彭必建

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京 100083； 2.云南地質(zhì)工程勘察設(shè)計(jì)研究院，云南昆明 650041)

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考慮竄孔效應(yīng)的人工挖孔樁護(hù)壁設(shè)計(jì)方法研究

彭必建1,2

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京 100083； 2.云南地質(zhì)工程勘察設(shè)計(jì)研究院，云南昆明 650041)

護(hù)壁對(duì)于人工挖孔樁成孔過(guò)程中防止土體塌落及滑動(dòng)有著極為重要的作用，是施工中保障人員安全和工程質(zhì)量的主要構(gòu)件。針對(duì)人工挖孔樁的護(hù)壁設(shè)計(jì)問(wèn)題，分灌注樁和空樁兩種工況分別建立了力學(xué)分析模型，以護(hù)壁的抗拉強(qiáng)度和水平位移作為護(hù)壁失效的控制條件，結(jié)合樁間土受力模型，提出了預(yù)防竄孔問(wèn)題的人工挖孔樁護(hù)壁設(shè)計(jì)方法。將本文提出的新的設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于實(shí)際工程，結(jié)果表明了本文方法的合理性，并根據(jù)實(shí)際應(yīng)用結(jié)果提出了施工建議。研究成果對(duì)人工挖孔樁護(hù)壁的設(shè)計(jì)與施工安全有積極的指導(dǎo)和借鑒意義。

樁基工程 人工挖孔樁 竄孔 護(hù)壁 護(hù)壁設(shè)計(jì)

0 引言

護(hù)壁對(duì)于防止人工挖孔樁施工過(guò)程孔壁土體塌落及滑動(dòng)有著極為重要的作用(Shirlaw J.N,1987; 邵廣彪等,2011; 徐暉, 2014)，是施工中保障人員安全和工程質(zhì)量的主要構(gòu)件。在當(dāng)前的樁孔護(hù)壁設(shè)計(jì)實(shí)踐中，大多根據(jù)地質(zhì)情況按經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)樁孔護(hù)壁強(qiáng)度及幾何尺寸的確定缺少理論依據(jù)(王朝鮮,2012;趙建立等,2012)。比如：僅考慮樁側(cè)土壓力作用，使設(shè)計(jì)的護(hù)壁僅起到支檔孔壁土體、防止土層塌落的作用；但在樁孔灌注混凝土期間，護(hù)壁很難達(dá)到應(yīng)有的抗拉強(qiáng)度而造成護(hù)壁開(kāi)裂，導(dǎo)致混凝土外滲，引發(fā)竄孔事故風(fēng)險(xiǎn)。因此，亟需對(duì)樁間土失穩(wěn)造成竄孔這一問(wèn)題提出有效的護(hù)壁設(shè)計(jì)方法。

然而，目前涉及人工挖孔樁護(hù)壁設(shè)計(jì)理論的研究較少且不夠全面(何現(xiàn)啟等,2011)。西方發(fā)達(dá)國(guó)家應(yīng)該早已不用人工挖孔樁，國(guó)內(nèi)的研究成果也很少。因此，人工挖孔樁護(hù)壁的設(shè)計(jì)尚沒(méi)有統(tǒng)一的設(shè)計(jì)理論，規(guī)范中也沒(méi)有明確的設(shè)計(jì)方法。國(guó)內(nèi)代表性的研究成果有王新義等(2010)、聶磊(2009)、陳梅(2008)、岳進(jìn)(2002)、王利群等(2002)和羅章等(2001)等人的研究。盡管目前關(guān)于人工挖孔樁護(hù)壁設(shè)計(jì)理論的研究已取得一定的成果，但多以經(jīng)驗(yàn)為主，其設(shè)計(jì)的重點(diǎn)仍主要以防止挖孔樁孔壁崩塌為目的，其設(shè)計(jì)亦未充分考慮鄰近樁孔灌注時(shí)可能引發(fā)的竄孔事故，這也是目前人工挖孔樁設(shè)計(jì)與施工中存在的重大隱患之一。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文分灌注樁和空樁兩種工況分別建立力學(xué)模型，充分考慮工程實(shí)際情況，結(jié)合彈性力學(xué)和樁基工程相關(guān)理論，在樁間土穩(wěn)定性理論分析基礎(chǔ)上，對(duì)護(hù)壁設(shè)計(jì)理論進(jìn)行深入探討，以提出一套切合實(shí)際、經(jīng)濟(jì)可靠的護(hù)壁設(shè)計(jì)方法及相應(yīng)的施工建議。

