考虑窜孔效应的人工挖孔桩护壁设计方法研究

彭必建

(1.中国地质大学(北京)，北京 100083； 2.云南地质工程勘察设计研究院，云南昆明 650041)



考虑窜孔效应的人工挖孔桩护壁设计方法研究

彭必建1,2

(1.中国地质大学(北京)，北京 100083； 2.云南地质工程勘察设计研究院，云南昆明 650041)

护壁对于人工挖孔桩成孔过程中防止土体塌落及滑动有着极为重要的作用，是施工中保障人员安全和工程质量的主要构件。针对人工挖孔桩的护壁设计问题，分灌注桩和空桩两种工况分别建立了力学分析模型，以护壁的抗拉强度和水平位移作为护壁失效的控制条件，结合桩间土受力模型，提出了预防窜孔问题的人工挖孔桩护壁设计方法。将本文提出的新的设计方法应用于实际工程，结果表明了本文方法的合理性，并根据实际应用结果提出了施工建议。研究成果对人工挖孔桩护壁的设计与施工安全有积极的指导和借鉴意义。

桩基工程 人工挖孔桩 窜孔 护壁 护壁设计

0 引言

护壁对于防止人工挖孔桩施工过程孔壁土体塌落及滑动有着极为重要的作用(Shirlaw J.N,1987; 邵广彪等,2011; 徐晖, 2014)，是施工中保障人员安全和工程质量的主要构件。在当前的桩孔护壁设计实践中，大多根据地质情况按经验进行设计，对桩孔护壁强度及几何尺寸的确定缺少理论依据(王朝鲜,2012;赵建立等,2012)。比如：仅考虑桩侧土压力作用，使设计的护壁仅起到支档孔壁土体、防止土层塌落的作用；但在桩孔灌注混凝土期间，护壁很难达到应有的抗拉强度而造成护壁开裂，导致混凝土外渗，引发窜孔事故风险。因此，亟需对桩间土失稳造成窜孔这一问题提出有效的护壁设计方法。

然而，目前涉及人工挖孔桩护壁设计理论的研究较少且不够全面(何现启等,2011)。西方发达国家应该早已不用人工挖孔桩，国内的研究成果也很少。因此，人工挖孔桩护壁的设计尚没有统一的设计理论，规范中也没有明确的设计方法。国内代表性的研究成果有王新义等(2010)、聂磊(2009)、陈梅(2008)、岳进(2002)、王利群等(2002)和罗章等(2001)等人的研究。尽管目前关于人工挖孔桩护壁设计理论的研究已取得一定的成果，但多以经验为主，其设计的重点仍主要以防止挖孔桩孔壁崩塌为目的，其设计亦未充分考虑邻近桩孔灌注时可能引发的窜孔事故，这也是目前人工挖孔桩设计与施工中存在的重大隐患之一。

针对上述问题，本文分灌注桩和空桩两种工况分别建立力学模型，充分考虑工程实际情况，结合弹性力学和桩基工程相关理论，在桩间土稳定性理论分析基础上，对护壁设计理论进行深入探讨，以提出一套切合实际、经济可靠的护壁设计方法及相应的施工建议。

1 护壁设计方法

目前，人工挖孔桩护壁主要有砖砌护壁和钢筋混凝土护壁两种形式。砖砌护壁整体性、稳定性和防水性都较差，主要适用于地质条件良好的情况，应用范围较小。对于应用较为普遍的钢筋砼护壁的设计，目前仍没有公认的完善的设计方法。较普遍的做法是靠经验设计，或仅将作用于护壁的土压力作为主要控制因素进行设计，忽略了挖孔桩在灌注过程中混凝土对护壁内侧的压力；而实际工程中，由于混凝土的持续灌注导致桩间土失稳并造成窜孔的事故时有发生。

