基于有限元的钢护筒埋深设计及应用研究

王俊召，周小棚，吴志敏

(广西交科集团有限公司，广西 南宁 530007)

0 引言

在桥梁建设中，桥梁基础的安全性尤为重要，因此桩基础的应用越来越广泛，在桩基础施工过程中的施工质量、安全、进度对桥梁承台、墩柱以及上部结构的施工起到了制约作用。为保证桩孔稳定，常采用泥浆护壁和钢护筒保护孔壁。熊厚仁等在施工中应用“钢护筒跟进”结合黏土、水泥护壁等成熟方法，解决了溶洞岩基复杂地质条件下桩孔稳定问题[1]。钢护筒与泥浆护壁均对桩孔起到保护作用，且桩孔稳定性随泥浆比重的增大、钢护筒长度的增长而加强[2]。罗绍明通过理论分析提出桩孔稳定的条件，即静力平衡、地质渗流、时间因素[3]。

前人研究为桩孔施工指明了方向，本文旨在通过理论及有限元分析研究钢护筒在软弱地基上的应用。为此，本文首先介绍钢护筒的埋深(护筒长度)设计计算方法，然后结合工程实际运用有限元软件，从最大桩孔横向线位移的角度分析桩孔的稳定性。

1 工程概况

本项目就哈尔滨至牡丹江的哈牡铁路客运专线某特大桥的一个承台的桩基进行描述。本桥梁为66孔、单跨跨度32.7 m的特大桥，设计时速目标值为250 km/h，线路为双线，线间距为4.6 m。

该工程位于东北寒冷地区，表层3.50 m以上具有Ⅰ级不冻胀-V级不冻胀，碎石类土层具有Ⅰ级不冻胀-Ⅳ级不冻胀，最大冻结深度为1.91 m。根据勘察报告，淤泥质卵石土层埋深为7.30 m，强风化花岗岩为13.53 m，地下水位为0.8～8.0 m，水位变幅2～3 m。

见图1。

图1 桩基尺寸以及地质条件图(cm)

2 钢护筒结构设计

2.1 钢护筒的功能及其要求

钢护筒主要是保护桩孔的稳定，因此要求护筒本身具有一定的强度，使桩孔有足够的强度抵抗外部的地层压力，且不会在内部的泥浆压力下失稳。除此之外，要求护筒还要有一定的密闭性，使外部地层中的水不会渗入桩孔，内部泥浆不会外露[4]。钢护筒埋置依据桩周土质确定钢护筒的最小埋置深度，确保护壁效果最好。还要设置一定的外露长度，使泥浆压力始终大于地层压力，使桩孔达到动态平衡。

图2 护筒埋置示意图

在软土地基及淤泥质土中，护筒是保持桩孔内外压力的关键。桩孔内外应始终保持泥浆柱压力大于地层压力。孔内压力过大易造成泥浆外露；孔内压力小于地层压力时，则会出现塌孔、缩孔等问题。因此保持孔内外压力是护筒设计理论的关键。

2.2 安全系数的计算

随着渗流的增大，孔壁内外产生较大的渗流差时，就会产生较大的变形。因此，通过控制孔内外的水头坡降，使土体处于“悬浮”状态时即为临界状态[5-6]，此时根据土颗粒受力的平衡方程得到水头坡降为临界水头坡降(icr)，其表达式如下：

(1)

式中：icr——临界水头坡降；

r′——土体有效重度，kN/m3；

rw——水的重度，kN/m3；

Gs——土颗粒比重，kN/m3；

e——土体孔隙比；

靠地，来看看房地产。国家一直在重拳出击治理。现在是五限时代，一调一治。限购、限价、限贷、限商、限售。可以预计的是，未来一年，房地产对家电的拉动作用还将继续减弱。

n——土体空隙率。

在钻孔桩中，当土体的渗透坡降大于孔内泥浆的渗透坡降时就会导致塌孔或者缩孔的发生。

当i>icr时，土体处于流动状态，即桩孔发生塌孔或缩孔；当i=icr时，土体处于悬浮状态，此时土颗粒处于“悬浮”状态，正处于塌孔或缩孔的临界状态；当i

由于桩基塌孔或者破坏容易导致桩基受力不完全或者受力不均，使建筑物发生倒塌倾斜等破坏，因此，设计时应保证一定的安全系数，即水头坡降设计值[i]，其关系式如下：

i<[i]=icr/K

(2)

