摘要：在实际施工中，人工挖孔桩应用较广，特别是在一些机械设备难以进场的地段以及一些不宜使用机械钻孔的地段，特别是在云贵川等地势起伏较大的地区。现阶段对于挖孔桩的安全防护，通常采用C25或C30的钢筋混凝土护壁，对土体的力学性质及变形情况缺少理论分析。人工挖孔后，土体将产生径向变形，土体应力状态也将发生变化，本文利用土力学和材料力学的相关理论分析孔壁周围土体的应力状态，并以微单元土体为研究模型，对孔壁稳定性进行理论分析。
关键词：人工挖孔桩 应力状态 稳定性判别
人工挖孔灌注桩是采用人工挖掘成孔，然后安放钢筋笼，灌注混凝土成桩的一种桩基础。在含水量不大、地下水位较深的地质状况下均可使用人工挖孔成桩。其优点是：施工桩径大，设备简单，占用场地少，产生噪音小，几乎不污染环境（省去了泥浆池），与机器成孔相比，经济性较好。缺点是：人工挖孔后土体的稳定性难以准确判别，在不护壁或护壁不及时的情况下，易出现挖孔孔壁跨塌而无法施工，危及作业人员人生安全。尽管在部分地区，出于作业效率的考虑，没有采用任何护壁措施，也顺利的完成挖孔成桩，但是鉴于挖孔成桩的相关缺点，在不采用护壁措施施工时，应相当谨慎。本文将从土力学及材料力学的相关理论出发，探讨人工挖孔桩在无护壁措施的情况下，判别孔壁土体的稳定性。
1. 挖孔桩孔壁土体的应力状态
土体开挖成孔后出现临空面，土体有了变形的空间，由于应力局部释放，使土体发生卸荷而向孔内变形，原来平衡的初始应力状态必然要引起应力的重新分布，既二次应力场，该应力状态主要发生在洞周有限的范围内，在此范围以外的土体仍保持着初始应力状态。
根据普氏提出的自然平衡拱计算理论，在土体中开挖的的孔洞，其四周土体将形成一个受力拱圈，作用在护壁结构上的土体压力就是自然平衡拱以内的土体压力，受力简图如下：
图—1 开挖形成的自然平衡拱
自然平衡拱的尺寸由孔洞的深度h、直径r和土体的特征(c、)决定。其表达式为：
bt =r+2×r×tan(450-/2)； h¬¬h=bt/fm
土体竖向的自重应力为q=γh
土体水平的松动压力按郎肯公式计算为e=（q+0.5γh）tan2(450-φ¬0/2)
式中：h¬¬h—自然平衡拱高度；bt—自然平衡拱的宽度
fm—土体的坚固系数；fm=(σtanφ+c)/σ
φ¬0—土体的似内摩擦角；φ¬0=arctanfm
σ—土体剪破时的正应力；c—土体的粘聚力
φ—土体的内摩擦角；γ—土体重度（有水时为湿重度）
h—桩基深度
2.人工挖孔桩周边土体稳定性判断
取某一深度h处孔洞周边的微单元土体进行受力分析，因开挖成孔后，孔壁四周一定范围内径向不能再满足半无限体，所以该范围内径向不再受自重应力的侧向分力，其受力简图如下：
图—2 微单元土体的受力简图
图中：FN——单元土体所受到的压力（kN/m）, FN=γh+q，q为外荷载kN/m；由于是微元体可认为上下面的土压力相等；
e—按普氏理论计算的土体松动压力；
F1——单元土体受到的水平压力（kN/m），F1=k0(γh+q)；K0 侧压力系数取0.5；
FN将在面ABCD,ABFG,CDEH,EFGH产生x方向的摩擦力f，见图—3
图—3 摩擦力简图
图中：f1——由侧向压力（径向侧压力为0）引起的摩擦力（kN/m）；f1=F1μ=F1tan j
fn——由竖向压力引起的摩擦力（kN/m）；fn=Fnμ=Fntan j
由计算图示可知判断原则：当四面的最大摩擦力总和大于破坏力e时，土体不会破坏，孔壁不会塌陷，反之则塌陷。即
2×(f1+ fn )>e 安全
2×(f1+ fn )=e 极限状态
2×(f1+ fn )<e 破坏
3.上述理论在工程实际中的应用
哈尔滨至大连高速铁路项目中运粮河特大桥（80+100+80）m连续梁跨越既有铁路，连续梁中墩承台面积大（18.6m×14.6m），深度深（4.5m），靠近既有铁路侧无法放坡开挖，为避免承台基坑开挖时铁路侧出现坍塌，设计要求沿承台外围（铁路侧）施工防护桩基，采用人工挖孔桩，桩基设计直径1.2m，最大桩长18.5m。
桩基范围内地质情况为：上部为黏质黄土、深度为8m、σ0=125kPa，土的内摩擦角j =24.1°，土的重度γ=18 .8 KN /m3，粘聚力C=26Kpa。；下部为粉质粘土，深度为30.3m,σ0=140kPa，土的内摩擦角=24.0°，土的重度
γ=19 .4 KN/m3，粘聚力C=34kpa。桩基深度范围为无地下水。
表1 人工挖孔桩孔壁土体应力及稳定性判别
由以上结论计算可知，该土质范围内的人工挖孔桩在整个桩体范围内，孔壁土体是稳定的，不会发生塌陷。该处人工挖孔桩在实际施工中，多数桩基采用直径1.2米的钢管分节防护。个别桩基由于地形限制，未采用任何防护，通过勤观测慢进尺的成孔方式，最终顺利完成，成孔期间无任何塌孔现象。说明该理论与实际一致，在今后的施工中可为护壁的厚度作理论参考。
4.结论
人工挖孔桩孔壁的稳定性是决定该种施工方法是否可行的关键因素。对其孔壁稳定性的判断可用普氏理论计算其应力状态然后用微单元体的受力状况来分析其稳定性。
参考文献：
[1] 华南理工大学等合编．地基及基础[M]．北京；中国建筑工业出版社，1998：307—311．
[2] 卢廷浩：《土力学》，河海大学出版社，2002年1月
论文作者:覃雍容1,陈美坤2
论文发表刊物:《基层建设》2019年第23期
论文发表时间:2019/11/15
标签：应力论文; 挖孔论文; 桩基论文; 稳定性论文; 压力论文; 范围内论文; 理论论文; 《基层建设》2019年第23期论文;