理论分析可知，人工挖孔桩窜孔事故的发生，是由于桩体在浇筑混凝土过程中，流动混凝土逐渐增大的流动压力对桩孔护壁造成拉裂或脱节而诱发的。因此，在桩体混凝土浇筑的过程对护壁强度提出了新的要求。对于尚未浇筑的临近空桩而言，若护壁的强度不够则可能因邻近的桩孔灌注混凝土产生的附加压力而发生破坏，进而造成窜孔事故，因此护壁设计时因充分考虑未浇筑混凝土的空桩护壁的稳定性。本文分灌注桩和空桩两种工况对人工挖孔桩护壁的设计方法进行探讨。

1.1 预防塌孔护壁设计

1.1.1 人工挖孔桩护壁的土压力分析

人工挖孔桩是通过人力挖土逐步向下掘进形成桩孔的，其施工顺序与受力状态均与竖井及沉井相似。故可将人工挖孔桩桩孔看作尺寸较小的竖井井孔(或深基坑)，其护壁则可以理解为类似于竖井井壁的圆筒状构件。

在圆形围护结构计算与分析时，墙外侧土压力通常有四种处理方式：

①当作静止土压力；

②当作主动土压力，主要考虑土体达极限状态时的情形；

③采用别列赞采夫算法，即认为圆形基坑处于空间受力状态，水平方向存在圆环挤压效应，同时垂直方向存在成拱效应，造成主动土压力值降低，此时采用直线形基坑的主动土压力显然不合适；

④还有一种观点认为结构在起始状态所受土压力为静止土压力，而当结构处于工作状态时，土压力会由静止土压力逐渐向主动土压力过渡，实际土压力介于静止土压力及主动土压力之间。

在竖井井壁所受水平荷载的计算中，主要有两种理论：普罗托吉雅诺夫和秦巴列维奇基于库仑土压力理论推导的平面挡土墙主动土压力公式(也叫“普氏公式”)，以及别列赞采夫提出的作用于筒形地坑壁上主动土压力空间问题的解析解(简称“别列赞采夫公式”)。普氏公式与别列赞采夫公式均认为，土体在某一微面积上达到极限平衡状态的条件是土体受剪应力的绝对值等于其本身的粘聚力与外荷载及自重产生的摩擦力之和，即：

(1)

其中，τ—剪应力(kN/m2)；σ—外荷载与自重产生的作用于剪切面上的法向应力(kN/m2)；c—土体的粘聚力(kN/m2)；φ—土体的内摩擦角(°)。

普式公式假设墙面垂直、光滑且无摩擦力，应用平面挡土墙理论得到土层的主动土压力为：

(2)

其中，γ—土重度(kN/m3)，φ—土体的内摩擦角(°)。

由于地层通常由多层不同土体构成，不同土体的内摩擦角不同，每层土体的水压力也存在差异，因此，普式公式可归为统一的表达式：

(3)

对于挖孔桩护壁这种圆筒状结构，周围土体向竖井中心发生位移时，圆形结构处于空间受力状态，土体的移动形成滑动圆锥体，造成水平方向存在圆环挤压效应，垂直方向存在成拱效应，因此，根据别列赞采夫的方法解得作用于圆柱体上的主动土压力为：

(4)

其中，R0——井筒结构的掘进半径(m)；Rb——深度为h时，土体滑移线与地面交点的横坐标值(m)；q——地面上的均布荷载(kN/m2)；λ——公式推导中的简化系数。

Rb的计算表达式为：

(5)

λ的计算表达式为：

(6)

当土体粘聚力c=0，地面附加荷载q=0时，则式(4-4)可简化为：

(7)

式(7)中，当φ=19.5°时，λ=1，其式为不定解，故通过幂级数进行近似计算，式(7)可表示为：

(8)

综上，普氏公式(式(2))与别列赞采夫公式(式(4))两种计算理论的主要区别在于：普氏公式将井壁看作为平面状态的墙面，并将其周围的滑动土体看作为一个直的棱柱体；而别列赞采夫公式从空间上考虑了空心圆柱体的受力问题，将井壁周围的这种滑动体看作环状的空心圆锥体。别列赞采夫公式考虑了土体向竖井中心发生位移时，土体本身相互之间的挤压摩擦会造成主动土压力减小的有利作用，且别列赞采夫公式还考虑竖井断面几何尺寸对主动土压力的影响。

