非均质砂土地区钻孔桩孔壁稳定性分析

闫振虎，郭奕辰，龚长华，李文杰

(1.中铁十五局集团第三工程有限公司，四川 成都 610097；2.河南科技大学 土木工程学院，河南 洛阳 471000)

钻孔桩因具有承载力大、稳定性高、能协调不均匀沉降等特点，已在建筑工程、桥梁工程、港口码头等工程得到广泛应用[1-2]。钻孔桩在成孔过程中，土体初始平衡应力状态改变，产生卸荷效应，孔壁形成塑性区。砂土黏聚力c较小，内摩擦角φ较大，孔壁稳定性差，极易导致桩孔缩径或孔壁坍塌[3-4]。钢护筒支护是目前钻孔桩施工最常见的支护形式，其力学性能和形变直接影响成桩质量，但对于钢护筒的力学变化规律鲜有研究[5]。

李小青等[6]依据经典土力学滑动理论，分析了土体物理力学性质、地下水位和泥浆对孔壁稳定性的影响，并推导了数学模型公式，得出了干成孔在砂性土地区不适用的结论。王中文[7]通过孔壁土体应力数学模型分析了孔壁土体的应力状况，研究了土层受力、钻孔深度、地下水位、钢筒护壁等因素对孔壁稳定性的影响，得出了孔径、孔深、护筒深度等是钻孔灌注桩孔壁稳定的主要影响因素。

龚辉等[8]基于统一强度理论分析了土体强度参数对泥浆重力密度和初始屈服深度的影响，从理论角度讨论了钻孔桩的孔壁坍塌和缩颈问题。胡晓敏等[9]提出了桩孔中泥浆最小、最大深度的概念。李尚飞等[10-11]通过对卸荷缩孔的研究，推导出了无量纲化的孔壁卸荷缩孔近似解。

王云岗等[12]运用有限元软件，模拟二维桩孔土体，研究了土体空间分布特性、孔径孔深、边界条件等指标对钻孔桩孔壁稳定性的影响，总结了各影响因素在不同土体中的特性规律。唐胜利等[13]利用有限元软件，模拟了逐层钻进均质土体时孔壁岩土体受力、变形状态，分析了各阶段变形和最大不平衡力的变化，验证了成孔时弱稳定地层会出现大幅应力波动。李媛媛等[14]通过模拟钻孔桩成桩过程中钢护筒的受力性能，得出钢护筒应力随钻孔深度增加而增大，成桩过程施工的最不利工况为钻孔完成后浇筑混凝土前阶段，为实际工程提供了理论数据支持。

尽管许多学者已对砂土地区钻孔桩孔壁稳定性分析及施工层面有了较为广泛的研究，但为了简化计算，对地层进行二维均质简化，忽略了非均质土体在桩孔成孔过程中的应力变化，以及钢护筒的受力性能。基于此，本文依托遂德高速公路项目王家堰大桥桩基工程，采用有限元软件Midas GTS-NX建立三维模型，分析非均质砂土地区桩孔成孔过程中孔壁土体塑性区的分布、应力应变特征、沉降变形和钢护筒支护的受力性能，总结钻孔桩在非均质土体中开挖桩孔及护筒的力学特性规律，为类似实际工程提供技术参考。

1 工程概况

遂德高速公路TJ-3标段位于四川省绵阳市三台县，王家堰大桥墩台采用钻孔灌注桩基础。桩基成孔深度范围内地层从上至下依次为素填土层、粉质黏土层(夹砂)、粉细砂层、粉质黏土层、砂质泥岩层和砂岩层。其中砂土及粉细砂层，呈断续分布，分布不均匀，存在承压水。桥址桩基成孔区河流宽 3～5 m，水深一般0.5～0.8 m，丰水期水深可达 1.2～1.5 m，水量受季节变化影响大。

王家堰大桥钻孔桩桩基开挖深度11 m，桩径1.5 m，钢护筒内径大于设计桩径20～30 cm，埋设深度根据地质情况设置。施工时恰逢梅雨期，钻孔桩所在位置紧邻河道，因持续降雨导致地下水位不断上升。钢护筒设置未穿越砂土层，导致桩基开挖出现流泥、流砂(图1)和桩口土体坍落现象(图2)。