1 護(hù)壁設(shè)計(jì)方法

目前，人工挖孔樁護(hù)壁主要有磚砌護(hù)壁和鋼筋混凝土護(hù)壁兩種形式。磚砌護(hù)壁整體性、穩(wěn)定性和防水性都較差，主要適用于地質(zhì)條件良好的情況，應(yīng)用范圍較小。對(duì)于應(yīng)用較為普遍的鋼筋砼護(hù)壁的設(shè)計(jì)，目前仍沒(méi)有公認(rèn)的完善的設(shè)計(jì)方法。較普遍的做法是靠經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，或僅將作用于護(hù)壁的土壓力作為主要控制因素進(jìn)行設(shè)計(jì)，忽略了挖孔樁在灌注過(guò)程中混凝土對(duì)護(hù)壁內(nèi)側(cè)的壓力；而實(shí)際工程中，由于混凝土的持續(xù)灌注導(dǎo)致樁間土失穩(wěn)并造成竄孔的事故時(shí)有發(fā)生。

理論分析可知，人工挖孔樁竄孔事故的發(fā)生，是由于樁體在澆筑混凝土過(guò)程中，流動(dòng)混凝土逐漸增大的流動(dòng)壓力對(duì)樁孔護(hù)壁造成拉裂或脫節(jié)而誘發(fā)的。因此，在樁體混凝土澆筑的過(guò)程對(duì)護(hù)壁強(qiáng)度提出了新的要求。對(duì)于尚未澆筑的臨近空樁而言，若護(hù)壁的強(qiáng)度不夠則可能因鄰近的樁孔灌注混凝土產(chǎn)生的附加壓力而發(fā)生破壞，進(jìn)而造成竄孔事故，因此護(hù)壁設(shè)計(jì)時(shí)因充分考慮未澆筑混凝土的空樁護(hù)壁的穩(wěn)定性。本文分灌注樁和空樁兩種工況對(duì)人工挖孔樁護(hù)壁的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行探討。

1.1 預(yù)防塌孔護(hù)壁設(shè)計(jì)

1.1.1 人工挖孔樁護(hù)壁的土壓力分析

人工挖孔樁是通過(guò)人力挖土逐步向下掘進(jìn)形成樁孔的，其施工順序與受力狀態(tài)均與豎井及沉井相似。故可將人工挖孔樁樁孔看作尺寸較小的豎井井孔(或深基坑)，其護(hù)壁則可以理解為類似于豎井井壁的圓筒狀構(gòu)件。

在圓形圍護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算與分析時(shí)，墻外側(cè)土壓力通常有四種處理方式：

①當(dāng)作靜止土壓力；

②當(dāng)作主動(dòng)土壓力，主要考慮土體達(dá)極限狀態(tài)時(shí)的情形；

③采用別列贊采夫算法，即認(rèn)為圓形基坑處于空間受力狀態(tài)，水平方向存在圓環(huán)擠壓效應(yīng)，同時(shí)垂直方向存在成拱效應(yīng)，造成主動(dòng)土壓力值降低，此時(shí)采用直線形基坑的主動(dòng)土壓力顯然不合適；

④還有一種觀點(diǎn)認(rèn)為結(jié)構(gòu)在起始狀態(tài)所受土壓力為靜止土壓力，而當(dāng)結(jié)構(gòu)處于工作狀態(tài)時(shí)，土壓力會(huì)由靜止土壓力逐漸向主動(dòng)土壓力過(guò)渡，實(shí)際土壓力介于靜止土壓力及主動(dòng)土壓力之間。

在豎井井壁所受水平荷載的計(jì)算中，主要有兩種理論：普羅托吉雅諾夫和秦巴列維奇基于庫(kù)侖土壓力理論推導(dǎo)的平面擋土墻主動(dòng)土壓力公式(也叫“普氏公式”)，以及別列贊采夫提出的作用于筒形地坑壁上主動(dòng)土壓力空間問(wèn)題的解析解(簡(jiǎn)稱“別列贊采夫公式”)。普氏公式與別列贊采夫公式均認(rèn)為，土體在某一微面積上達(dá)到極限平衡狀態(tài)的條件是土體受剪應(yīng)力的絕對(duì)值等于其本身的粘聚力與外荷載及自重產(chǎn)生的摩擦力之和，即：

