陳維超，楊偉軍

(1.湖南建工集團(tuán)有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410004； 2.長(zhǎng)沙理工大學(xué))

鉆孔樁因具有承載力大、穩(wěn)定性高、能協(xié)調(diào)不均勻沉降的特點(diǎn)，已在建筑工程、鐵路與公路、市政橋梁、港口碼頭以及大型構(gòu)筑物等工程中得到了廣泛的應(yīng)用。鉆孔樁成孔過程中改變了土體的初始平衡應(yīng)力狀態(tài)，由于砂性土黏聚力低，如采用的技術(shù)或措施不當(dāng)，易導(dǎo)致孔壁縮徑、塌孔等質(zhì)量問題。關(guān)于鉆孔樁孔壁穩(wěn)定性問題，可通過孔壁土體應(yīng)力數(shù)學(xué)模型分析孔壁土體的應(yīng)力狀況，研究土體物理性能、護(hù)壁泥漿、地下水埋深等因素對(duì)孔壁穩(wěn)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(wěn)定性?；蛞詮椥岳碚摓榛A(chǔ)，采用莫爾-庫侖屈服準(zhǔn)則，建立孔壁穩(wěn)定性計(jì)算式來分析孔壁穩(wěn)定性的條件。由于成孔后的卸荷效應(yīng)，孔壁在土體側(cè)向力及有效豎向應(yīng)力的作用下，產(chǎn)生的塑性區(qū)將導(dǎo)致樁孔的縮徑或孔壁的坍塌，砂土地區(qū)孔壁穩(wěn)定性問題主要表現(xiàn)為孔壁坍塌問題。在孔壁穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方面，張嘉鑫采用模糊數(shù)學(xué)理論中的綜合評(píng)價(jià)方法，構(gòu)建鉆孔樁孔壁坍塌的模糊綜合評(píng)價(jià)模型;謝翔基于統(tǒng)一強(qiáng)度理論對(duì)孔壁穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。

砂土地區(qū)鉆孔樁孔壁穩(wěn)定性受地質(zhì)情況、護(hù)壁泥漿、地下水、施工工藝等因素的綜合影響，該文結(jié)合工程實(shí)踐，采用有限元數(shù)值模擬分析對(duì)砂土地區(qū)鉆孔樁孔壁穩(wěn)定性影響因素及機(jī)理進(jìn)行分析，并建立砂土地區(qū)鉆孔樁孔壁穩(wěn)定性評(píng)價(jià)模型與評(píng)價(jià)方法，可為砂土地區(qū)鉆孔樁的施工提供一定的參考。

1 孔壁穩(wěn)定性分析模型

采用Plaxis巖土工程數(shù)值分析軟件，分析土質(zhì)情況、泥漿密度、樁深、樁徑、地下水位以及鋼護(hù)筒埋置深度等因素對(duì)孔壁穩(wěn)定性的影響特性。因樁孔符合軸對(duì)稱模型條件，分析模型建立時(shí)，采用Mohr-Coulomb理想彈塑性本構(gòu)關(guān)系及二維軸對(duì)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(hù)壁泥漿等效成靜水壓力模擬作用在孔壁上。分析模型及網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 分析模型及網(wǎng)格劃分圖

假設(shè)砂土為勻質(zhì)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(nèi)變形為側(cè)向卸荷變形，其側(cè)向卸荷變形模量應(yīng)考慮應(yīng)力路徑的影響，即：

(1)

2 孔壁穩(wěn)定性影響機(jī)理分析

2.1 內(nèi)摩擦角對(duì)孔壁穩(wěn)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(biāo)高為+5 m，護(hù)壁泥漿相對(duì)密度Gm=1.05，砂土內(nèi)摩擦角φ為20°、25°、30°、35°、40°時(shí)對(duì)孔壁穩(wěn)定性的影響如圖2所示。

圖2 不同土質(zhì)孔壁橫向位移與孔深的關(guān)系

由圖2可以看出：土體內(nèi)摩擦角越大越有利于孔口的穩(wěn)定，內(nèi)摩擦角φ為20°、25°、30°、35°、40°時(shí)，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(biāo)高時(shí)，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(dá)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(shè)計(jì)孔深時(shí)孔壁橫向位移迅速減小。

圖3 孔壁最大橫向位移與內(nèi)摩擦角的關(guān)系

由圖3可知：在其他條件相同時(shí)，孔壁最大橫向位移與土體內(nèi)摩擦角呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，其關(guān)系式為：

