深淤泥地区超长桩孔壁稳定性分析.pdf

李志勇,等:深淤泥地区超长桩孔壁稳定性分析地基与基础DIJIY U JIC H U 工程与建设 年第 卷第期 收稿日期:;修改日期:作者简介:李志勇(),男,湖北监利人,硕士研究生在读深淤泥地区超长桩孔壁稳定性分析李志勇,杨竟南(武汉理工大学 交通与物流工程学院,湖北 武汉 )(中交第二公路勘察设计研究院有限公司,湖北 武汉 )摘要:以某大型桥梁桩基工程为背景,采用A B AQU S有限元软件建立深厚淤泥地区超长桩钻孔模型,分析泥浆液面高度和泥浆重度等施工因素对孔壁稳定性的影响,并结合强度折减法确定孔壁稳定系数;研究结果表明:深淤泥地区钻孔施工采用钢护筒作为支撑,穿越软弱土层地基,并结合泥浆护壁可以有效提高孔壁稳定性;圆砾土等砂土地基中主要为塌孔问题,孔壁土体上端出现塑性区并逐渐向四周蔓延;砾砂土等黏土地基钻孔时主要为缩径问题,孔壁底部土体范围内开始出现塑性区并向上扩散,从圆砾层进入砾砂层后,缩径量明显增加,孔壁缩径量随泥浆液面高度降低呈增大趋势,提高泥浆重度能有效减小缩径量.关键词:桥梁桩基;强度折减法;钢护筒;孔壁稳定系数;泥浆中图分类号:U 文献标志码:A文章编号:()引言钻孔灌注桩施工方便,能够穿越各种复杂地层,且单桩承载力高,能够适应不同的地质条件,因而广泛应用于桥梁、房屋等建筑领域.尤其是在桥梁工程中,由于地质情况复杂,必须选择大直径深长钻孔灌注桩作为基础以提供足够的承载力,然而在软土地区钻孔施工时,很容易出现塌孔、缩径等问题,严重影响施工进度.土体性质、泥浆、孔深、孔半径、施工机械作用等因素均会对钻孔灌注桩孔壁稳定性产生影响.针对孔壁稳定性问题,国内外学者进行了一系列的研究.W e s t e r g a r d假定土体性质属于各向同性,推导了孔壁周围应力的弹塑性解析解,并基于摩尔库伦准则对孔壁稳定性进行了分析;A a d o n y等考虑了岩石土体的各向异性,分析得到了孔壁稳定模型的半解析解;王作成应用经典土力学滑动理论,提出了钻孔失稳时的二维滑移轨迹方程以及安全系数;李林、李镜培将钻孔开挖问题等效为半无限体内柱形孔的卸荷收缩现象,采用S MP准则改进的修正剑桥模型,通过应力空间变换求出了柱孔卸荷收缩这一类问题的弹塑性解析解;李尚飞等结合钻孔开挖时土体产生的卸荷效应,并考虑土体蠕变特性,对土体开挖时产生的应力变化机制进行了分析.上述学者基于应力方法、极限分析方法对孔壁稳定性进行分析,得到了解析解,但也存在较大局限性,往往难以考虑多个因素综合影响.有限元法则很好地弥补了这一缺陷,可以综合考虑土体性质、泥浆、外界荷载等因素对钻孔灌注桩开挖的影响.张嘉鑫等人采用A B AQU S软件模拟分析了复杂富水软土地基钻孔开挖时土体变形情况,采用模糊数学理论建立了孔壁塌孔模糊综合评价模型;王云岗等采用数值模拟并结合强度折减法分析了泥浆相对密度、孔深、孔半径以及土体性质对孔壁稳定性的影响.本文采用A B AQU S软件模拟分析了深淤泥软土地区超长桩钻孔开挖过程,研究泥浆液面高度、泥浆重度等施工因素对孔壁稳定性的影响,并基于强度折减法得到了灌注桩开挖后的三维孔壁稳定系数,可为类似钻孔灌注桩工程施工提供参考.分析模型与计算参数 工程概况结合某大桥桩基工程,研究钻孔灌注桩孔壁稳定性,选取主桥主墩桩基进行分析,桩长 m,桩直径为m,拟建场地地层分布情况为淤泥、细砂、圆砾、砾砂,主要土层物理参数见表.表土层物理参数表层号土层类别厚度/m弹性模量/k P a泊松比黏聚力/k P a内摩擦角/()容重/(k N/m)淤泥 细砂 圆砾 砾砂 钢护筒 主桥主墩部分上层存在 m厚淤泥层,该层强度低、灵敏度高,流变性大,为了避免钻孔过程中出现失稳问题,采用钢护筒作为保护,护筒厚 m,钢护筒穿越淤泥层,入土深度为 m;同时在施工时为了维持孔壁稳定,采取泥浆护壁支护措施.