施工期間人工挖孔樁樁間土穩(wěn)定性分析

曹賢發(fā)，張家生，劉之葵，徐 進(jìn)

（1. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410075；2. 桂林理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院，廣西 桂林，541004；3. 馬克菲爾（長(zhǎng)沙）新型支檔科技開發(fā)有限公司，長(zhǎng)沙 410001）

1 引 言

《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[1]根據(jù)經(jīng)驗(yàn)規(guī)定了人工挖孔樁施工技術(shù)的最低要求，但未提出其樁間土穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)方法和標(biāo)準(zhǔn)，以致樁間土失穩(wěn)事故時(shí)有發(fā)生。人工挖孔樁樁間土失穩(wěn)，工程上俗稱竄孔，會(huì)導(dǎo)致樁孔內(nèi)混凝土廢棄，樁孔必須重新開挖、護(hù)壁必須重新施工、樁體必須重新澆筑，使工程造價(jià)增加、工期延誤。因此，有必要對(duì)人工挖孔樁樁間土穩(wěn)定性進(jìn)行研究。

目前，關(guān)于樁間土土拱效應(yīng)[2－4]、樁間土受力特性[5－7]和沉降[8]等方面已有較多研究，其成果對(duì)復(fù)合地基[9－11]和復(fù)合樁基[12－13]設(shè)計(jì)具有重要意義。然而，關(guān)于人工挖孔樁樁間土穩(wěn)定性的研究仍不多見。盡管趙秀紹[14]、孫瑞民[15]等研究了長(zhǎng)螺旋 CFG樁的竄孔機(jī)制，指出抽吸作用是其竄孔的直接原因，但人工挖孔樁施工對(duì)樁周土不存在明顯地抽吸作用，其失穩(wěn)機(jī)制和穩(wěn)定性分析方法仍有待研究。

本文探討了施工期間人工挖孔樁樁間土失穩(wěn)機(jī)制，用FLAC3D模擬分析了樁間土失穩(wěn)時(shí)的位移特征，建立了樁間土失穩(wěn)的力學(xué)模型，推導(dǎo)了樁間土穩(wěn)定系數(shù)及安全樁凈距的計(jì)算公式，探討了各主要因素對(duì)樁間土穩(wěn)定性的影響規(guī)律，提出了竄孔防治的有效措施，最后以工程實(shí)例驗(yàn)證了該方法的合理性。

2 樁間土的失穩(wěn)機(jī)制

人工挖孔樁灌注期間，樁間土失穩(wěn)主要經(jīng)歷灌注孔護(hù)壁破壞、樁間土壓縮變形、鄰近空樁混凝土護(hù)壁脫節(jié)或砌體護(hù)壁掉塊等3個(gè)階段。

灌注孔護(hù)壁的破壞是樁間土失穩(wěn)的前提?；炷磷o(hù)壁一般較薄，澆筑質(zhì)量較難保證。受隨深度線性增大的流動(dòng)混凝土壓力作用時(shí)，護(hù)壁較容易受拉破壞。護(hù)壁破壞后，樁孔受混凝土壓力擠壓而擴(kuò)大。受鄰樁護(hù)壁限制，樁間土?xí)a(chǎn)生較大的壓縮變形，同時(shí)，鄰樁護(hù)壁所受壓力也隨樁間土壓縮變形量增大而增大。

鄰樁護(hù)壁在樁間土一側(cè)的壓力大于另一側(cè)壓力，所受壓力不均勻。此時(shí)，混凝土護(hù)壁將向樁間土另一側(cè)同時(shí)發(fā)生平動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng)位移，導(dǎo)致護(hù)壁脫節(jié)；砌體護(hù)壁抗彎能力較弱，過大的水平位移使砌塊掉落?；炷磷o(hù)壁脫節(jié)或砌塊掉落處，樁間土很快滑入孔內(nèi)，竄孔通道形成并很快擴(kuò)大，樁間土失穩(wěn)由此發(fā)生。實(shí)踐也證明，樁間土失穩(wěn)時(shí)，砌體護(hù)壁以砌體掉塊為主，而混凝土護(hù)壁主要發(fā)生脫節(jié)，而破壞的情況較少見。

