不同條件鉆孔灌注樁孔壁穩定性模擬分析

陳 爽

南水北調濟南市續建配套工程臥虎山水庫供水線路改造工程東風洞～孟家水庫段建成后供水規模為5萬m3/d，工程主要內容包括維修砧子山隧洞2.4 km、新建砧子山隧洞出口～興隆水庫管道2.33 km、新建興隆水庫～孟家水庫隧洞6.38 km。砧子山隧洞出口至興隆水庫（2+400-4+730）段屬山間凹地～山前平原地貌單元，地層主要為黃土狀粉質壤土夾碎石土，局部見奧陶系灰巖。此次改造混凝土灌注樁工程涉及鋼管架空段底部基礎處理，施工內容主要包括成孔、鋼筋制安、混凝土灌注等工作。工程鉆孔直徑為1.0 m，深度為3.2 m，混凝土等級為C25，工程施工中縮孔問題發生頻繁。對此，對不同條件鉆孔灌注樁孔壁穩定性進行模擬分析。

1 模型建立

鉆孔灌注樁孔壁穩定性分析采用有限元模擬軟件Plaxis 7.2，本構模型選擇摩爾-庫倫模型，分析黏性土和砂性土兩種飽和土體的孔壁穩定性。黏性土和砂性土分析時的強度參數分別采用總應力參數和有效應力參數。模擬過程中的泥漿作用，可通過在模型中施加靜水壓力達到。

模擬中鉆孔灌注樁孔壁穩定性的衡量指標選擇兩個，一是孔壁土體的塑性區半徑比，即塑性區與鉆孔的半徑之比；二是穩定性安全系數，通過有限元強度折減的方法得到。

在鉆孔灌注樁鉆孔施工過程中，孔壁土體應力狀態會發生改變，由原先的三向受力狀態變為雙向受力，孔壁側應力會發生卸荷。因此，孔壁側土體的變形應該屬于卸荷變形，分析過程中應綜合考慮應力卸荷路徑及其側向變形模量，黏性土和砂性土側向卸荷模量應力路徑影響系數分別取 100和 160。

2 不同條件對孔壁穩定性的影響

2.1 土體性質

土體性質對鉆孔灌注樁穩定性的判別指標為抗剪強度、孔壁最大塑性區半徑比以及穩定性安全系數。計算孔深L、孔半徑D、泥漿相對密度分別為20 m、0.5 m和1.1，結果見表1。

表1 土體性質對孔壁穩定性的計算結果

結合土體性質影響計算結果，得出：對于黏性土地質，鉆孔灌注樁孔壁土體的塑性區分布與孔深度呈正相關關系，孔深度越大，塑性區半徑也逐漸增加；隨著土體內摩擦角的增加，孔壁安全性系數會同步增加，但塑性區半徑會減小。對于砂性土地層，塑性區分布及其半徑大小與深度之間并沒很強的關聯，隨著內摩擦角的增大，塑性區半徑及其半徑比會逐漸較小，而安全系數會增大。

分析黏性土和砂土地質條件下孔壁變形量可知，變形量與塑性區分布模式結果基本相吻合，隨著深度的增加，黏性土孔壁變形量增加，而砂土地質孔壁變形量沒有太大的波動，基本維持在一個較小的變形量。綜合分析可以得出以下結論：

1）隨著鉆孔深度的增加，黏性土中土體的抗剪強度指標變化速率基本保持在較小的數值，而側壓系數、側向卸荷量較大，且土體不同方向的應力差值也非常大，致使黏性土孔壁卸荷變形量大，塑性區分布較廣。但黏性土孔壁土體變形受黏聚力的影響，應力狀態失衡之后很快達到新的平衡，使得穩定安全系數仍保持在一個相對安全的范圍。

