胡瑞豐，鄭學元

（中土大地國際建筑設計有限公司，河北 石家莊 050022）

0 引 言

長螺旋鉆孔泵壓素混凝土樁（CFG樁）因其具有施工速度快、工期短、質(zhì)量容易控制、工程造價低廉等特點，目前已成為北方地區(qū)應用最普遍的地基處理技術之一。但是隨著 CFG樁的大面積推廣應用，工程施工中出現(xiàn)的質(zhì)量問題也越來越多，尤其在軟土地區(qū)，CFG樁施工過程中常會出現(xiàn)串孔、縮頸、斷樁等嚴重影響成樁質(zhì)量的問題，很大程度上限制了這一技術在軟土地區(qū)的進一步推廣應用。

大量工程實踐表明，CFG樁施工過程中產(chǎn)生的串孔、縮頸、斷樁等一系列工程質(zhì)量問題多出現(xiàn)在含有深厚軟弱土層，且土體含水量較大的地區(qū)。閆明禮等[1]對 CFG樁在含深厚軟弱土層地區(qū)應用中較易出現(xiàn)的質(zhì)量問題以及處理方法進行了詳細闡述；趙秀紹[2]針對鄭州地區(qū) CFG樁施工引起的工程環(huán)境問題進行了試驗研究，提出了一些針對性的改進措施；文獻[3-6]針對長螺旋鉆孔泵壓 CFG樁在深厚軟弱土層中的應用進行了深入探討，提出了控制成樁質(zhì)量的具體措施。本文針對滄州河間某項目 CFG樁施工中出現(xiàn)的串孔問題進行理論分析，采用ABAQUS軟件進行數(shù)值模擬，找出引起串孔現(xiàn)象的內(nèi)在原因，將模擬結果與施工參數(shù)進行對比，得出的結論對工程實踐具有一定的指導意義。

1 項目概況

滄州河間某項目位于河間市西北部，長卿街與勝利路交叉口。據(jù)勘察報告，場地地貌單元位于永定河、大清河、子牙河、南運河、宣惠河等“黑龍港流域”形成的沖擊、沼澤相沉積平原的東部。樁長范圍內(nèi)土層分布主要有粉質(zhì)黏土、粉土、粉質(zhì)黏土夾粉土層。場地水位埋深位于地面下10 m左右，水位較高。樁頂標高約為地面下5 m。

樁長范圍內(nèi)地層情況如表1所示。

表1 樁長范圍內(nèi)地層情況統(tǒng)計表Table 1 Statistical table of ground conditions within the range of pile length

項目包含 17棟住宅樓及地下車庫，住宅樓均采用CFG樁復合地基，出現(xiàn)串孔現(xiàn)象的6號樓樁設計參數(shù)如表2所示。

表2 6號樓CFG樁設計參數(shù)Table 2 Design parameters of CFG pile in building 6

2 施工中存在的問題

該項目首先進行6號樓的CFG樁施工，施工過程中部分樁混凝土面出現(xiàn)下沉現(xiàn)象。如圖1所示，43號樁施工完成后，接著施工44～50號樁，鉆機折返施工51～59號樁，在52號樁成孔完成開始灌注時，發(fā)現(xiàn) 43號樁混凝土面有下沉現(xiàn)象，初步判斷43號樁和52號樁之間出現(xiàn)串孔情況，隨即采取措施：正在施工中的 52號樁鉆桿停止提升，在原位繼續(xù)灌注，試圖利用 52號樁孔內(nèi)混凝土壓力將43號樁混凝土面向上抬升。繼續(xù)灌注后通過測量發(fā)現(xiàn)43號樁孔內(nèi)混凝土面有一定抬升，但仍未達到設計樁頂標高，此時52號孔由于鉆桿埋深過大，已無法繼續(xù)灌注，經(jīng)與建設單位及監(jiān)理單位現(xiàn)場協(xié)商后繼續(xù)施工，待開槽后對43號樁視情況做后續(xù)處理。

從圖1可以看出，樁身混凝土已部分凝固，中間混凝土下沉，下沉深度為30 cm。后根據(jù)設計單位處理意見，將上部樁體鑿除進行補樁處理，處理后經(jīng)載荷試驗，樁體承載力滿足設計要求。

圖1 CFG樁施工順序及43號樁樁頂混凝土面下沉Fig. 1 Construction sequence of CFG pile and concrete surface sinking at the top of pile 43

后續(xù)施工中為保證成樁質(zhì)量，采用隔樁跳打，避免了類似情況的再次出現(xiàn)，開槽后發(fā)現(xiàn)成樁效果較好。

3 基于 ABAQUS的樁周土體孔壓變化分析

針對上述情況，采用 ABAQUS軟件對成樁過程中樁周土體的孔隙水壓力變化進行有限元分析，找出成樁過程中引起串孔現(xiàn)象的內(nèi)部作用機理，為后續(xù)工程采取規(guī)避措施提供可靠依據(jù)。