式中：K——安全系数。

2.3 护筒埋深计算

从护孔的角度来看，护筒长度越长，则桩孔的稳定性越好。但是随着护筒长度的加长，护筒的埋置难度逐渐增加，施工成本也相应增加。为此在护筒保留足够的护壁长度并使护筒最短是护筒设计的最佳方案。

考虑了满足抗渗和管涌的要求，通过临界水头坡度，可计算出发生塌孔或缩孔时的钢护筒最小入土深度：

(3)

式中：l——钢护筒最小入土深度，m；

h2——护筒内泥浆顶距地面高度，m；

h3——地下水距地面的距离，m；

rm——泥浆比重，kN/m3；

r′——护筒外土体的有效重度，kN/m3。

护筒长度为：

L=l+h1

(4)

根据以上理论可得本项目护筒长度在泥浆比重为1.25 g/cm3时为8.2 m，在泥浆比重为1.05 g/cm3时为8.7 m，为此在这两种泥浆比重情况下钢护筒长度取9 m；在不设泥浆护壁时，假设桩孔内外水位齐平，计算可得钢护筒长度为10.7 m，宜取12 m。

3 分析工艺及建模分析

本文主要从桩孔最大横向线位移角度采用有限元强度折减法进行位移分析，进一步对上文中的钢护筒长度公式进一步进行印证。

3.1 工况组合

在建模分析中采用的泥浆如表1所示[7-12]。

表1 泥浆参数比对表

3.2 本构模型及边界确定

土体本构模型(见图3)是对孔壁物理力学特性的表述。孙阳通过比较分析得出土体本构模型采用摩尔-库伦(Mohr-Coulomb)屈服准则能够较好地反映孔壁的力学特性[2]。本文在分析时采用有限元软件Midas GTS运用有限元强度折减法进行分析。

图3 本构模型图

摩尔-库伦(Mohr-Coulomb)屈服准则为：

(5)

式中：J1——第一偏应力张量不变量；

J2——第二偏应力张量不变量；

本文从桩孔线位移的角度分析孔壁稳定性，在添加护筒工况下，孔壁线位移处于0的状态。为此，本文在模型边界、添加护筒处节点上施加三个方向的线位移约束；在桩孔两侧施加施工平台，模拟桩孔顶部荷载情况[13-16]。

3.3 桩孔稳定性分析

桩孔的稳定性主要取决于土体力学参数、泥浆的护壁作用以及钢护筒的保护作用等。本文应用有限元软件Midas GTS的有限元强度折减法对不同泥浆比重(0～1.35)、不同护筒长度(0～20 m)条件下，桩孔的横向线位移的变化情况进行分析。桩孔横向线位移变化趋势图如图4～8所示。

图4 无泥浆时的桩孔横向线位移变化曲线图

图5 泥浆比重为1.05时的桩孔横向线位移变化图

图6 泥浆比重为1.15时的桩孔横向线位移变化图

图7 泥浆比重为1.25时的桩孔横向线位移变化曲线图

图8 泥浆比重为1.35时的桩孔横向线位移变化曲线图

由图可知：

(1)在钢护筒长度范围内，桩孔几乎不发生横向线位移。

(2)当设置较短钢护筒时(0～10 m)，在钢护筒底端，会首先出现较大横向线位移，增大塌孔可能性。

(3)随着桩孔的加深，桩孔横向线位移随孔深呈先增长后降低的趋势，且达到孔深的4/5左右时，桩孔线位移达到最大值。

(4)在同一种泥浆比重情况下，随着钢护筒长度的增加，均能使得桩孔横向线位移减小，即减少塌孔的发生，且不同护筒长度的桩孔横向线位移最大值均出现在孔深的4/5处左右。

3.4 结果分析

桩孔施工中，通过运用钢护筒和泥浆护壁，均可有效降低塌孔事故的发生。本文建模分析得出，随着钢护筒长度增加，可一定程度上减小横向线位移，但是增大到一定程度却显浪费。

4 结语

在工程实际中，通过泥浆护壁和钢护筒的运用，可有效提高桩孔的稳定性，本文运用管涌理论，即孔内外渗流差保持一定值，在此基础上提出钢护筒埋深的计算方法。结合哈牡客运专线工程实际，通过应用有限元强度折减法进一步印证本方法的适用性。由于钢护筒造价高昂，且实际施工中难以估算长度，为此本文通过提出钢护筒长度计算方法，得出钢护筒适宜长度，减少工程预算，为工程实践提供了有力的参考依据。