2 桩孔开挖卸载原理

原位状态下土体处于平衡状态，钻孔过程中土体平衡遭到破坏。桩孔开挖时，孔壁土体通过自密实和圆拱效应，使圆拱支撑力大于主动土压力，孔壁相对稳定；在地下水作用下，地层圆拱支撑力小于主动土压力，孔壁不稳定。当地层中含有砂性土层时，随着桩孔开挖地下水向孔壁方向渗流，由于黏性土层的渗透系数低于砂土层，渗流在土层交界面处被阻滞，砂土层体积膨胀、孔隙比增大。桩孔开挖至砂土层，孔壁处四周土侧向卸荷，形成了孔内低压的状态，当塑性区过大时，砂土伴随地下水涌入桩孔，产生喷砂、冒砂现象，原有砂土层体积随之减小，上部土体在桩口处形成塌落(见图3)。为保证孔壁稳定，可采用泥浆护壁或设置钢护筒。

图1 桩内流泥、流砂

图3 孔壁卸载原理

图4 三维模型

3 分析模型与计算参数

采用有限元软件Midas GTS-NX建立王家堰大桥11#号钻孔桩三维模型，见图4。土体本构模型选用修正莫尔-库伦(考虑卸荷弹模增大)理想弹塑性模型，X、Y轴长度取大于孔半径的10倍，Z轴深度取大于孔深的0.5倍，将砂土地层简化模拟为近河岸端厚、远河岸端薄的斜向土层，钢护筒作用在孔壁上，土体、护筒与桩之间设置接触连接。主要从成孔时非均质砂土层桩的塑性区分布、应力应变、沉降变形以及钢筒护壁的应力变化等方面分析孔壁的稳定性。

施工阶段设置两种工况见表1，土层物理力学指标见表2。土体模量采用考虑应力路径和应力水平的侧向卸荷模量，即:

E0=E0,0+λσz′

(1)

式中:E0,0为土体变形模量，取1 MPa；λ为应力路径影响系数，砂土侧向卸荷取160；σz′为竖向有效应力(kPa)。

表1 工况详情

表2 土层物理力学指标

图5 无支护土体开挖后塑性区分布云图

4 孔壁稳定性分析

4.1 孔周土体塑性区分析

不同土性的土层在无支护情况下开挖后的塑性区分布云图见图5。孔周土体塑性变化主要集中在孔壁及相邻土体，在远离孔壁位置塑性应变减小，由于各土层性质不同，塑性区应变最大值集中在砂土层，最大值为2.24×10-3。随着挖孔深度不断增加，孔壁土体侧向卸荷量增大，砂土层土体塑性区半径大小随深度变化不大，其他各层土体塑性区半径在不同土层深度有明显变化。当地下水位较高时，砂土层中孔壁土体产生一定的塑性区后在静水压力作用下，易发生破坏，同时这种破坏会向四周蔓延扩散，最终形成塌孔。因此，在施工中需要补充相应措施来减小土体塑性区变化。

4.2 节段开挖土体应力、应变分析

节段开挖前后土体应力分布云图见图6。节段开挖前非均质土层水平应力出现斜向分布。节段开挖过程中，土体应力重分布，出现较大竖向应变，孔壁处出现应力集中，非均质砂土层的应变值和应变区域增大。土体节段开挖后水平向和竖向应变云图见图7。在非均质砂土层较薄侧孔壁位置，出现较大水平方向应变和竖向应变，最大应变值为1.66×10-3，对应砂土层较厚侧孔壁位置，最大应变值为8.65×10-4，表明非均质砂土层处的桩孔孔壁位置易产生较大偏压力与剪切应力，施工中易发生流砂现象进而造成上部塌孔。因此，有必要在砂土地区开挖钻孔桩时设置支护，同时注意不应在砂土区域设置支护连接，减小偏压力对支护的影响、保证支护的整体性。