(1)

其中，τ—剪應(yīng)力(kN/m2)；σ—外荷載與自重產(chǎn)生的作用于剪切面上的法向應(yīng)力(kN/m2)；c—土體的粘聚力(kN/m2)；φ—土體的內(nèi)摩擦角(°)。

普式公式假設(shè)墻面垂直、光滑且無(wú)摩擦力，應(yīng)用平面擋土墻理論得到土層的主動(dòng)土壓力為：

(2)

其中，γ—土重度(kN/m3)，φ—土體的內(nèi)摩擦角(°)。

由于地層通常由多層不同土體構(gòu)成，不同土體的內(nèi)摩擦角不同，每層土體的水壓力也存在差異，因此，普式公式可歸為統(tǒng)一的表達(dá)式：

(3)

對(duì)于挖孔樁護(hù)壁這種圓筒狀結(jié)構(gòu)，周圍土體向豎井中心發(fā)生位移時(shí)，圓形結(jié)構(gòu)處于空間受力狀態(tài)，土體的移動(dòng)形成滑動(dòng)圓錐體，造成水平方向存在圓環(huán)擠壓效應(yīng)，垂直方向存在成拱效應(yīng)，因此，根據(jù)別列贊采夫的方法解得作用于圓柱體上的主動(dòng)土壓力為：

(4)

其中，R0——井筒結(jié)構(gòu)的掘進(jìn)半徑(m)；Rb——深度為h時(shí)，土體滑移線與地面交點(diǎn)的橫坐標(biāo)值(m)；q——地面上的均布荷載(kN/m2)；λ——公式推導(dǎo)中的簡(jiǎn)化系數(shù)。

Rb的計(jì)算表達(dá)式為：

(5)

λ的計(jì)算表達(dá)式為：

(6)

當(dāng)土體粘聚力c=0，地面附加荷載q=0時(shí)，則式(4-4)可簡(jiǎn)化為：

(7)

式(7)中，當(dāng)φ=19.5°時(shí)，λ=1，其式為不定解，故通過(guò)冪級(jí)數(shù)進(jìn)行近似計(jì)算，式(7)可表示為：

(8)

綜上，普氏公式(式(2))與別列贊采夫公式(式(4))兩種計(jì)算理論的主要區(qū)別在于：普氏公式將井壁看作為平面狀態(tài)的墻面，并將其周圍的滑動(dòng)土體看作為一個(gè)直的棱柱體；而別列贊采夫公式從空間上考慮了空心圓柱體的受力問(wèn)題，將井壁周圍的這種滑動(dòng)體看作環(huán)狀的空心圓錐體。別列贊采夫公式考慮了土體向豎井中心發(fā)生位移時(shí)，土體本身相互之間的擠壓摩擦?xí)斐芍鲃?dòng)土壓力減小的有利作用，且別列贊采夫公式還考慮豎井?dāng)嗝鎺缀纬叽鐚?duì)主動(dòng)土壓力的影響。

此外，國(guó)內(nèi)有的學(xué)者(聶磊，2009；王新義等，2010)研究表明，對(duì)于埋深相對(duì)較淺的圓形維護(hù)結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，別列贊采夫公式與實(shí)際情況較為符合，有實(shí)用價(jià)值。

對(duì)于人工挖孔樁樁孔，可將其看成是幾何尺寸相對(duì)較小的沉井井孔，其護(hù)壁即為土體中的圓形維護(hù)結(jié)構(gòu)，因此，對(duì)于挖孔樁護(hù)壁外側(cè)所受的土壓力，本文建議采用別列贊采夫公式計(jì)算。

1.1.2 人工挖孔樁護(hù)壁的內(nèi)力計(jì)算

樁基施工前，場(chǎng)地一般已完成“三通一平”工作，給樁基澆筑混凝土前，護(hù)壁主要受到外側(cè)土體的側(cè)向壓力及水壓力的作用。根據(jù)護(hù)壁的位移情況以及護(hù)壁外側(cè)土體所處的應(yīng)力狀態(tài)，該土壓力可以采用式(4)或式(7)進(jìn)行計(jì)算，則土體與地下水作用于護(hù)壁外側(cè)的徑向均布?jí)毫椋?/p>

p=ph+pw

(9)