3 滑動(dòng)土體的空間分布

為建立樁間土穩(wěn)定性力學(xué)分析模型，先用FLAC3D有限差分軟件模擬分析樁間土失穩(wěn)時(shí)的位移特征以確定滑動(dòng)土體的空間分布。在水平面內(nèi)，樁心連線為對(duì)稱面，可按對(duì)稱問題建模，如圖1所示。注意凝聚力較大是為預(yù)防模型在開挖階段就達(dá)到失穩(wěn)狀態(tài)。模型開挖和灌注一次瞬時(shí)完成，混凝土對(duì)孔壁的作用通過向孔壁施加隨深度線性增加的法向壓力完成。按照灌注孔直徑和空樁直徑的3種不同組合分為3種工況，如圖2所示。各工況計(jì)算約 400時(shí)步后，最大不平衡力不再收斂，維持在4.5 kPa左右，模型已經(jīng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，此刻25 m深處的樁間土平面位移特征及樁心連線方向的位移關(guān)系見圖2。

圖1 數(shù)值仿真模型Fig.1 Numerical simulation model

圖2 25 m深度處的平面位移矢量圖Fig.2 Plane displacement vector diagram for depth of 25 m

從圖2中可以看出:距灌注孔越遠(yuǎn)，土體位移越小；位移呈水平或近似水平方向的各點(diǎn)顯然已處于滑動(dòng)失穩(wěn)狀態(tài)，滑動(dòng)土體寬度等于兩樁樁徑較小值；滑動(dòng)土體的位移與樁心連線基本平行；滑動(dòng)區(qū)以外，土體位移與灌注孔附近各點(diǎn)位移方向基本一致。將滑動(dòng)的土體作為穩(wěn)定性分析對(duì)象，孔壁處的邊界簡(jiǎn)化為圖2中的粗線所示，滑動(dòng)土體空間分布見圖3。

圖3 滑動(dòng)土體分布圖Fig.3 Distribution of sliding soil

4 穩(wěn)定性分析

設(shè)地面為z坐標(biāo)軸原點(diǎn)，向下為正方向，如圖3所示，取出滑動(dòng)土體進(jìn)行受力分析，則力的類型、分布特征及相互關(guān)系見圖 4。作用于滑動(dòng)土體上的混凝土壓力的合力Pc為

式中:z1、z2分別為滑動(dòng)土體頂面及底面埋深；d為滑動(dòng)土體寬度，取兩樁樁徑較小值；Δz為滑動(dòng)土體厚度；Hc為樁頂?shù)交瑒?dòng)土體中點(diǎn)的距離；γc為混凝土重度；pcz為混凝土作用于滑動(dòng)土體z深度處的壓力大小。

樁孔開挖對(duì)樁周土體擾動(dòng)較大，會(huì)向樁孔發(fā)生一定側(cè)向位移，因此護(hù)壁所受外力為樁周土的主動(dòng)土壓力，其大小為

式中:eaz為z深度處的主動(dòng)土壓力大小，其值按下式計(jì)算。

式中:Ka為主動(dòng)土壓力系數(shù)；σzm為滑動(dòng)土體中點(diǎn)深度處的土體豎向應(yīng)力。

將式（3）代入式（2），整理后得

圖4 滑動(dòng)土體力學(xué)模型圖Fig.4 Mechanical model of sliding soil

滑動(dòng)土體頂面與底面的抗剪力為

式中:Qt、Qb分別為滑動(dòng)土體頂面及底面抗剪力大?。籗ABEF、SCDGH為滑動(dòng)土體頂面及底面的面積；s為樁凈距；τt、τb為滑動(dòng)土體頂面及底面抗剪應(yīng)力大小，其值根據(jù)庫(kù)侖定律由下式計(jì)算:

式中:cr、φr為滑動(dòng)土體的黏聚力及內(nèi)摩擦角，建議取原狀土的殘余抗剪強(qiáng)度；σz1、σz2分別為z1、z2處土體的豎向應(yīng)力。