(a)节段开挖前 (b)节段开挖后

(a)X方向应变 (b)Y方向应变

4.3 孔周土体变形分析

桩孔开挖在无支护和有支护两种工况下土体沉降分布云图见图8、图9。

图8 无支护土体沉降分布云图

图9 有支护土体沉降分布云图

桩孔在无支护工况下开挖，孔壁处产生较大整体位移，最大整体位移为1.62 mm，分布范围主要集中在砂土层及其上下层土体孔壁处，在高地下水位作用下易产生流泥、流砂现象；由于孔壁处位移变形大，导致孔周土体出现“V”型沉降分布形态，施工中表现为桩口土体坍落。桩孔在有支护工况下开挖，合理设置钢护筒支护能够有效减小孔壁土体沉降变形，且未发生偏斜，最大整体位移出现在桩底，最大位移值为1.14 mm，上述沉降分析模拟证明了在砂土地区钻孔施工时为避免土体坍塌提前设置钢护筒支护的必要性。

4.4 钢护筒内力分析

钢筒护壁在不同开挖阶段的应力分布规律见图10。

(a)开挖初始阶段钢护筒最大主应力 (b)开挖至砂土阶段钢护筒最大主应力

(c)开挖至砂土层底阶段钢护筒最大主应力 (d)开挖最终阶段钢护筒最大主应力

在土体开挖初始阶段预先埋设钢护筒，钢护筒所受剪力最大值仅为2.93 N/mm，随之孔内土体按照每节开挖1 m深入孔底(图10(a))；在开挖中期阶段及位于砂土层4.5～7 m处，砂土层产生大量侧向卸荷，钢护筒在砂土层局部剪力最大值增加至8.75 N/mm，下部深入未开挖土体中的护筒也出现应力变化(图10(b)，图10(c))；在开挖最终阶段，开挖桩孔深度为11 m，钢护筒高度为8 m未深入孔底，从图10(d)内力分布图可以看出，位于砂土层的钢护筒节段总体内力值减小，相较于中期阶段所占区域减小5.15%，说明随开挖深度增加土体自密实程度逐渐增加，土体逐渐趋于稳定状态，钢护筒穿越砂土层作用在粉质黏土，钢护筒下端内力值减小，表明钢护筒底部受到周围土体横向作用力较小，孔壁稳定。因此，在设计钻孔桩钢护筒长度时应重视地勘报告土层分布状况，当土层中含有砂性土体时，钢护筒设计高度应穿越砂土层，底端作用在相对稳定土层，以达到提高孔壁稳定性的目的。

5 结论

(1)无支护情况下，随着挖孔深度不断增加，孔壁体侧向卸荷量增大，无黏性土塑性区半径随深度变化不大，形成塑性区后易发生破坏，黏性土塑性区半径在不同土层深度有明显变化。

(2)桩孔在非均质土层开挖，孔壁两侧应力分布不均匀，水平应力出现斜向分布，砂土层位置孔壁出现应力集中，产生较大偏压力与剪切应力，因此有必要在砂土地区开挖钻孔桩时设置支护，同时注意不应在砂土区域设置支护连接，减小偏压力对支护的影响。

(3) 砂土地层桩孔开挖土体沉降最大位置，主要集中在砂土层及其上下层土体孔壁处，孔周土体出现“V”型沉降分布形态，在高地下水位作用下易产生流泥、流砂现象，进而导致桩口土体坍落，合理设置钢护筒支护能够有效减小孔壁土体沉降变形。

(4)钢护筒支护在桩孔开挖全阶段受力，抵抗土体节段开挖侧向卸荷。逐渐开挖至砂土层时，砂土侧向卸荷量不断增大，继续开挖至穿越砂土层后，砂土层区域钢护筒表面剪力值减小，表明钢护筒能有效抵抗砂土层变形，开挖全阶段钢护筒应力随钻孔深度增加而增大。因此，当土层中含有砂性土体时，钢护筒设计高度应穿越砂土层，底端作用在相对稳定土层，既能满足孔壁稳定性又可以达到降低施工成本的目的，为后期类似桩基塌孔处治提供了借鉴。