2）與黏性土孔壁變形不同，隨著鉆孔深度的增加，砂性土中土體的抗剪強度指標變化速率較大，而側壓系數、側向卸荷量保持在一個較小的數值，且土體不同方向的應力差值小，致使砂性土孔壁卸荷變形量大，塑性區分布較廣。但砂性土孔壁土體塑性區形成之后，易發生破壞。綜合分析，在不同性質的土體中孔壁變形破壞存在差異，黏性土孔壁易出現縮徑，砂土中易出現塌孔。

2.2 孔半徑

在模擬孔半徑對鉆孔灌注樁孔壁穩定性影響時，固定孔深與泥漿相對密度數值，分別為20 m和1.1，黏性土黏聚力和內摩擦角分別為20 kPa、2°，砂土黏聚力和內摩擦角分別為 0 kPa、30°，孔徑參數設置0.3 m、0.5 m、0.7 m、0.9 m和1.1 m五組。計算得到，隨著孔徑的增加，黏性土最大塑性區半徑比為 8.7、7.8、6.7、5.9、5.6，穩定性安全系數分別為 1.587、1.398、1.294、1.184、1.114；砂性土最大塑性區半徑比為 0.7、0.8、0.7、0.8、0.8，穩定性安全 系數 分 別 為 1.767、1.650、1.463、1.366、1.298。結合孔壁縮徑量得到，隨著孔半徑的增加，黏性土孔壁土體塑性區半徑比擴大，穩定性降低，縮徑量增加；砂土孔壁穩定性受孔徑的影響較小，塑性區半徑比幾乎維持在一個相對穩定的數值。

2.3 孔深

在模擬孔深對鉆孔灌注樁孔壁穩定性影響時，固定孔半徑與泥漿相對密度數值，各參數取值同上。對于黏性土土體，在孔深10 m、20 m、30 m時的塑性區半徑比分別為2.0、4.2、7.2，安全系數分別為3.333、1.718、1.309。對于砂土土體，在孔深10 m、20 m、30 m時的塑性區半徑比分別為0.8、0.8、0.8，安全系數分別為 1.724、1.650、1.643。土體變形量，分析可知，黏性土土體卸荷量、塑性區半徑、側向變形量均與孔深成正相關關系，而孔壁的穩定性隨著孔深增加會降低；砂土地基鉆孔孔壁卸荷量也會隨著孔深增加而增加，但由于其自身內摩擦角大，使得抗剪強度也會同步增加，土體卸荷量、塑性區半徑、側向變形量不會受孔深影響程度不明顯，孔壁都容易發生塌孔。

2.4 泥漿相對密度

泥漿相對密度對控制孔壁穩定性有著重要意義，其可有效降低孔壁的側向卸荷量，并能提高側壓力、抑制局部坍孔，達到提高孔壁穩定性的目的。但增加泥漿相對密度會增加施工難度，并會對鉆孔灌注樁樁身承載能力產生影響。黏性土地基中，增加泥漿相對密度可在很大程度上控制塑性區半徑，提高孔壁穩定性；砂土地基中，塑性區的形成與泥漿側壓力、土體靜止側壓力有密切關系，當靜止側壓力超過泥漿側壓力時，孔壁土體會產生塑性區，穩定性下降，有出現塌孔可能，反之則可抑制塑性區形成，提高孔壁穩定性安全系數。

3 結語

縮徑是黏性土地基孔壁穩定性控制的主要問題，并且如地基土土質越松散、鉆孔越深、鉆孔半徑越大，鉆孔灌注樁孔壁的穩定性越差，鉆孔縮徑問題越嚴重，可通過提高泥漿相對密度加以控制。塌孔是砂土地基孔壁穩定性控制的主要問題，鉆孔打設過程中，孔壁土體會產生塑性區，易發生破壞，并且塑性區范圍會逐漸擴大，最終發生塌孔。砂土地基鉆孔灌注樁孔壁穩定性控制的關鍵在于有效控制泥漿相對密度，應確保土體靜止側壓力超過泥漿的側壓力。