(2)

式中：y(φ)為砂土內(nèi)摩擦角φ的函數(shù)(mm)。

上述結(jié)果表明：砂土地區(qū)同一深度鉆孔樁孔壁橫向位移隨土體內(nèi)摩擦角的增大而減少，這是因?yàn)殡S著砂土的內(nèi)摩擦角增大，砂土的抗剪強(qiáng)度也增大，越有利于孔壁的穩(wěn)定；當(dāng)內(nèi)摩擦角φ大于35°時(shí)，進(jìn)一步增大砂土的內(nèi)摩擦角對(duì)提高土體穩(wěn)定性的幅度有限。

2.2 孔徑對(duì)孔壁穩(wěn)定性的影響特性

鉆孔樁孔深L為60 m，地下水位標(biāo)高為+0 m，護(hù)壁泥漿相對(duì)密度Gm=1.05，砂土內(nèi)摩擦角φ為30°，孔徑D為1 000、1 600、2 000、2 600、3 000 mm時(shí)對(duì)孔壁穩(wěn)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(guān)系

圖5 孔壁最大橫向位移與孔徑的關(guān)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(shù)函數(shù)關(guān)系，其關(guān)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(shù)(mm)。

根據(jù)分析結(jié)果及式(3)可知：減小鉆孔直徑，有利于孔壁的穩(wěn)定；當(dāng)孔徑小于3 m時(shí)，鉆孔樁的孔壁最大橫向位移隨孔徑增大而增大；當(dāng)孔徑大于3 m時(shí)，孔壁最大橫向位移計(jì)算值趨于穩(wěn)定，這是因?yàn)殂@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(yīng)減弱，護(hù)壁泥漿側(cè)向力不足以抵抗土體卸載所形成的側(cè)向力而導(dǎo)致失穩(wěn)，在理論計(jì)算模型中以孔壁橫向位移的變形來體現(xiàn)，在實(shí)踐工程中則表現(xiàn)為坍塌現(xiàn)象。建議在砂土地區(qū)中鉆孔樁直徑不宜大于3 m，其原因?yàn)椋孩?在砂土地區(qū)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(cè)摩阻承載力提高有限，對(duì)于大噸位設(shè)計(jì)荷載，建議采用群樁基礎(chǔ)。

2.3 鉆孔深度對(duì)孔壁穩(wěn)定性的影響特性

砂土內(nèi)摩擦角φ為30°，地下水位標(biāo)高為+0 m，護(hù)壁泥漿相對(duì)密度Gm=1.05，鉆孔深度L為40、60、80、100、120 m對(duì)孔壁穩(wěn)定性的影響如圖6、7所示。

圖6 孔深對(duì)孔壁橫向位移的影響

圖7 孔壁橫向位移與孔深擬合關(guān)系式

由圖6、7可以看出：鉆孔深度為40、60、80、100、120 m時(shí)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(fā)生在距孔底約2 m處；鉆孔深度為120 m時(shí)，孔壁橫向最大位移發(fā)生在距孔底約5 m處。

在其他條件相同時(shí)，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(guān)系，這是因?yàn)殡S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(nèi)摩擦角，土體的致塌應(yīng)力與孔深呈線性關(guān)系。

2.4 地下水位對(duì)孔壁穩(wěn)定性的影響特性

砂土內(nèi)摩擦角φ為30°，鉆孔深度L為80 m，護(hù)壁泥漿相對(duì)密度為Gm=1.05，地下水位埋置深度h為0、10、20、30、40 m對(duì)孔壁穩(wěn)定性的影響見圖8。

圖8 地下水埋深對(duì)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(fā)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(duì)孔壁穩(wěn)定性的影響較少。

2.5 泥漿對(duì)孔壁穩(wěn)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(biāo)高為+5 m，土體的內(nèi)摩擦角為φ=30°，護(hù)壁泥漿相對(duì)密度Gm=1.05、1.10、1.15、1.20、1.25對(duì)孔壁穩(wěn)定性的影響如圖9所示。

圖9 泥漿相對(duì)密度對(duì)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(dá)到最大值，地下水位至孔底區(qū)段孔壁橫向位移與鉆孔深度基本呈線性關(guān)系。提高泥漿的密度，孔壁橫向位移整體上呈減小的趨勢(shì)，有利于孔壁的穩(wěn)定性，但對(duì)減小孔壁位移的幅度有限。在工程實(shí)踐應(yīng)用中，如果采用高密度的泥漿來增加孔壁的穩(wěn)定性，則泥漿將會(huì)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(yīng)配置優(yōu)質(zhì)的泥漿，在確?？妆诜€(wěn)定的前提下，盡量減小泥皮效應(yīng)對(duì)基樁承載力的影響，根據(jù)以上分析結(jié)果，建議砂土地區(qū)鉆孔樁護(hù)壁泥漿的相對(duì)密度取1.15～1.20。