將式（6）代入式（5），整理可得

滑動(dòng)土體兩側(cè)ABCD與EFGH面上的抗剪切力均為

式中:Qs為滑動(dòng)土體側(cè)面抗剪力大??；τsz為滑動(dòng)土體側(cè)面z深度處的抗剪應(yīng)力大?。沪觭m為滑動(dòng)土體側(cè)面中點(diǎn) zm處的抗剪應(yīng)力大小，其值按下式計(jì)算:

式中:e0為滑動(dòng)土體側(cè)面中點(diǎn) zm處的靜止土壓力強(qiáng)度；K0為滑動(dòng)土層靜止側(cè)壓力系數(shù)。將式（9）代入式（8）得

樁間土失穩(wěn)時(shí)，混凝土護(hù)壁主要向另一側(cè)擠壓導(dǎo)致位移過大而發(fā)生脫節(jié)，砌體護(hù)壁以砌塊掉為主，同時(shí)也對(duì)另一側(cè)有擠壓作用。為簡(jiǎn)化計(jì)算，假設(shè)混凝土灌注期間，護(hù)壁向樁間土另一側(cè)的擠壓位移與開挖期間土體向樁心的位移抵消，則護(hù)壁對(duì)滑動(dòng)土體的抗力可視為滑動(dòng)層的靜止土壓力:

式中:E0為滑動(dòng)土體所受的靜止土壓力合力；e0z為滑動(dòng)土體側(cè)面中點(diǎn)z處的靜止土壓力。

設(shè)滑動(dòng)土體的穩(wěn)定系數(shù)K為

將式（1）、（4）、（7）、（10）、（11）代入式（12），整理后得

設(shè)臨界穩(wěn)定系數(shù)為Kcr。當(dāng) K≥Kcr時(shí)，判為穩(wěn)定，反之則不穩(wěn)定。 Kcr應(yīng)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定，不宜小于1.00。

灌注孔周圍有多個(gè)空樁時(shí)，可根據(jù)式（13）逐個(gè)驗(yàn)算灌注孔向任一空樁發(fā)生竄孔的可能性。為便于工程應(yīng)用，可先確定 Kcr，然后求出各樁的安全樁凈距 scr。當(dāng) s≥scr時(shí)，判為穩(wěn)定，反之，則不穩(wěn)定。根據(jù)式（13）移項(xiàng)變換可得

當(dāng)樁孔全部或大部分充滿水（泥漿）時(shí)，也可能發(fā)生竄孔，此時(shí)可將水（泥漿）重度替代式（13）、（14）中的混凝土重度γc進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算。

根據(jù)式（13）或式（14），可知，影響樁間土穩(wěn)定性的因素有滑動(dòng)土體的寬度、樁凈距、滑動(dòng)層的抗剪強(qiáng)度及殘余抗剪強(qiáng)度、滑動(dòng)層的埋深及厚度等。其他條件一定時(shí)，樁間土穩(wěn)定系數(shù)與滑動(dòng)土體寬度及混凝土面高差成反比，與樁凈距成正比，隨滑動(dòng)層的抗剪強(qiáng)度及殘余抗剪強(qiáng)度增大而增大。因此，控制兩樁孔之間的混凝土高度差、增加樁孔開挖凈距、加強(qiáng)護(hù)壁、減少施工對(duì)樁間土的擾動(dòng)等是防治竄孔的有效措施。

值得注意的是，當(dāng)其他條件一定時(shí)，Δz存在一個(gè)最不利值。小于該值時(shí)，K隨著滑動(dòng)層厚度的減小而增大；大于該值時(shí)，K隨著滑動(dòng)層厚度增大而增大，如圖5所示。該圖根據(jù)金盛廣場(chǎng)5#樓部分樁孔資料的分析結(jié)果繪制（圖例中的11vs14是指場(chǎng)地11#樁與14#樁之間的樁間土穩(wěn)定系數(shù)，下同）。因此，驗(yàn)算時(shí)，當(dāng)滑動(dòng)土體厚度較大時(shí)，最小的穩(wěn)定系數(shù)宜根據(jù)不同的滑動(dòng)土體厚度試算確定。