其中，ph——按照別列贊采夫公式計(jì)算得到的土壓力(kPa)；pw——地下水壓力(kPa)。

護(hù)壁結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型如下圖1所示：

圖1 挖孔樁護(hù)壁結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型Fig.1 Calcu Laxon model of structure of protertiveof wall for hole-digging pile

①護(hù)壁厚度δ≤R /10時(shí)(R為護(hù)壁結(jié)構(gòu)的半徑)，可將護(hù)壁看作為薄壁圓筒，在圖1所示徑向均布?jí)毫ψ饔孟拢鶕?jù)材料力學(xué)中的相關(guān)理論，其環(huán)向應(yīng)力可表示為：

σ=p·R/δ

(10)

②當(dāng)護(hù)壁厚度δ>R/10時(shí)，護(hù)壁結(jié)構(gòu)則可看作厚壁圓筒，在圖1所示徑向均布?jí)毫Φ淖饔孟?，按照彈性力學(xué)中的相關(guān)理論，其環(huán)向應(yīng)力可表示為：

(11)

其中，a——護(hù)壁的內(nèi)半徑(m)；b——護(hù)壁的外半徑(m)。

根據(jù)式(10)或式(11)求出護(hù)壁的環(huán)向應(yīng)力后，即根據(jù)護(hù)壁類型進(jìn)行護(hù)壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1.1.3 護(hù)壁強(qiáng)度設(shè)計(jì)驗(yàn)算

人工挖孔樁護(hù)壁多作為施工中的臨時(shí)結(jié)構(gòu)，故可僅對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算。由混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理可知，圓形護(hù)壁的強(qiáng)度可按式(12)進(jìn)行核算：

K·σ≤fc

(12)

式中，K——安全系數(shù)，根據(jù)工程地質(zhì)情況，在1.5～ 2.0間取值。當(dāng)護(hù)壁直徑較大、土質(zhì)條件較差時(shí)，取較大值，反之，取較小值；fc——護(hù)壁的軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，具體取值參見(jiàn)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010-2010)。

1.2 預(yù)防竄孔護(hù)壁的設(shè)計(jì)

1.2.1 灌注樁護(hù)壁設(shè)計(jì)

在人工挖孔樁灌注混凝土的過(guò)程中，護(hù)壁所承受的側(cè)壓力主要由四部分組成：灌注混凝土的流體壓力、側(cè)向土壓力、地下水壓力及地面荷載的附加應(yīng)力。對(duì)于挖孔樁，為確保安全，一般都是在無(wú)水狀態(tài)下施工，因此地下水壓力可忽略。至于地面荷載引起的附加應(yīng)力，三通一平后，一般忽略。在人工挖孔樁開(kāi)挖及澆筑混凝土過(guò)程中，護(hù)壁外側(cè)的壓力主要來(lái)自土體。澆筑混凝土?xí)r，護(hù)壁在混凝土流體壓力的作用下發(fā)生向外的擴(kuò)張變形，土體受到護(hù)壁的擠壓作用，此時(shí)土壓力將由主動(dòng)土壓力向被動(dòng)土壓力轉(zhuǎn)變過(guò)渡。由于混凝土護(hù)壁的變形相對(duì)較小，土壓力按靜止土壓力計(jì)算更合適。綜上，在灌注混凝土過(guò)程中，護(hù)壁內(nèi)側(cè)受到混凝土壓力而外側(cè)受到靜止土壓力的作用，取地面下深度z處的水平面進(jìn)行分析，其力學(xué)模型可簡(jiǎn)化為內(nèi)外壁四周都承受均勻壓力的圓環(huán)，見(jiàn)圖2。

圖2 人工挖孔樁灌注過(guò)程中護(hù)壁的計(jì)算模型Fig.2 Calcu laxion mode of protertive wall forhole-digging pile duning in jeotion process

實(shí)際施工中，同一節(jié)護(hù)壁的厚度并不一定恒定，為方便理論分析，此處取每一節(jié)護(hù)壁最小截面處的厚度為該節(jié)壁厚。設(shè)護(hù)壁厚度為δ，根據(jù)彈性力學(xué)，可計(jì)算得出其環(huán)向應(yīng)力為：

(13)

其中，σ——環(huán)向應(yīng)力(kN/m2)；a——護(hù)壁的內(nèi)半徑(m)，即挖孔樁半徑；b——護(hù)壁的外半徑(m)；ρ——護(hù)壁上點(diǎn)的徑向坐標(biāo)(m)；P0——深度z處的靜止土壓力(kPa)；pc——深度z處的混凝土壓力(kPa)。

