张争辉
珠海大横琴投资有限公司 519000
摘要：采用有限元数值模拟与有限元强度折减法，研究土体性质、泥浆相对密度、孔深、孔半径等因素对钻孔灌注桩孔壁稳定性的影响。研究结果表明：(1)黏性土地基中孔壁稳定性问题主要是缩径问题，土质越差、孔半径越大或孔越深，缩径量越大，提高泥浆相对密度能有效地减小缩径量；(2)砂土地基中孔壁稳定性问题主要是坍孔问题，孔壁土体产生一定的塑性区后，很容易发生破坏，同时这种破坏会向四周蔓延扩散，最终形成坍孔。影响砂土地基孔壁稳定性的主要因素是泥浆相对密度，为保证孔壁稳定，砂土地基中最小泥浆相对密度应使得泥浆侧压力不小于土体静止侧压力。研究成果可为软土地基中钻孔灌注桩设计与施工提供参考。
关键词：桩基工程；钻孔灌注桩；孔壁稳定性；
由于钻孔灌注桩能穿越各种复杂地层和形成较大的单桩承载力,适应各种地质条件和不同规模建筑物等优点,在桥梁、房屋、水工建筑物等工程中得到了广泛的应用,已成为一种重要的桩型。特别是在桥梁工程中,由于某些地区特定的地质和水文条件限制,桥梁必须选择超长超大直径钻孔灌注桩基础将其巨大的上部荷载传递给地基岩土体。对这类基础而言,承载力是控制工程安全的决定性因素,而受施工条件的限制,施工过程中的孔壁稳定性是决定桩基承载能力的最重要因素之一。因此,有必要对钻孔灌注桩的孔壁稳定性影响因素进行研究分析。
近年来,尽管前人在钻孔灌注桩施工质量控制、邻近桩基的相互影响等问题的研究上取得了很多成果,但专门对钻孔灌注桩孔壁稳定性影响因素进行研究的还不多。为此,本文基于专业岩土工程有限元软件Plaxis,结合具体工程算例,对钻孔灌注桩孔壁稳定的影响因素进行了二维弹塑性数值分析,同时考虑了邻近老桩基的影响,得出了一些规律性认识,以期为本工程和相似工程建设提供参考。
1 钻孔灌注桩孔壁稳定性的影响
1.1 客观因素
(1)土体性质与孔壁稳定性的关系。在黏性土地基中，深度对孔壁塑性区的分布有较大影响，深度越深，孔壁塑性区半径越大。此外，土体内摩擦角越大，塑性区半径越小，孔壁的安全系数越高。而在砂性土地基中，土体塑性区的分布模式及半径与深度变化之间的关系不大，与摩擦角的关系较大，摩擦角越大，塑性区半径及半径比越大，孔壁安全及稳定性越高。与土体塑性区分布模式相近，在黏性土地基中，土体变形会随着深度的增加而不断增加。砂性土地基中，孔壁土体变形量与深度的关系不大，变形量也较小。简而言之，在黏性土地基中，深度越大，孔壁土体越易发生缩径，而在砂性土地基中，则易发生坍孔。图1为塑性区半径示意图。
图 1 塑性区半径示意图
(2)泥浆的相对密度与孔壁稳定性的关系。泥浆对孔壁土体的侧压力能够起到较好地抑制作用，并减小侧向卸荷量，且泥浆在孔壁形成的泥皮能够有效阻止无黏性土地基中发生的部分区域坍落，增加孔壁稳定性，但泥浆的相对密度也必须保持在一定范围内，否则会使施工变的更为不易。因此必须以泥浆密度对孔壁稳定性进行相关研究。在黏性土地基中，孔壁变形会随着泥浆相对密度的增加而减小;在砂性土地基中，孔壁的变形量均较小。在一定情况下，孔壁土体没有侧向卸荷，孔壁土体几乎没有变形，因此在黏性土地基中，要减小深层孔壁土体的缩径量，就要提高泥浆的相对密度;而在砂性土地基中，泥浆相对密度要使泥浆侧压力大于等于土体静止侧压力。
(3)孔半径与孔壁稳定性的关系。在黏性土地基中，孔壁塑性区半径会随着孔半径的增大而增大，此时孔壁稳定性会减小，深层土体的缩径量增大;而在砂性土地基中，孔壁稳定性会随着孔半径的增大而降低，而孔壁塑性区半径比基本不变。
(4)孔深与孔壁稳定性的关系。在黏性土地基中，孔深增大会造成深层土体卸荷量、孔壁塑性区半径、深层土体侧向变形变大，而孔壁的稳定性减小;在砂性土地基中，受到内摩擦角的影响，加之深度增加，会造成土体的抗剪强度增加，孔深对塑性区半径、侧向变形及孔壁稳定性的影响并不大。因此，在砂性土地基中，无论是浅层土体，还是深层土体，都容易出现坍孔现象。