圖5 K-Δz關(guān)系曲線圖Fig.5 Relationships between K andΔz

5 工程實(shí)例

柳州市金盛廣場(chǎng)位于柳州市原東環(huán)菜市，5#樓高28層，地下室1層，為框架結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)采用85根人工挖孔樁，樁徑為0.8～2.2 m，樁凈距為1.5～9.0 m。土層厚為11.1～24.0 m，主要為棕黃色硬塑～可塑狀紅黏土，天然重度γ=17.8 kN/m3，黏聚力c=50 kPa，內(nèi)摩擦角φ=18°，殘余抗剪強(qiáng)度為cr=12 kPa、φr=5°。所有樁孔在7 d全面開挖，采用預(yù)制混凝土護(hù)壁，厚度約為7～12 cm。根據(jù)Kcr=1.00繪制出不同土層厚度及樁徑下的安全樁凈距 scr曲線圖（見圖6）。從圖中可以看出，滑動(dòng)土層越厚，埋深越大，其安全樁間凈距越大，樁間土的穩(wěn)定系數(shù)就越小，其穩(wěn)定性就越差。

圖6 scr與土層厚度關(guān)系曲線Fig.6 Relationships between scrand soil thickness

根據(jù)圖6可對(duì)樁間土穩(wěn)定性進(jìn)行快速分析。例如，在3#與4#樁的樁間土中，兩樁樁徑相同，滑動(dòng)土層寬度取 0.8 m，土層厚度取兩樁孔較小值，為13.9 m，據(jù)此查圖6中的d=0.8 m曲線可得scr=2.5 m，兩樁實(shí)際凈距s =3.0 m，滿足 s≥scr，故可判定3#與4#樁的樁間土是穩(wěn)定的。同理，可根據(jù)上述方法對(duì)場(chǎng)地其他樁孔間的樁間土進(jìn)行分析，部分樁間土的穩(wěn)定性分析結(jié)果見表1。

表1 樁間土穩(wěn)定性分析表Table 1 Stability analysis of soil between piles

實(shí)際施工時(shí)，3#與4#樁沒有發(fā)生竄孔，而 11#和45#樁澆筑時(shí)，分別向14#及38#樁發(fā)生了竄孔，與表1分析結(jié)果基本相符。由此可知，安全樁凈距不是固定值，它與土層分布及工程性質(zhì)、樁的幾何尺寸等因素有關(guān)，本文對(duì)樁間土穩(wěn)定性的判定較合理、實(shí)用。

6 結(jié) 論

（1）樁間土失穩(wěn)時(shí)，滑動(dòng)土體位移平行于樁心連線，其寬度等于兩樁樁徑較小值。

（2）樁間土穩(wěn)定系數(shù)和安全樁凈距分別按本文式（13）、（14）計(jì)算。當(dāng)樁間土的安全系數(shù)大于臨界穩(wěn)定系數(shù)或樁間凈距大于安全樁凈距時(shí)，樁間土應(yīng)判為穩(wěn)定，否則應(yīng)判為不穩(wěn)定。

（3）樁間土穩(wěn)定系數(shù)與滑動(dòng)土體寬度及埋深成反比，與樁凈距成正比，隨滑動(dòng)層的抗剪強(qiáng)度及殘余抗剪強(qiáng)度增大而增大，而滑動(dòng)層厚度則存在一個(gè)最不利值，可通過試算確定。

（4）控制兩樁孔之間的混凝土高度差、增大樁孔開挖凈距、加強(qiáng)護(hù)壁、減少施工對(duì)樁間土的擾動(dòng)等是防治竄孔的有效措施。

（5）工程實(shí)例表明，本文提出的樁間土穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法簡(jiǎn)單、實(shí)用，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際施工時(shí)所觀察的結(jié)果基本相符，可用于以黏性土為主的人工挖孔樁場(chǎng)地。

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