深度z處的混凝土壓力為：

pc=γc·z

(14)

式中，γc——混凝土的重度(kN/m3)。

深度z處的靜止土壓力為：

p0=K0·σz

(15)

單節(jié)護(hù)壁截面上所受合力為：

其中，l——對(duì)式(16)進(jìn)行化簡(jiǎn)可得單節(jié)護(hù)壁截面上的內(nèi)力：

T=a·Pcz-b·P0z

(17)

其中，Pcz——豎直方向混凝土壓力的合力(kN/m)；P0z——豎直方向主動(dòng)土壓力的合力(kN/m)。

經(jīng)求解，單節(jié)護(hù)壁截面上的內(nèi)力如下：

(18)

鋼筋砼受拉時(shí)，由于混凝土的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于鋼筋，當(dāng)鋼筋屈服時(shí)，混凝土早已破壞。因此，混凝土已退出工作，其作用可忽略，拉應(yīng)力全部由鋼筋承擔(dān)，護(hù)壁設(shè)計(jì)的控制條件為：

T≤fyAs

(19)

其中，fy——鋼筋強(qiáng)度的設(shè)計(jì)值(kN/m2)；As——鋼筋的計(jì)算截面面積(m2)。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，一般先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定鋼筋砼護(hù)壁的厚度值，再用式(19)計(jì)算配筋面積。

1.2.2 空樁護(hù)壁設(shè)計(jì)

人工挖孔樁在澆筑混凝土?xí)r，孔壁受到流動(dòng)混凝土的流體壓力隨澆筑的進(jìn)行而持續(xù)增大，澆筑孔側(cè)壁的襯砌可能發(fā)生拉裂或接頭處出現(xiàn)脫節(jié)的現(xiàn)象，這對(duì)鄰近空樁的孔壁穩(wěn)定性造成極大威脅。因此，為避免竄孔事故，應(yīng)就人工挖孔樁的護(hù)壁提出針對(duì)性的設(shè)計(jì)方法。

為建立軟弱土層滑動(dòng)時(shí)空樁護(hù)壁的力學(xué)模型，作如下基本假設(shè)：

①人工挖孔樁護(hù)壁是分節(jié)施工的，考慮最不利荷載條件，可認(rèn)為滑動(dòng)土體的厚度剛好與樁節(jié)的長(zhǎng)度相同，即作用在護(hù)壁外側(cè)來(lái)自滑動(dòng)土體的推力全部都用來(lái)推擠該節(jié)護(hù)壁。

②軟弱土層失穩(wěn)并發(fā)生滑動(dòng)后，空樁護(hù)壁將在其水平推力作用下發(fā)生水平移動(dòng)，護(hù)壁后的土體也會(huì)隨之產(chǎn)生一定程度的壓縮和位移。此時(shí)，宜將土體看作彈性變形介質(zhì)，采用“m”法等效處理。

③圓形護(hù)壁與土體接觸界面的受力較為復(fù)雜，為便于理論分析，對(duì)護(hù)壁做平面簡(jiǎn)化，認(rèn)為護(hù)壁后側(cè)受壓區(qū)土體提供的抗力作用于半圓形護(hù)壁的豎向投影平面上，為均布力，與土體滑動(dòng)方向相反。

④護(hù)壁節(jié)間的靜摩擦力用滑動(dòng)摩擦力來(lái)替代計(jì)算，原因是出于設(shè)計(jì)安全考慮，此外，最大靜摩擦力目前也沒(méi)有普適公式求解。

⑤現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，各護(hù)壁節(jié)并不是相互獨(dú)立的，各節(jié)之間一般有鋼筋相互搭接，但這種簡(jiǎn)易的捆扎所提供的抗力極其有限，從偏安全的設(shè)計(jì)角度考慮，將其忽略。

基于上述假設(shè)，可構(gòu)建受滑動(dòng)土體推擠的一節(jié)護(hù)壁的力學(xué)模型，如圖3所示。

圖3 單節(jié)護(hù)壁在滑動(dòng)土體推力作用下的受力狀態(tài)Fig.3 Forcing stare of singte-secxon protevfive wall under push of slding soil body

根據(jù)滑動(dòng)土體的滑動(dòng)力S和其所受抗力R，護(hù)壁所提供的抗滑力的設(shè)計(jì)值為：

P=KcrS-R

(20)

