(yīng)力，為軸心受壓構(gòu)件，因此，護(hù)壁可根據(jù)地層情況選用抗壓性能較好材料，宜采用抗彎性能較好的鋼筋混凝土護(hù)壁或鋼護(hù)筒。

5 人工挖孔樁護(hù)壁強(qiáng)度驗(yàn)算

考慮到人工挖孔樁護(hù)壁多為臨時(shí)結(jié)構(gòu)，護(hù)壁可僅進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算。按照別氏公式計(jì)算主動(dòng)土壓力后，采用式(4)或式(5)求出護(hù)壁內(nèi)力，然后可根據(jù)不同材料合理設(shè)計(jì)護(hù)壁結(jié)構(gòu)。當(dāng)為圓形護(hù)壁(軸壓)時(shí)，護(hù)壁強(qiáng)度可按下式進(jìn)行核算［10］:Kσ≤f。其中，K為安全系數(shù)，視不同情況可取1.5～2.0。護(hù)壁直徑大、土質(zhì)條件差時(shí)取大值，反之取小值;f為軸力抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。對(duì)于混凝土護(hù)壁取素混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;對(duì)于磚石砌體取施工質(zhì)量控制等級(jí)為B級(jí)時(shí)的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(應(yīng)考慮截面面積及用水泥砂漿砌筑時(shí)的調(diào)整系數(shù))。

6 人工挖孔樁護(hù)壁設(shè)計(jì)實(shí)例

昆明軌道交通6號(hào)線一期工程在沾昆鐵路里程K2593+380處沿直線下穿該鐵路。為實(shí)現(xiàn)安全下穿，設(shè)計(jì)采用D16型軍便梁架空鐵路股道后空頂預(yù)制框架涵的方式施工區(qū)間隧道主體結(jié)構(gòu)。

根據(jù)地層分布情況，人工挖孔樁設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)為10.5 m，直徑為2.0 m，護(hù)壁厚度擬定為0.25 m，其上下截面不變。護(hù)壁采用混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25。設(shè)計(jì)中人工挖孔樁深入基巖0.5 m。對(duì)人工挖孔樁強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算。

1)護(hù)壁側(cè)壓力計(jì)算。

2)護(hù)壁強(qiáng)度驗(yàn)算。

由于護(hù)壁厚度t＞R/10，故按照厚壁圓筒計(jì)算，按式(5)計(jì)算有:

對(duì)C25混凝土護(hù)壁，fcc=0.85fc=0.85×11 900=10 115 kPa，Kσ=2.0×479.268=958.536 kPa＜fcc=10 115 kPa。

故采用C25混凝土護(hù)壁強(qiáng)度滿足要求。

7 設(shè)計(jì)應(yīng)注意的其他問(wèn)題

1)結(jié)合已有豎井設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)，人工挖孔樁孔口宜設(shè)置孔口護(hù)圈［11］或采用鋼套筒作為孔口護(hù)圈。2)別氏公式假定護(hù)壁超載是沿孔口四周均勻分布的，因此，在應(yīng)用別氏公式時(shí)，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況考慮孔口超載。如果出現(xiàn)僅在挖孔樁某一側(cè)地表存在著較為嚴(yán)重的超載時(shí)，宜優(yōu)先采用普氏公式計(jì)算護(hù)壁主動(dòng)土壓力。3)因特殊情況必須采用人工挖孔樁的建設(shè)工程，建設(shè)單位應(yīng)將人工挖孔樁設(shè)計(jì)、施工組織設(shè)計(jì)和安全生產(chǎn)措施報(bào)市建設(shè)行政主管部門并組織專家論證［3］。

8 結(jié)語(yǔ)

人工挖孔樁護(hù)壁在樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)常常不為設(shè)計(jì)人員所重視，在施工時(shí)又往往不根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件的變化而作出相應(yīng)調(diào)整，由此引發(fā)的護(hù)壁質(zhì)量和安全事故時(shí)有發(fā)生，故人工挖孔樁護(hù)壁的設(shè)計(jì)和施工應(yīng)引起工程人員的足夠重視。

［1］ 羅 章，李文兵，李振茲.人工挖孔樁護(hù)壁設(shè)計(jì)及其工程應(yīng)用［J］.土工基礎(chǔ)，2010，1(15):49-52.

［2］ 史佩棟.樁基工程手冊(cè)［M］.北京:人民交通出版社，2007.

［3］ 合肥市建設(shè)委員會(huì).關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)人工挖孔樁技術(shù)限用管理的通知［EB］.2006:8.

［4］ 朱松耆.表土層中圓形豎井地壓的計(jì)算［J］.有色金屬，1974 (5):13-19.

［5］ 崔廣心.深厚表層土中豎井井壁的外載［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2003，25(3):294-298.

［6］ 岳 進(jìn).人工挖孔樁護(hù)壁設(shè)計(jì)［J］.岳陽(yáng)師范學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2002，15(4):75-78.

［7］ John O，Bickel.Tunnel Engineering Handbook［Z］.1996.

［8］ 孫訓(xùn)方.材料力學(xué)［M］.北京:高等教育出版社，2009.

［9］ 楊桂通.彈性力學(xué)［M］.北京:高等教育出版社，1998.

［10］ GB 50010-2002，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［11］ 陳蘭云.人工挖孔樁護(hù)壁設(shè)計(jì)施工問(wèn)題探討［J］.遼寧建筑，1992(6):26-28.