数值分析采用A B AQU S有限元数值软件建立三维实体钻孔开挖圆柱模型,土体本构模型选择M o h r C o u l o m b理想弹塑性模地基与基础DIJIY U JIC H U李志勇,等:深淤泥地区超长桩孔壁稳定性分析 工程与建设 年第 卷第期型,钢护筒采用线弹性模型,钢护筒与土体间采取接触对算法模拟两者界面产生的相互作用.几何圆柱模型直径确定为 m,高度为 m,几何模型尺寸和预钻孔孔底土层厚度均大于 倍孔径,消除边界约束对孔壁稳定性的影响,约束模型侧面边界U、U 方向位移,模型底部U 方向位移,对桩开挖区域土体网格局部加密,网格种子从桩体开挖区域向土体边界由密向疏过渡,采用C D R单元,最终网格数量为 个.钻孔灌注桩平面示意图和三维模型示意图如图、图所示.图平面示意图图钻孔三维模型示意图孔壁稳定性判别指标选择孔壁缩径量和按有限元强度折减法计算得到的稳定性安全系数Fs,即Fsc/cFt a n/t a nF式中:c,分别为土体初始黏聚力和内摩擦角;cF,F分别为土体破坏时的黏聚力和内摩擦角.取强度折减系数(即稳定性安全系数)作为场变量,土体抗剪强度减小,土体内部应力状态发生变化,产生塑性区域,折减到某一阶段时,塑性区逐渐增大形成贯通区域,则认为孔壁已经处于临界破坏状态.模拟钻孔开挖时,孔壁土体处于侧向卸荷状态,周围土体应力出现重分布现象,因此在确定土体模量时必须考虑应力水平和应力路径的影响,有:EE,Z式中:为应力路径影响系数,当土体为黏性土时,取 ;当土体为砂土时,取 ;E,为土体变形模量,一般为 MP a.土体静止侧压力系数Ks i n.孔壁稳定性数值分析 泥浆液面高度的影响假定钢护筒埋深为 m,泥浆重度为,泥浆液面高度分别取 m、m、m、m、m、m、m、m(地面高程计为),钻孔开挖至设计桩长 m时孔壁横向位移如图所示.图不同泥浆液面高度孔壁缩径量钢护筒支撑区域孔壁横向位移为 mm量级,可以忽略不计,因此仅对圆砾层、砾砂层孔壁处缩径量进行分析.从图可以看出,随着泥浆液面高度的不断降低,孔壁缩径量呈不断增大趋势.当泥浆液面高度为m时,圆砾层孔壁出现了一定程度外扩,最大外扩值出现在圆砾层与砾砂层交界处为 mm,进入砾砂层后,孔壁由外扩转为缩径,最大缩径量为 mm,出现在砾砂层中上部位;圆砾层属于砂土,内摩擦角大,侧压力系数相对较小,钻孔开挖后孔壁卸荷量处于较低水平,泥浆所提供的压力要大于孔壁卸荷产生的侧压力,因此出现了一定程度的孔壁外扩现象.当泥浆液面高度不断降低时,圆砾层、砾砂层孔壁缩径量均有所增加;就圆砾层(砂土)孔壁而言,孔壁缩径量随泥浆液面高度降低不断增大,最大缩径量出现在圆砾层与细砂层接触面下方约m处,当缩径量达到峰值后,随着深度继续增加缩径量逐渐减小并趋于定值.从圆砾层进入砾砂层时,孔壁缩径量明显增大,相较于圆砾土这一类砂土,砾砂土内摩擦角相对较小,因而随着深度增大土体抗剪强度上升速率小于砂土,并且砾砂土侧压力系数大于圆砾土,因此钻孔开挖至设计桩长后,砾砂层孔壁土体卸荷量要大于圆砾层,受自身黏聚力作用,成孔后土体原有平衡状态被打破,更容易达成新的应力重分布稳定状态.采取强度折减法对孔壁失稳路径进行研究,以泥浆液面高度 m为例分析,孔壁周围土体塑性区变化趋势如图所示.可以发现,强度折减系数为(即未折减)时,圆砾层上方孔壁区域存在塑性区,强度折减系数不断线性增大,土体从圆砾层顶部和下方砾砂层孔壁底部开始屈服,出现塑性区,然后不断向中间延伸,当t 时孔壁塑性区已经贯通,认为达到土体极限破坏状态,此时孔壁稳定系数为 .李志勇,等:深淤泥地区超长桩孔壁稳定性分析地基与基础DIJIY U JIC H U 工程与建设 年第 卷第期 图不同分析步时孔壁周围土体塑性区图不同泥浆液面高度孔壁稳定系数随着泥浆液面高度不断降低,孔壁三维稳定系数也随之不断减小,泥浆液面高度由m降低至 m,孔壁稳定系数由 减小至 ,选择合适的泥浆液面高度对孔壁稳定性的影响是十分重要的.泥浆重度的影响钻孔开挖时泥浆护壁对孔壁稳定性有着十分重要的作用.一方面,泥浆提供的静水压力可以增强孔壁侧压力,减小因钻孔卸荷产生的横向位移;另一方面孔壁侧形成泥皮,能够很好地防止砂土类地基产生塌孔等问题.