趙春風 ，陳洪祥 ，趙 程 ，薛金賢

（1. 同濟大學 巖土及地下工程教育部重點實驗室，上海 200092；2. 同濟大學 地下建筑與工程系，上海 200092；3. 深圳高速工程顧問有限公司，廣東 深圳 518000)

1 引 言

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

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

2 工程地質概況

本工程數據來自上海浦東地區(qū)某高層住宅小區(qū)鉆孔灌注樁施工過程中的的原始施工記錄、工程地質勘察報告和試成孔質量檢測資料。土層物理力學指標見表1。

3 不同土層孔徑隨時間的變化

本工程的試成孔孔徑測量在鉆孔結束后24 h內進行，共測量4次孔徑，第一次測量在鉆孔結束后立即進行，以后3次測量的時間間隔分別為6、6、12 h。通過對少數鉆孔孔徑的連續(xù)測量，可統(tǒng)計不同鉆孔孔徑隨鉆孔時間的變化，減小了不同鉆孔的差異所造成的影響，能夠更真實地反映出孔徑隨時間的變化規(guī)律。

根據本工程情況，選取 0#、1#、3#、6#樓各 2個試成孔和5#樓的一個試成孔，共計9個試成孔數據。從統(tǒng)計結果來看，在孔深8.6 m以上土層范圍內，孔徑隨時間變化比較大，但沒有較為一致的變化方向，非嚴重塌孔即明顯縮頸。究其原因，從地質勘察報告來看，這個范圍內的土層為淤泥質粉質黏土，土層穩(wěn)定性較差，且淺部土層受施工和地面的擾動較深層土更嚴重，因此這個范圍內的孔壁變化極不規(guī)律，故統(tǒng)計時剔除這個深度范圍內的數據，只保留余下相對穩(wěn)定的數據。

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，且隨著時間的推移，縮小量逐漸增加，可知孔徑縮小量與時間具有正相關的關系。仔細分析圖表可以得知，在 0～12 h內，第④、⑤-1a、⑤-1b、⑥、⑦1、⑦2土層的累計變化量分別為6.2、5.0、6.0、4.9、6.8、8.8 mm，已經占到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間的增長不是線性增加的，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間內所對應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?。宦裆?4.6 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，其縮小量遠遠超過24.6 m以上的土層。分析原因，可能與各個土層的物理力學性質存在差異有關，觀察地質勘察報告可以發(fā)現(xiàn)，⑦1層砂質粉土層和⑦2層粉砂層力學強度指標較小，土層的穩(wěn)定性較差。

圖1 不同土層內平均孔徑縮小值與時間關系曲線Fig.1 Relationships between average bore diameter reduction and time in different soil layers

為分析不同土層內孔徑隨時間的變化規(guī)律，采用歸一法對數據進行分析處理，運用最小二乘法對所測數據進行擬合，公式為

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

具體參數見表 2。根據現(xiàn)場實測數據和擬合公式繪制不同土層的平均孔徑值/初始孔徑值與時間的關系曲線如圖2所示。從圖中可以看出，各土層的擬合曲線逐漸趨于平緩，說明孔徑的變化隨時間增長趨于穩(wěn)定，⑦1層淤泥質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，同時擬合曲線能夠真實地反映出不同土層的孔徑隨時間的變化特征。

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 不同土層內平均孔徑值/初始孔徑值與時間關系Fig.2 Relationships between ratio of average bore diameter and initial bore diameter and time in different soil layers

4 鉆孔特性的力學分析

4.1 基本假設和力學模型

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

式中：γs為泥漿相對重度；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軸取出任何一個平面進行受力分析，可按照平面應變問題進行計算，彈性力學的解答為

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。

4.2 孔徑變化公式推導

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

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

將通過彈性理論計算得到的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[6]提到可用應力坡角θ描述孔壁的穩(wěn)定性：

當r=r0時，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層淤泥質黏土到⑤層灰色黏土再到⑥粉質黏土層的鉆孔平均孔徑波動逐漸減小，平均孔徑維持穩(wěn)定時間逐漸增長的內在機理。對于⑦1層砂質粉土和⑦2層粉砂的c值很小，個別單體的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，孔徑波動的幅度也較大。

5 結 論

（1）上海地區(qū)孔深8.6 m以上多為淤泥質黏土，這個范圍內得到的孔徑實測數據離散型較大，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，故在對數據進行整理分析時應將其剔除，有利于排出干擾，得出正確結論。

（2）孔徑的縮小量與時間呈正相關，縮小幅度逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定。采用最小二乘法，將所測得的孔徑變化數據用式（1）進行擬合，擬合度較高，能夠反映孔徑變化的特點和規(guī)律。

（3）空間上，相同時間內、不同物理力學性質的土層孔徑變化量也不同，黏聚力c越小，內摩擦角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層淤泥質黏土層及⑦1層砂質粉土層易發(fā)生塌孔，⑦1層砂質粉土層及⑦2層粉砂層易發(fā)生縮頸。

（4）基于Kelvin模型，運用彈性理論，結合擬和公式，推導出更符合實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, 王學知, 趙洪平, 等. 考慮混凝土性質變化灌注樁深部土壓力分析[J]. 同濟大學學報(自然科學版),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. 砂土考慮卸荷效應的鉆孔灌注樁試驗與理論研究[D]. 上海：同濟大學, 2011.

[3] 龔輝. 黏性土中鉆孔灌注樁徑向卸荷效應及其對樁側摩阻力的影響機制[D]. 上海：同濟大學, 2013.

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

[5] 殷宗澤. 土工原理[M]. 北京：中國水利水電出版社,2007.

[6] 蔣紅心, 胡中雄. 鉆孔孔壁的穩(wěn)定性分析[J]. 工程勘察,1999, 24(3): 7－10.JIANG Hong-xin, HU Zhong-xiong. Analysis on stability of borehole wall[J]. Geotechnical Investigation &Surveying, 1999, 24(3): 7－10.