根據(jù)假定②，一定深度z處土體的橫向抗力為：

σxz=cxz·xz

(21)

其中，σxa——橫向土抗力(kN/m2)；cxa——地基系數(shù)(kN/m3)，按“m”法計(jì)算求解；xz——z處護(hù)壁的橫向位移(m)。

根據(jù)假定③，作用于空樁護(hù)壁外側(cè)的土體橫向抗力為：

(23)

對(duì)式(23)進(jìn)行積分并化簡(jiǎn)得：

(24)

其中，dk——空樁的樁徑(m)；Δz——滑動(dòng)土體厚度，即相應(yīng)滑動(dòng)護(hù)壁節(jié)的長(zhǎng)度(m)。

根據(jù)假定④，滑動(dòng)摩擦力采用式(25)計(jì)算：

Ff=μ·ρV·g

(25)

式中，ρ——砼護(hù)壁的密度(kg/m3)；V——砼的體積(m3)；μ——護(hù)壁節(jié)間的動(dòng)摩擦因數(shù)。

實(shí)際工程中，出于節(jié)省材料，護(hù)壁一般采用變截面設(shè)計(jì)，但差異不大。為方便理論分析，此處將各節(jié)護(hù)壁簡(jiǎn)化為等厚的規(guī)則圓筒，且取護(hù)壁最小截面處的厚度為該節(jié)壁厚δ。此外，護(hù)壁為臨時(shí)結(jié)構(gòu)，一般加配適量直徑不小于8 mm的光圓鋼筋，由于鋼筋直徑較細(xì)且用量較少，此處可將鋼筋的質(zhì)量忽略不計(jì)。因此通過(guò)簡(jiǎn)化后可得滑動(dòng)護(hù)壁頂面和底面受到的摩擦力分別為：

Ff1=μ·π·(dk-δ)·δ·γc·z1

(26)

FF2=μ·π·(dk-δ)·δ·γc·z2

(27)

式中，z1——滑動(dòng)土體頂面埋深(m)；z2——滑動(dòng)土體底面埋深(m)。

因此，護(hù)壁受到的總摩擦力Ff為：

Ff=2·μ·π·(dk-δ)·δ·γc·Hc

(28)

式中，Hc——灌注樁混凝土面到滑動(dòng)土體中心點(diǎn)的距離(m)。

計(jì)算滑動(dòng)土體受到的總抗力R時(shí)，應(yīng)考慮護(hù)壁后的土體被擠壓并發(fā)生一定程度的位移，土體抗力已不能按靜止土壓力計(jì)算，取被動(dòng)土壓力Ep更為合理，則護(hù)壁提供的抗滑力設(shè)計(jì)值為：

P=Pr+Ff-E0

將式(20)、(24)、(28)及(29)代入(16)式，求解，得到在滑動(dòng)土體水平推力作用下，深度z處受推擠作用的護(hù)壁的水平位移值，見(jiàn)式(30)：

(30)

以受到推擠的護(hù)壁的水平位移作為控制標(biāo)準(zhǔn)，為了設(shè)計(jì)安全，并考慮現(xiàn)場(chǎng)施工誤差，認(rèn)為當(dāng)水平位移達(dá)到0.7δ時(shí)，護(hù)壁就會(huì)發(fā)生脫節(jié)并喪失支護(hù)能力。即，空樁護(hù)壁的水平位移控制條件為：

xz≤0.7δ

(31)

1.3 人工挖孔樁護(hù)壁設(shè)計(jì)方法

人工挖孔樁的護(hù)壁設(shè)計(jì)應(yīng)從預(yù)防塌孔和竄孔兩方面進(jìn)行考慮，先對(duì)樁間土穩(wěn)定性進(jìn)行分析，對(duì)于無(wú)竄孔風(fēng)險(xiǎn)的樁孔按預(yù)防塌孔設(shè)計(jì)進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算(多數(shù)情況)，而對(duì)存在竄孔隱患的樁孔按預(yù)防竄孔來(lái)控制設(shè)計(jì)(特殊情況)。對(duì)于預(yù)防竄孔的護(hù)壁設(shè)計(jì)方法，本文分灌注樁和空樁兩種工況考慮相應(yīng)的護(hù)壁設(shè)計(jì)方法。灌注樁應(yīng)有合理的配筋和護(hù)壁厚度，以滿足抗拉強(qiáng)度要求?？諛蹲o(hù)壁應(yīng)有足夠的厚度來(lái)提供摩擦阻力，從兩方面共同預(yù)防竄孔事故。