2.6 鋼護(hù)筒對(duì)孔壁穩(wěn)定性的影響特性

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

圖10 鋼護(hù)筒對(duì)孔壁橫向位移的影響

由圖10可以看出：孔口處采用鋼護(hù)筒支護(hù)，由于鋼護(hù)筒具有較大的剛度和強(qiáng)度，孔壁橫向位移為零，能夠直接消除孔壁坍塌的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于易坍塌的地層，可采用鋼護(hù)筒全孔支護(hù)以確保成孔的質(zhì)量。由于孔口位置處土體受力復(fù)雜，為防止孔口塌孔，通常在孔口位置設(shè)置鋼護(hù)筒進(jìn)行支護(hù)，以確保施工機(jī)具、人員的安全。

3 鉆孔樁孔壁穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法

3.1 孔壁穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)因素

影響鉆孔樁孔壁穩(wěn)定性有定量化和非定量化因素，包括土質(zhì)、土層結(jié)構(gòu)、鉆孔深度、鉆孔直徑、護(hù)壁泥漿密度、地下水位、鋼護(hù)筒埋深等，這些構(gòu)成了砂土地區(qū)鉆孔樁壁穩(wěn)定性的因素空間。該文采用灰色系統(tǒng)理論，對(duì)影響孔壁穩(wěn)定性因素進(jìn)行灰色分析，建立鉆孔樁孔壁穩(wěn)定性評(píng)價(jià)模型及評(píng)價(jià)方法。在確定評(píng)價(jià)指標(biāo)體系時(shí)采取專家經(jīng)驗(yàn)法以及評(píng)價(jià)指標(biāo)。評(píng)價(jià)指標(biāo)按以下原則確定：評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)評(píng)價(jià)目標(biāo)是充分與必要的；評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的要素?cái)?shù)據(jù)可以從當(dāng)前工作階段獲得；評(píng)價(jià)指標(biāo)之間相互獨(dú)立，并應(yīng)著重考慮重要的控制因素。砂土地區(qū)鉆孔樁孔壁穩(wěn)定性影響因素如下：砂土土質(zhì)x1、土層結(jié)構(gòu)x2、鉆孔深度x3、鉆孔直徑x4、泥漿密度x5、地下水位x6、鋼護(hù)筒埋深x7、施工工藝x8。

3.2 變權(quán)集的確定及綜合評(píng)價(jià)模型

評(píng)價(jià)模型的精度與因素權(quán)重的確定有著重要的關(guān)系，在實(shí)際工程中，評(píng)價(jià)因素的重要性一般采用常權(quán)的方法來反映，而對(duì)于變權(quán)的方法，在可變的權(quán)重中，需要考慮各評(píng)價(jià)因素的相對(duì)重要性，同時(shí)也要考慮它們的組態(tài)，因此，采用變權(quán)法更能符合工程的實(shí)際情況。

3.2.1 因素常權(quán)的確定

利用灰色關(guān)聯(lián)法確定因素常權(quán)，對(duì)非定量因素進(jìn)行定量分析。

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

則wi(k)與w0(k)的關(guān)聯(lián)系數(shù)：

ηi(k)=

(4)

取ξ=0.5，各因素的關(guān)聯(lián)度按下式計(jì)算：

(5)

采用歸一化處理其關(guān)聯(lián)度，可得到因素的權(quán)重集。

3.2.2 變權(quán)集的確定

根據(jù)3.2.1節(jié)的計(jì)算，常權(quán)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(quán)向量與狀態(tài)變權(quán)向量的Hardarmard積得到變權(quán)向量：

(6)

(7)

因素的變權(quán)集可表示為：

(8)

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，取b=0.5為宜。

3.2.3 評(píng)價(jià)關(guān)系矩陣及綜合評(píng)價(jià)模型

指標(biāo)因素為n個(gè)，評(píng)估對(duì)象為m個(gè)，評(píng)估對(duì)象的各指標(biāo)作單因素進(jìn)行評(píng)價(jià)，其評(píng)價(jià)關(guān)系矩陣為：