（1）計算所采用的本構模型及參數(shù)選取

ABAQUS提供了一系列用于模擬巖土體的本構模型，如彈性模型中的線彈性模型、多孔介質(zhì)彈性模型和線黏彈性模型，塑性模型中的Mohr-Coulomb模型、擴展的Drucker-Prager模型、修正Drucker-Prager帽蓋模型和臨界狀態(tài)塑性模型（Critical state plasticity model），即修正劍橋模型[7]。

根據(jù)現(xiàn)場情況，考慮本工程施工過程中出現(xiàn)的樁頂混凝土面下沉現(xiàn)象是由串孔引起的，結合勘察報告中的地層描述，以及出現(xiàn)串孔現(xiàn)象時 52號樁內(nèi)鉆桿位置等信息，綜合判斷串孔現(xiàn)象可能出現(xiàn)的位置位于樁身范圍內(nèi)地下水位以下飽和粉土層。對本工程樁周土體的孔隙水壓力變化情況進行數(shù)值模擬，采用線彈性模型較為準確，參數(shù)選取也較為簡單。

根據(jù)勘察報告，出現(xiàn)串孔的土層深度約為地面下15 m，該層土天然含水量最大值41.6%，最小值為16.9%，平均值28%，接近液限，土質(zhì)不均勻，屬高壓縮性土。該層土厚約2 m，重度為19.2 kN/m3，壓縮模量為4.39 MPa，黏聚力為16.8 kPa，內(nèi)摩擦角為11.6°，滲透系數(shù)根據(jù)經(jīng)驗取值10-8m/s，泊松比為0.3[8-10]。

（2）基于 ABAQUS的樁周土體孔壓變化規(guī)律分析

對52號樁和43號樁中間區(qū)域（深度為地面下15 m）選取部分土體進行ABAQUS數(shù)值模擬，建立三維模型，尺寸根據(jù)設計圖紙確定為 1.0 m×0.8 m×0.1 m，如圖2所示。

圖2 模型尺寸Fig. 2 Model size

對該模型進行網(wǎng)格劃分，共劃分為1 000個單元，見圖 3。因需要對施工過程中土體內(nèi)孔壓變化以及固結沉降進行分析，因此分析過程定義兩個瞬態(tài)固結分析步。第一個分析步中施加荷載，所有荷載都為瞬時施加；第二個分析步為成孔過程中鉆桿對土體切削擠壓作用對土體孔隙水壓力變化的影響。

圖3 模型網(wǎng)格劃分Fig. 3 Model meshing

成孔完成后灌注混凝土之前，孔周土體存在臨空面，因此需在第二個分析步將 52號樁孔周土體邊界條件設為排水。

對模擬結果進行分析，孔隙壓力變化云圖如圖4和圖5所示，圖4為成孔初期荷載施加瞬間樁周土體孔壓變化云圖，圖5為成孔完成后樁周土體內(nèi)孔隙壓力云圖，從圖中可以看出，樁成孔初期靠近新成孔的樁周土體孔壓升高最為明顯，隨著時間推移，新成孔逐漸完成，孔周形成臨空面，最大孔壓逐漸向已成孔靠近，成孔完成后樁間土體內(nèi)孔隙水壓力均有明顯提高，最大值達到211.6 kPa，已明顯超過上覆土重，土體強度降低。

圖4 荷載施加瞬間樁間土孔隙壓力變化云圖Fig. 4 Cloud map of soil pore pressure loading between piles at the moment of loading

圖5 樁成孔完成后樁間土體孔隙壓力變化云圖Fig. 5 Cloud map of pore pressure between piles after pile pore completed

圖6為孔隙壓力在分析區(qū)域內(nèi)橫向變化規(guī)律，從圖中可以看出，鄰近 52號樁位置孔壓變化最為明顯，變化幅度也最大，在成孔初期孔壓最大值達到297 kPa，已大大超過上覆土重，隨著位置向43號樁靠近，孔壓變化幅度越來越小，但最大孔壓值也都超過了該位置的上覆土重，致使土體強度降低，在圍壓作用下樁周土體容易向新成孔內(nèi)流動，形成串孔。

圖6 孔隙壓力橫向變化規(guī)律Fig. 6 Lateral variation of pore pressure

成孔過程中孔隙壓力先上升后下降的變化趨勢與文獻[2]描述的孔隙壓力在樁施工期間均呈現(xiàn)下降趨勢的現(xiàn)場試驗結果有明顯差異。分析認為造成這種現(xiàn)象的原因是由于文獻[2]采用的孔壓計量程偏大，數(shù)據(jù)讀取的精度有限，而通過數(shù)值模擬可見最大孔壓出現(xiàn)的時間較短，試驗過程中有些數(shù)據(jù)可能會出現(xiàn)漏讀等情況，從而造成試驗結果和模擬結果的差異。

圖7為分析區(qū)域中心點孔壓變化以及有效應力變化趨勢，土體孔隙壓力在成孔過程中有先上升后下降的趨勢，同時隨著孔隙壓力降低，有效應力逐步升高，造成土體固結沉降，而這種固結沉降不能在短時間內(nèi)完成，這也解釋了為什么部分工程在CFG樁施工完成一段時間后才發(fā)現(xiàn)周邊地表沉降及裂縫，施工過程中卻沒有明顯變化。