2 工程應(yīng)用案例分析

采用本文提出的設(shè)計(jì)方法，以柳州市金盛廣場(chǎng)5#樓人工挖孔樁工程為例，對(duì)人工挖孔樁的護(hù)壁進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)算。實(shí)際施工中，人工挖孔樁分段開(kāi)挖，每段高度取決于土壁堅(jiān)實(shí)情況，一般為0.8m～1.0m，此處取單節(jié)護(hù)壁高度為1m進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)算。

2.1 場(chǎng)地工程地質(zhì)條件

場(chǎng)地覆土層主要由雜填土、淤泥質(zhì)土和可塑狀態(tài)的紅粘土組成，層厚8.40m～23.43m，平均層厚16.81m。土層以棕黃色硬塑-可塑狀紅粘土為主，雜填土和淤泥質(zhì)土僅在上部約5m以上范圍分布。為方便計(jì)算，此處將場(chǎng)地視為均質(zhì)土層，其基本物理力學(xué)指標(biāo)為：天然重度γ=17.8kN/m3，內(nèi)聚力c=50kPa，內(nèi)摩擦角φ=18°，殘余抗剪強(qiáng)度cr=12kPa、φr=5°。

2.2 灌注樁護(hù)壁設(shè)計(jì)

根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94-2008)中6.6.6條的要求，人工挖孔樁混凝土護(hù)壁的厚度不宜小于100mm。實(shí)際工程中，護(hù)壁厚度常取100m～150mm。鋼筋采用牌號(hào)為HPB300的一級(jí)鋼筋，強(qiáng)度設(shè)計(jì)值取fy=270N/mm2。該工程共設(shè)計(jì)有85根樁，樁徑有0.8、1.0、1.2、1.4、1.5、1.8、2.0 及2.2m共8種樁型。采用本文計(jì)算公式，按單節(jié)護(hù)壁高度1m對(duì)這8種樁的護(hù)壁進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)算，計(jì)算結(jié)果

用圖表示，見(jiàn)圖4和圖5。表1以1m樁徑為例示范說(shuō)明具體計(jì)算過(guò)程及結(jié)果。

圖4 0.1m護(hù)壁厚度時(shí)各樁徑下鋼筋截面積曲線圖Fig.4 Curves of rebar cross-sectional area versus area versus pile diameters for 0.1m wall thickness

圖5 0.8m樁徑時(shí)不同護(hù)壁厚度下鋼筋截面積曲線圖Fig.5 Curves of rebar cross-sectional pile diameters for 0.8m wall thickness

表1 不同樁徑灌注樁單節(jié)護(hù)壁的鋼筋計(jì)算截面面積As (單位：mm2)Table 1 Calculated rebar cross-sectional area As for injected single-wall with varied pile diameters(unit:mm2)

綜合分析圖4和圖5可知，護(hù)壁需要的鋼筋截面積與樁徑和護(hù)壁埋深成正比，與護(hù)壁厚度成反比。隨著挖深和樁徑的增加，鋼筋用量增大明顯，一定條件下應(yīng)考慮加大護(hù)壁厚度的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選方案。但護(hù)壁厚度的增加是有限的，在加大護(hù)壁厚度無(wú)法明顯降低鋼筋用量時(shí)，可選擇跳樁開(kāi)挖的施工組織模式，或保證兩相鄰樁體同時(shí)灌注并控制兩孔內(nèi)混凝土高差在一定范圍內(nèi)。對(duì)于竄孔事故風(fēng)險(xiǎn)高的樁孔，可直接采用鋼護(hù)壁，以策安全。

2.3 空樁護(hù)壁設(shè)計(jì)

同樣以上述場(chǎng)地為例。經(jīng)計(jì)算，主動(dòng)土壓力系數(shù)Ka=0.528，靜止土壓力系數(shù)K0=0.691，地基系數(shù)的比例系數(shù)m取10kN/m4，混凝土界面間的動(dòng)摩擦因數(shù)u取0.65。以5#樓樁孔施工圖中樁凈距較小、竄孔風(fēng)險(xiǎn)較大的5對(duì)挖孔樁的護(hù)壁厚度進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)算，樁體的基本情況見(jiàn)表2。