1.2 人为因素
人为因素中，影响钻孔灌注桩孔壁稳定性的因素主要有对于桩位、桩顶的标高和成孔深度的控制、对孔径和垂直度的控制以及孔底渣土清理工作的成效等。在施工过程中，施工人员要对钻进过程中卡钻及偏斜情况进行严格控制，如果地质状况太软或太硬，则要确保二者交界处钻杆的垂直，且钻入过程不能太快，要防止土质过硬导致的钻杆晃动及土质过软导致的钻杆粘黏，避免因孔径过大造成的孔壁破坏，减少孔壁稳定性的隐患;孔底渣土清理时，在钻孔过程中要尤其注意是否出现地下水，如果出现，要保证钻深低于地下水水位，其为了预防出现塌孔问题。另外，还要对渣土厚度进行测量，其不能少于10 cm，如此才能有效增加孔壁的稳定性。
1.3 环境因素
环境因素对钻孔灌注桩孔壁稳定性的影响主要表现在外部水位变化以及载荷变化。外部水位在不同季节具有不同变化，其对孔壁稳定性有一定影响，且通过地下水的方式对稳定性进行影响。
2 提高钻孔灌注桩孔壁稳定性的建议
(1) 黏性土地基中，土体内摩擦角小、土体抗剪强度随深度增加的速率慢、同时侧压力系数大、成孔后孔壁土体侧向卸荷量大、孔壁土体竖向应力与侧向应力差也大，因此孔壁塑性区分布模式与深度有关，深层土体更容易产生较大的塑性区以及较大的变形；但受黏聚力的影响，孔壁土体应力重分布后更容易达到新的平衡，因此孔壁土体稳定性安全系数较大。
(2) 砂土地基中，土体内摩擦角大、土体抗剪强度随深度增加的速率快、同时侧压力系数小、成孔后孔壁土体侧向卸荷量小、孔壁土体竖向应力与侧向应力差也小，因此砂土地基中土体塑性区以及变形小；但由于是无黏性土，孔壁土体产生一定的塑性区后，很容易发生破坏，同时这种破坏会向四周蔓延扩散，最终形成坍孔。
(3) 提高泥浆相对密度能减小黏性土地基孔壁土体的缩径量，提高孔壁稳定性。砂土地基中，当泥浆侧压力小于静止侧压力时，孔壁有显著的塑性区、孔壁稳定性安全系数小、易发生坍塌孔；当泥浆侧压力等于或大于静止侧压力时，孔壁土体没有侧向卸荷，几乎没有塑性区、孔壁稳定性安全系数大、能有效减小坍孔的可能性，因此砂土地基中最小泥浆相对密度应使得泥浆侧压力不小于土体静止侧压力。
(4) 黏性土地基中，孔半径越大、孔越深，孔壁塑性区半径比越大、孔壁稳定性越低、深层土体的缩径量越大；砂土地基中，孔壁稳定性也受到孔半径的影响，孔半径越大孔壁稳定性越低，但孔壁塑性区半径比基本保持不变，孔深对孔壁稳定性、塑性区半径以及侧向变形的影响不大，即砂土地基中浅层土体与深层土体均容易坍孔。
综上所述可知：黏性土地基中，孔壁稳定性问题主要是缩径问题，土质越差、孔半径越大或孔越深，缩径量越大，提高泥浆相对密度能有效地减小缩径量；砂土地基中，孔壁稳定性问题主要是坍孔问题，孔壁土体产生一定的塑性区后，很容易发生破坏，同时这种破坏会向四周蔓延扩散，最终形成坍孔，影响砂土地基孔壁稳定性的主要因素是泥浆相对密度，为保证孔壁稳定，砂土地基中最小泥浆相对密度应使得泥浆侧压力不小于土体静止侧压力。
结语
通过对钻孔灌注桩孔壁稳定性与土体性质、泥浆相对密度、孔深、孔半径之间关系的研究得出，影响孔壁稳定性的因素是多种多样的，因此在施工过程中要严格控制各个环节的质量，从而保证孔壁稳定性。
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论文作者:张争辉
论文发表刊物:《防护工程》2018年第15期
论文发表时间:2018/11/1
标签：稳定性论文; 塑性论文; 泥浆论文; 半径论文; 钻孔论文; 黏性论文; 砂土论文; 《防护工程》2018年第15期论文;