圖7 中心點孔隙壓力和有效應力變化規(guī)律Fig. 7 Variation of pore pressure and effective stressat the central point

43號孔所呈現(xiàn)的樁體混凝土中心下沉周邊凝固現(xiàn)象說明52號樁是在43號樁施工完成一段時間以后再進行施工的，說明樁體混凝土未完成初凝之前，相鄰樁施工仍會對已成樁造成影響。

（3）基于ABAQUS的樁周土體位移分析

長螺旋施工過程中常會出現(xiàn)螺旋葉片之間的孔隙沒有被土體充滿的情況，如圖8所示。

圖8 樁間土擬分析區(qū)域示意圖Fig. 8 Schematic diagram of analytical area between piles

施工中這種沒有充滿土的空間正好對樁周土體形成臨空面，為樁周土體向孔內(nèi)移動創(chuàng)造有利條件。利用 ABAQUS對該部分土體位移進行分析，模型尺寸見圖9。

圖9 樁間土擬分析區(qū)域模型尺寸Fig. 9 Model size of analytical soil between piles

由于分析過程中土體可能會出現(xiàn)大變形的情況，巖土材料模型采用Mohr-Coulomb模型，其中剪脹角和絕對塑性應變均取 0，其余土體參數(shù)和鉆孔深度不變，樁周土體的位移云圖如圖10所示。

圖10 樁周土體位移云圖Fig. 10 Cloud map of soil displacement around the pile

模擬結果顯示在土體自重荷載以及圍壓作用下，樁周土體通過螺旋葉片中間的臨空面向新成孔內(nèi)位移量達到9.3 mm，這其中部分土體會被旋轉(zhuǎn)的葉片帶出鉆孔，造成鉆孔過程中的過量取土。

樁周土體位移量的大小與土體參數(shù)有很大的關系，表2列出了土的黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ對位移的影響。

表2 不同c、φ值對應的樁間土水平位移量Table 2 Horizontal displacement of soil between piles corresponding to different values of c and φ mm

從表2數(shù)據(jù)可以看出，不同土體強度所對應的位移量變化較大，尤其對處于軟塑或流動狀態(tài)的軟土，臨空面的存在會造成樁周土大量流向樁孔內(nèi)并隨鉆桿葉片帶出地面，造成兩樁中間土體部分缺失，土體強度進一步降低。這也是造成串孔的主要原因。

不論對于何種土質(zhì)條件，長螺旋成孔過程對樁周土體位移的影響是普遍存在的，只是這種影響會隨著土體強度的降低而更加明顯，因此軟土地區(qū)長螺旋施工必須采取有效措施保證成樁質(zhì)量。

此外，樁間土體的位移也會隨著鉆孔深度的增加而變化，表3為樁間土位移量隨深度變化的數(shù)值模擬結果。

表3 不同鉆孔深度樁周土體水平位移量Table 3 Horizontal displacement of soil around piles with different drilling depths

由表3可見成孔過程中土體的橫向位移量隨鉆孔深度而逐漸增大。這也解釋了工程實踐中大量串孔的發(fā)生是在距離地面一定深度處的軟弱土層，而不是埋藏較淺的土層。

由于鉆桿葉片中間臨空面的存在為土體位移創(chuàng)造了必要條件，因此合理減小葉片螺距，使鉆出土充滿葉片之間區(qū)域，同時適當增加鉆進和提鉆速度，能有效降低樁周土體位移趨勢。

施工過程中出現(xiàn)串孔現(xiàn)象以后，經(jīng)初步分析認為引起串孔現(xiàn)象的原因可能是由于樁距較小，樁長范圍內(nèi)存在軟弱土層等，因此采取隔樁跳打的措施，后期又出現(xiàn)過一次類似現(xiàn)象，由于發(fā)現(xiàn)及時，采取鄰近樁回灌等措施，未出現(xiàn)樁體質(zhì)量缺陷，經(jīng)檢測樁基承載力和樁身完整性都符合設計要求。其余樓棟 CFG樁施工均采用隔樁跳打方式，未出現(xiàn)串孔及樁頂混凝土下沉現(xiàn)象。

4 結 論

軟土地區(qū) CFG樁施工過程中較易出現(xiàn)串孔現(xiàn)象，通常會造成已施工樁混凝土面下沉，出現(xiàn)樁身質(zhì)量問題。通過ABAQUS數(shù)值模擬軟件對施工期間樁間土體孔隙水壓力變化以及成孔過程對樁周土體的位移變形等影響進行模擬分析，發(fā)現(xiàn)成孔過程會造成樁周土體孔壓明顯升高，雖然持續(xù)時間很短，但足以使土體強度降低，同時成孔過程中臨空面的存在造成樁周土體產(chǎn)生向新成孔內(nèi)的位移變形，造成土體強度進一步降低并引發(fā)串孔。實踐證明，增大樁間距，隔樁隔排跳打能減少串孔現(xiàn)象的發(fā)生。