表2 竄孔風(fēng)險(xiǎn)較大的部分樁體的基本情況表Table 2 Data of partial plies with major risk of hole connection

由于每對(duì)樁體的樁徑不一定相同，因此需要將不同樁徑的樁先后按灌注樁和空樁進(jìn)行兩次設(shè)計(jì)驗(yàn)算，以便結(jié)合施工組織順序選擇更經(jīng)濟(jì)合理的設(shè)計(jì)方案。據(jù)式(18)按單節(jié)護(hù)壁高度1m對(duì)表2中的樁體護(hù)壁進(jìn)行設(shè)計(jì)，取臨界穩(wěn)定系數(shù)Kcr=1.0，計(jì)算過(guò)程及結(jié)果見(jiàn)表3。為節(jié)省篇幅，表3和表4分別列出兩種工況的計(jì)算結(jié)果。

表3 各空樁單節(jié)護(hù)壁厚度計(jì)算表 工況：73#(空樁)vs74#(灌注樁)Table 3 Calculated thickness of single-wall for each empty piles (working condition: 73#-empty pile versus 74#-injected pile)

表4 各空樁單節(jié)護(hù)壁厚度計(jì)算表 工況：58#(空樁)vs59#(灌注樁)Table 4 Calculated thickness of single-wall for each empty piles (working condition:58#-empty pile versus 59#-injected pile)

據(jù)表3可知，隨著計(jì)算深度的增加，護(hù)壁厚度逐漸增大，各種工況下均如此；計(jì)算深度相同時(shí)，樁間凈距越小，空樁所需的護(hù)壁厚度就越大。據(jù)表4可知，樁凈距僅0.377m，而護(hù)壁所需厚度最大達(dá)0.32m，這是不現(xiàn)實(shí)的。因此，這兩個(gè)樁孔應(yīng)避免同時(shí)開(kāi)挖，或采用鋼護(hù)壁來(lái)提高施工安全性。

3 結(jié)論

(1)在對(duì)樁間土穩(wěn)定性理論分析的基礎(chǔ)上，針對(duì)人工挖孔樁施工過(guò)程中的竄孔事故問(wèn)題，分別就灌注過(guò)程和樁間土失穩(wěn)后兩種工況進(jìn)行分析，結(jié)合彈性力學(xué)和樁基工程相關(guān)理論，提出了相應(yīng) 護(hù)壁設(shè)計(jì)方法。

(2)將存在竄孔風(fēng)險(xiǎn)的挖孔樁按為灌注樁和空樁兩種工況進(jìn)行護(hù)壁設(shè)計(jì)驗(yàn)算，使護(hù)壁的設(shè)計(jì)更具針對(duì)性，更接近工程實(shí)際。

(3)本文護(hù)壁設(shè)計(jì)方法的工程應(yīng)用分析，驗(yàn)證了其可行性及合理性。

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[附中文參考文獻(xiàn)]

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A Design Method for Protective Wall of Artificial-dug Pile Hole considering Effect of Hole Connection

PENG Bi-jian1,2

(1.ChinaUniversityofGeosciences(Beijing),Beijing100083;2.YunnanInstituteofGeologicalInvestigationandDesign,Kunming,Yunnan650041)

The protective wall of artificial-dug pile hole is very important for prevention of soil slumping and sliding in the process of hole digging. It is one of the main components in safeguarding personnel safety and project quality. For the design of such wall, mechanical analysis models are established according to two working conditions of pumping concrete and empty hole, respectively. Tensile strength and horizontal displacement are used as the controlling failure conditions for the wall. Combining the model of the soil stress between piles, a design method is proposed for the wall of hand-dug pile hole to prevent connection of holes. Application of this new design method to a real project shows its reasonability. Furthermore, suggestions on implementation based on the practical application effect are made. The study results would be of guidance significance to design and construction of protective walls of hand-dug pile holes.

pile foundation, hand-dug pile, hole connection, protective wall, design method

2015-01-27；

2015-12-22；[責(zé)任編輯]陳英富。

彭必建(1982年-)，男，高級(jí)工程師，在讀碩士研究生，主要從事水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察與設(shè)計(jì)研究工作。E-mail：104869283@qq.com。

P642.5

A

0495-5331(2016)02-0307-09

Peng Bi-jian. Design Method for Wall of Hand-Dug Pile Hole considering effect of holes channeling[J]. Geology and Exploration, 2016, 52(2):0307-0315