此外，国内有的学者(聂磊，2009；王新义等，2010)研究表明，对于埋深相对较浅的圆形维护结构来说，别列赞采夫公式与实际情况较为符合，有实用价值。

对于人工挖孔桩桩孔，可将其看成是几何尺寸相对较小的沉井井孔，其护壁即为土体中的圆形维护结构，因此，对于挖孔桩护壁外侧所受的土压力，本文建议采用别列赞采夫公式计算。

1.1.2 人工挖孔桩护壁的内力计算

桩基施工前，场地一般已完成“三通一平”工作，给桩基浇筑混凝土前，护壁主要受到外侧土体的侧向压力及水压力的作用。根据护壁的位移情况以及护壁外侧土体所处的应力状态，该土压力可以采用式(4)或式(7)进行计算，则土体与地下水作用于护壁外侧的径向均布压力为：

p=ph+pw

(9)

其中，ph——按照别列赞采夫公式计算得到的土压力(kPa)；pw——地下水压力(kPa)。

护壁结构的计算模型如下图1所示：

图1 挖孔桩护壁结构的计算模型Fig.1 Calcu Laxon model of structure of protertiveof wall for hole-digging pile

①护壁厚度δ≤R /10时(R为护壁结构的半径)，可将护壁看作为薄壁圆筒，在图1所示径向均布压力作用下，根据材料力学中的相关理论，其环向应力可表示为：

σ=p·R/δ

(10)

②当护壁厚度δ>R/10时，护壁结构则可看作厚壁圆筒，在图1所示径向均布压力的作用下，按照弹性力学中的相关理论，其环向应力可表示为：

(11)

其中，a——护壁的内半径(m)；b——护壁的外半径(m)。

根据式(10)或式(11)求出护壁的环向应力后，即根据护壁类型进行护壁结构设计。

1.1.3 护壁强度设计验算

人工挖孔桩护壁多作为施工中的临时结构，故可仅对其进行强度验算。由混凝土结构设计原理可知，圆形护壁的强度可按式(12)进行核算：

K·σ≤fc

(12)

式中，K——安全系数，根据工程地质情况，在1.5～ 2.0间取值。当护壁直径较大、土质条件较差时，取较大值，反之，取较小值；fc——护壁的轴心抗压强度设计值，具体取值参见《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)。

1.2 预防窜孔护壁的设计

1.2.1 灌注桩护壁设计

在人工挖孔桩灌注混凝土的过程中，护壁所承受的侧压力主要由四部分组成：灌注混凝土的流体压力、侧向土压力、地下水压力及地面荷载的附加应力。对于挖孔桩，为确保安全，一般都是在无水状态下施工，因此地下水压力可忽略。至于地面荷载引起的附加应力，三通一平后，一般忽略。在人工挖孔桩开挖及浇筑混凝土过程中，护壁外侧的压力主要来自土体。浇筑混凝土时，护壁在混凝土流体压力的作用下发生向外的扩张变形，土体受到护壁的挤压作用，此时土压力将由主动土压力向被动土压力转变过渡。由于混凝土护壁的变形相对较小，土压力按静止土压力计算更合适。综上，在灌注混凝土过程中，护壁内侧受到混凝土压力而外侧受到静止土压力的作用，取地面下深度z处的水平面进行分析，其力学模型可简化为内外壁四周都承受均匀压力的圆环，见图2。

图2 人工挖孔桩灌注过程中护壁的计算模型Fig.2 Calcu laxion mode of protertive wall forhole-digging pile duning in jeotion process

实际施工中，同一节护壁的厚度并不一定恒定，为方便理论分析，此处取每一节护壁最小截面处的厚度为该节壁厚。设护壁厚度为δ，根据弹性力学，可计算得出其环向应力为：

(13)

其中，σ——环向应力(kN/m2)；a——护壁的内半径(m)，即挖孔桩半径；b——护壁的外半径(m)；ρ——护壁上点的径向坐标(m)；P0——深度z处的静止土压力(kPa)；pc——深度z处的混凝土压力(kPa)。

深度z处的混凝土压力为：

pc=γc·z

(14)