(9)

在工程實(shí)際應(yīng)用中，可采用專家評(píng)分的方法來確定m個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象的評(píng)價(jià)關(guān)系矩陣，其指標(biāo)計(jì)分應(yīng)遵循以下規(guī)則：以100分制進(jìn)行打分；指標(biāo)集中的某一因素評(píng)價(jià)的平均值計(jì)為l；低于l的某一評(píng)價(jià)因素平均值計(jì)為A；高于l的某一評(píng)價(jià)因素平均值計(jì)為B。則每位專家對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)因素及某一因素平均的估計(jì)值為：

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

(10)

式(10)的評(píng)價(jià)值去除了評(píng)價(jià)的最大值、最小值和異常的數(shù)值，同時(shí)也重視了專家評(píng)價(jià)的平均值，較為符合實(shí)際，可得wij=Wij/100。

對(duì)單個(gè)對(duì)象進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)模型為：

(11)

對(duì)m個(gè)對(duì)象進(jìn)行評(píng)價(jià)，其評(píng)價(jià)模型為：

(12)

3.3 工程應(yīng)用

加蓬共和國的奧果韋河特大橋，其地質(zhì)為厚砂土層，采用超長(zhǎng)鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)為60～90 m，直徑為1 600、1 800 mm，選取5根基樁進(jìn)行試樁，對(duì)試樁的孔壁穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià),并對(duì)試樁的成孔質(zhì)量進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。邀請(qǐng)科研院校、建設(shè)單位、設(shè)計(jì)單位、施工單位和監(jiān)理單位的5位專家對(duì)權(quán)重和因素進(jìn)行咨詢?cè)u(píng)價(jià)，得到各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的評(píng)價(jià)信息如表1所示。并依據(jù)各專家對(duì)鉆孔樁孔壁穩(wěn)定性影響因素的評(píng)價(jià)，采用式(10)可得到鉆孔樁孔壁穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)信息，結(jié)果見表2。

表1 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的評(píng)價(jià)信息

表2 評(píng)價(jià)指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)信息

從表1可以看出：其最大權(quán)重為0.30，設(shè)定參考數(shù)列w0=(0.3,0.3,0.3,0.3,0.3,0.3,0.3,0.3)，將參考數(shù)列及表1代入式(4)、(5)得到評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重見表3所示。

表3 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重計(jì)算值

根據(jù)3.2節(jié)及表2數(shù)據(jù)得到指標(biāo)評(píng)價(jià)矩陣：

將各數(shù)據(jù)代入式(6)～(12)，得到5根基樁孔壁的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果B=(0.870，0.846，0.852，0.840，0.842)，從上述評(píng)價(jià)結(jié)果可以看出，各基樁孔壁的穩(wěn)定性ZK1(0.870)>ZK3(0.852)>ZK2(0.846)>ZK5(0.842)>ZK4(0.840)。根據(jù)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果，可以相對(duì)地反映各因素對(duì)鉆孔樁孔壁穩(wěn)定性的影響程度以及各鉆孔樁孔壁的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

(1) 砂土的內(nèi)摩擦角愈大，其抗剪強(qiáng)度愈高，孔壁越穩(wěn)定，當(dāng)內(nèi)摩擦角達(dá)到35°后，再一步增大內(nèi)摩擦角對(duì)提高土體的穩(wěn)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(yīng)減弱，孔壁越不穩(wěn)定；但地下水位的埋深對(duì)孔壁穩(wěn)定性影響較小。

(2) 砂土鉆孔樁孔壁的穩(wěn)定性隨護(hù)壁泥漿的密度增大而提高，但提高的幅度有限，在確?？妆诜€(wěn)定的前提下，應(yīng)盡量減小泥皮效應(yīng)對(duì)基樁承載力的影響，建議砂土地區(qū)鉆孔樁護(hù)壁泥漿的相對(duì)密度宜取1.15～1.20。對(duì)于坍塌風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，可采用鋼護(hù)筒支護(hù)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(nèi)摩擦角以及孔徑呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，孔壁橫向位移與鉆孔深度呈線性函數(shù)，隨孔深增加而增大。

(4) 綜合考慮了砂土地區(qū)鉆孔樁孔壁穩(wěn)定性指標(biāo)因素組合對(duì)權(quán)重的影響，構(gòu)建了孔壁穩(wěn)定性的灰色變權(quán)綜合評(píng)價(jià)模型及評(píng)價(jià)方法，滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐工程的需要。