但泥浆重度过大,孔壁侧容易形成较厚的泥皮,这对桩基设计承载力是不利的,而且泥浆重度过大也会加大实际施工难度,因此选择合适的泥浆重度对孔壁 稳 定 性 的 安 全 是 十 分 重 要 的.选 择 钢 护 筒 埋 深 为 m,泥浆液面高度为 m,不同泥浆重度孔壁缩径量如图所示.钢护筒支撑区域内孔壁没有发生横向位移,主要就圆砾层及砾砂层内孔壁进行分析.从缩径量位移曲线可以看出,孔壁缩径量随泥浆重度增加不断减小.圆砾层内,钻孔至设计桩长后,提高泥浆重度,缩径量略微减小,但趋势并不明显,采取这一措施对圆砾层孔壁土体变形的影响并不充分.由圆砾层进入砾砂层后,孔壁缩径量明显增大,而且随着泥浆重度的不断图不同泥浆重度孔壁缩径量增大,孔壁缩径量明显不断减小,增大泥浆重度可以显著提高砾砂层孔壁稳定性.淤泥层、细砂层孔壁采用钢护筒作为支撑,钻孔至设计桩长时,对应土层处没有产生塑性区域,因此选择圆砾层、砾砂层孔壁塑性区域进行分析,如图所示.从图可以看出,泥浆重度为 时,孔壁周围土体并未产生塑性区,随着泥浆重度不断减小,圆砾层上方孔壁处开始出现塑性区域,并且不断向周围扩散.根据强度折减法得到不同泥浆比重下孔壁稳定系数如图所示.孔壁稳定系数随泥浆比重增加不断增大,泥浆比重由增加至 时,孔壁稳定系数由 增大至 .地基与基础DIJIY U JIC H U李志勇,等:深淤泥地区超长桩孔壁稳定性分析 工程与建设 年第 卷第期图不同泥浆重度孔壁周围土体塑性区图不同泥浆重度孔壁稳定系数结论本文结合某大桥桩基工程,分析了泥浆液面高度、泥浆重度等施工因素对孔壁稳定性的影响,并结合强度折减法对孔壁失稳路径进行研究,得到了以下结论:()钻孔开挖时淤泥、细砂等软土地基内孔壁缩径量过大,建议钢护筒埋深要穿越软弱土层地基,并结合泥浆护壁支护措施确保孔壁稳定性.()钻孔开挖后钢护筒支撑区域内孔壁没有发生横向位移.砾砂土内摩擦角小,侧压力系数大,土体抗剪强度随孔深增加增大速率低于圆砾土,土体交界面内缩径量明显增大,圆砾层最大缩径量出现在孔口附近,后随孔深逐渐减小趋于定值,砾砂层内孔壁缩径量随孔深增加变化不大.()随着土体抗剪强度不断降低,圆砾层上端和砾砂层下方孔壁底部开始屈服,塑性区域向中间延伸直至贯通,最终土体达到极限破坏状态,塑性应变最大区域分别出现在圆砾层上方和圆砾层、砾砂层过渡区域,最容易发生塌孔、缩径等问题.()当钢护筒内泥浆液面高度不断降低,圆砾层、砾砂层孔壁缩径量均呈现增大趋势,孔壁稳定系数随之减小;提高泥浆重度,圆砾层内孔壁孔壁缩径量略微减小,对孔壁周围土体变形影响并不显著,进入砾砂层后,孔壁缩径量明显减小,孔壁稳定系数也随之提高,但泥浆重度过大,产生的泥皮对桩基承载力存在消极影响.参考文献王亚辉钻孔灌注桩孔壁稳定性分析J四川建材,():,WE S T E R GAA R D H P l a s t i cs t a t eo fs t r e s sa r o u n dad e e pw e l lJ S o c o fC i v E n g r s,():AA D NOYBS,C HE N E V E R T ME S t a b i l i t yo fh i g h l y i n c l i n e db o r e h o l e sJ S P ED r i l l i n gE n g i n e e r i n g,():王作成大直径污水井孔壁失稳与泥浆护壁机理J中南大学学报(自然科学版),():李林,李镜培,岳著文,等饱和黏土中钻孔灌注桩孔壁稳定性力学机制研究J岩土力学,():李尚飞,黄安芳,鲁嘉,等钻孔灌注桩成孔孔径变化及其卸荷效应机理研究J建筑科学,():,张嘉鑫复杂富水地基土大型钻孔灌注桩孔壁稳定性评价及加固方法研究D青岛:青岛理工大学,王云岗,章光,胡琦钻孔灌注桩孔壁稳定性分析J岩石力学与工程学报,(S):杨德兵大孔径钻孔灌注桩孔壁致塌影响因素分析与稳定性评价研究 以广东石化项目灌注桩工程为例D青岛:青岛理工大学,