式中，γc——混凝土的重度(kN/m3)。

深度z处的静止土压力为：

p0=K0·σz

(15)

单节护壁截面上所受合力为：

其中，l——对式(16)进行化简可得单节护壁截面上的内力：

T=a·Pcz-b·P0z

(17)

其中，Pcz——竖直方向混凝土压力的合力(kN/m)；P0z——竖直方向主动土压力的合力(kN/m)。

经求解，单节护壁截面上的内力如下：

(18)

钢筋砼受拉时，由于混凝土的抗拉强度远低于钢筋，当钢筋屈服时，混凝土早已破坏。因此，混凝土已退出工作，其作用可忽略，拉应力全部由钢筋承担，护壁设计的控制条件为：

T≤fyAs

(19)

其中，fy——钢筋强度的设计值(kN/m2)；As——钢筋的计算截面面积(m2)。

在实际设计中，一般先根据经验确定钢筋砼护壁的厚度值，再用式(19)计算配筋面积。

1.2.2 空桩护壁设计

人工挖孔桩在浇筑混凝土时，孔壁受到流动混凝土的流体压力随浇筑的进行而持续增大，浇筑孔侧壁的衬砌可能发生拉裂或接头处出现脱节的现象，这对邻近空桩的孔壁稳定性造成极大威胁。因此，为避免窜孔事故，应就人工挖孔桩的护壁提出针对性的设计方法。

为建立软弱土层滑动时空桩护壁的力学模型，作如下基本假设：

①人工挖孔桩护壁是分节施工的，考虑最不利荷载条件，可认为滑动土体的厚度刚好与桩节的长度相同，即作用在护壁外侧来自滑动土体的推力全部都用来推挤该节护壁。

②软弱土层失稳并发生滑动后，空桩护壁将在其水平推力作用下发生水平移动，护壁后的土体也会随之产生一定程度的压缩和位移。此时，宜将土体看作弹性变形介质，采用“m”法等效处理。

③圆形护壁与土体接触界面的受力较为复杂，为便于理论分析，对护壁做平面简化，认为护壁后侧受压区土体提供的抗力作用于半圆形护壁的竖向投影平面上，为均布力，与土体滑动方向相反。

④护壁节间的静摩擦力用滑动摩擦力来替代计算，原因是出于设计安全考虑，此外，最大静摩擦力目前也没有普适公式求解。

⑤现场施工时，各护壁节并不是相互独立的，各节之间一般有钢筋相互搭接，但这种简易的捆扎所提供的抗力极其有限，从偏安全的设计角度考虑，将其忽略。

基于上述假设，可构建受滑动土体推挤的一节护壁的力学模型，如图3所示。

图3 单节护壁在滑动土体推力作用下的受力状态Fig.3 Forcing stare of singte-secxon protevfive wall under push of slding soil body

根据滑动土体的滑动力S和其所受抗力R，护壁所提供的抗滑力的设计值为：

P=KcrS-R

(20)

根据假定②，一定深度z处土体的横向抗力为：

σxz=cxz·xz

(21)

其中，σxa——横向土抗力(kN/m2)；cxa——地基系数(kN/m3)，按“m”法计算求解；xz——z处护壁的横向位移(m)。

根据假定③，作用于空桩护壁外侧的土体横向抗力为：

(23)

对式(23)进行积分并化简得：

(24)

其中，dk——空桩的桩径(m)；Δz——滑动土体厚度，即相应滑动护壁节的长度(m)。

根据假定④，滑动摩擦力采用式(25)计算：

Ff=μ·ρV·g

(25)

式中，ρ——砼护壁的密度(kg/m3)；V——砼的体积(m3)；μ——护壁节间的动摩擦因数。

实际工程中，出于节省材料，护壁一般采用变截面设计，但差异不大。为方便理论分析，此处将各节护壁简化为等厚的规则圆筒，且取护壁最小截面处的厚度为该节壁厚δ。此外，护壁为临时结构，一般加配适量直径不小于8 mm的光圆钢筋，由于钢筋直径较细且用量较少，此处可将钢筋的质量忽略不计。因此通过简化后可得滑动护壁顶面和底面受到的摩擦力分别为：

Ff1=μ·π·(dk-δ)·δ·γc·z1

(26)

FF2=μ·π·(dk-δ)·δ·γc·z2

(27)

式中，z1——滑动土体顶面埋深(m)；z2——滑动土体底面埋深(m)。

因此，护壁受到的总摩擦力Ff为：

Ff=2·μ·π·(dk-δ)·δ·γc·Hc

(28)

式中，Hc——灌注桩混凝土面到滑动土体中心点的距离(m)。

计算滑动土体受到的总抗力R时，应考虑护壁后的土体被挤压并发生一定程度的位移，土体抗力已不能按静止土压力计算，取被动土压力Ep更为合理，则护壁提供的抗滑力设计值为：

P=Pr+Ff-E0

将式(20)、(24)、(28)及(29)代入(16)式，求解，得到在滑动土体水平推力作用下，深度z处受推挤作用的护壁的水平位移值，见式(30)：

(30)

以受到推挤的护壁的水平位移作为控制标准，为了设计安全，并考虑现场施工误差，认为当水平位移达到0.7δ时，护壁就会发生脱节并丧失支护能力。即，空桩护壁的水平位移控制条件为：

xz≤0.7δ

(31)

1.3 人工挖孔桩护壁设计方法

人工挖孔桩的护壁设计应从预防塌孔和窜孔两方面进行考虑，先对桩间土稳定性进行分析，对于无窜孔风险的桩孔按预防塌孔设计进行强度验算(多数情况)，而对存在窜孔隐患的桩孔按预防窜孔来控制设计(特殊情况)。对于预防窜孔的护壁设计方法，本文分灌注桩和空桩两种工况考虑相应的护壁设计方法。灌注桩应有合理的配筋和护壁厚度，以满足抗拉强度要求。空桩护壁应有足够的厚度来提供摩擦阻力，从两方面共同预防窜孔事故。

2 工程应用案例分析

采用本文提出的设计方法，以柳州市金盛广场5#楼人工挖孔桩工程为例，对人工挖孔桩的护壁进行设计验算。实际施工中，人工挖孔桩分段开挖，每段高度取决于土壁坚实情况，一般为0.8m～1.0m，此处取单节护壁高度为1m进行设计验算。

2.1 场地工程地质条件

场地覆土层主要由杂填土、淤泥质土和可塑状态的红粘土组成，层厚8.40m～23.43m，平均层厚16.81m。土层以棕黄色硬塑-可塑状红粘土为主，杂填土和淤泥质土仅在上部约5m以上范围分布。为方便计算，此处将场地视为均质土层，其基本物理力学指标为：天然重度γ=17.8kN/m3，内聚力c=50kPa，内摩擦角φ=18°，残余抗剪强度cr=12kPa、φr=5°。

2.2 灌注桩护壁设计

根据《建筑桩基技术规范》(JGJ 94-2008)中6.6.6条的要求，人工挖孔桩混凝土护壁的厚度不宜小于100mm。实际工程中，护壁厚度常取100m～150mm。钢筋采用牌号为HPB300的一级钢筋，强度设计值取fy=270N/mm2。该工程共设计有85根桩，桩径有0.8、1.0、1.2、1.4、1.5、1.8、2.0 及2.2m共8种桩型。采用本文计算公式，按单节护壁高度1m对这8种桩的护壁进行设计验算，计算结果

用图表示，见图4和图5。表1以1m桩径为例示范说明具体计算过程及结果。

图4 0.1m护壁厚度时各桩径下钢筋截面积曲线图Fig.4 Curves of rebar cross-sectional area versus area versus pile diameters for 0.1m wall thickness

图5 0.8m桩径时不同护壁厚度下钢筋截面积曲线图Fig.5 Curves of rebar cross-sectional pile diameters for 0.8m wall thickness

表1 不同桩径灌注桩单节护壁的钢筋计算截面面积As (单位：mm2)Table 1 Calculated rebar cross-sectional area As for injected single-wall with varied pile diameters(unit:mm2)

综合分析图4和图5可知，护壁需要的钢筋截面积与桩径和护壁埋深成正比，与护壁厚度成反比。随着挖深和桩径的增加，钢筋用量增大明显，一定条件下应考虑加大护壁厚度的技术经济比选方案。但护壁厚度的增加是有限的，在加大护壁厚度无法明显降低钢筋用量时，可选择跳桩开挖的施工组织模式，或保证两相邻桩体同时灌注并控制两孔内混凝土高差在一定范围内。对于窜孔事故风险高的桩孔，可直接采用钢护壁，以策安全。

2.3 空桩护壁设计

同样以上述场地为例。经计算，主动土压力系数Ka=0.528，静止土压力系数K0=0.691，地基系数的比例系数m取10kN/m4，混凝土界面间的动摩擦因数u取0.65。以5#楼桩孔施工图中桩净距较小、窜孔风险较大的5对挖孔桩的护壁厚度进行设计验算，桩体的基本情况见表2。

表2 窜孔风险较大的部分桩体的基本情况表Table 2 Data of partial plies with major risk of hole connection

由于每对桩体的桩径不一定相同，因此需要将不同桩径的桩先后按灌注桩和空桩进行两次设计验算，以便结合施工组织顺序选择更经济合理的设计方案。据式(18)按单节护壁高度1m对表2中的桩体护壁进行设计，取临界稳定系数Kcr=1.0，计算过程及结果见表3。为节省篇幅，表3和表4分别列出两种工况的计算结果。

表3 各空桩单节护壁厚度计算表 工况：73#(空桩)vs74#(灌注桩)Table 3 Calculated thickness of single-wall for each empty piles (working condition: 73#-empty pile versus 74#-injected pile)

表4 各空桩单节护壁厚度计算表 工况：58#(空桩)vs59#(灌注桩)Table 4 Calculated thickness of single-wall for each empty piles (working condition:58#-empty pile versus 59#-injected pile)

据表3可知，随着计算深度的增加，护壁厚度逐渐增大，各种工况下均如此；计算深度相同时，桩间净距越小，空桩所需的护壁厚度就越大。据表4可知，桩净距仅0.377m，而护壁所需厚度最大达0.32m，这是不现实的。因此，这两个桩孔应避免同时开挖，或采用钢护壁来提高施工安全性。

3 结论

(1)在对桩间土稳定性理论分析的基础上，针对人工挖孔桩施工过程中的窜孔事故问题，分别就灌注过程和桩间土失稳后两种工况进行分析，结合弹性力学和桩基工程相关理论，提出了相应 护壁设计方法。

(2)将存在窜孔风险的挖孔桩按为灌注桩和空桩两种工况进行护壁设计验算，使护壁的设计更具针对性，更接近工程实际。

(3)本文护壁设计方法的工程应用分析，验证了其可行性及合理性。

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A Design Method for Protective Wall of Artificial-dug Pile Hole considering Effect of Hole Connection

PENG Bi-jian1,2

(1.ChinaUniversityofGeosciences(Beijing),Beijing100083;2.YunnanInstituteofGeologicalInvestigationandDesign,Kunming,Yunnan650041)

The protective wall of artificial-dug pile hole is very important for prevention of soil slumping and sliding in the process of hole digging. It is one of the main components in safeguarding personnel safety and project quality. For the design of such wall, mechanical analysis models are established according to two working conditions of pumping concrete and empty hole, respectively. Tensile strength and horizontal displacement are used as the controlling failure conditions for the wall. Combining the model of the soil stress between piles, a design method is proposed for the wall of hand-dug pile hole to prevent connection of holes. Application of this new design method to a real project shows its reasonability. Furthermore, suggestions on implementation based on the practical application effect are made. The study results would be of guidance significance to design and construction of protective walls of hand-dug pile holes.

pile foundation, hand-dug pile, hole connection, protective wall, design method

2015-01-27；

2015-12-22；[责任编辑]陈英富。

彭必建(1982年-)，男，高级工程师，在读硕士研究生，主要从事水文地质工程地质勘察与设计研究工作。E-mail：104869283@qq.com。

P642.5

A

0495-5331(2016)02-0307-09

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