胡瑞豐，鄭學(xué)元

（中土大地國(guó)際建筑設(shè)計(jì)有限公司，河北 石家莊 050022）

0 引 言

長(zhǎng)螺旋鉆孔泵壓素混凝土樁（CFG樁）因其具有施工速度快、工期短、質(zhì)量容易控制、工程造價(jià)低廉等特點(diǎn)，目前已成為北方地區(qū)應(yīng)用最普遍的地基處理技術(shù)之一。但是隨著 CFG樁的大面積推廣應(yīng)用，工程施工中出現(xiàn)的質(zhì)量問題也越來越多，尤其在軟土地區(qū)，CFG樁施工過程中常會(huì)出現(xiàn)串孔、縮頸、斷樁等嚴(yán)重影響成樁質(zhì)量的問題，很大程度上限制了這一技術(shù)在軟土地區(qū)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

大量工程實(shí)踐表明，CFG樁施工過程中產(chǎn)生的串孔、縮頸、斷樁等一系列工程質(zhì)量問題多出現(xiàn)在含有深厚軟弱土層，且土體含水量較大的地區(qū)。閆明禮等[1]對(duì) CFG樁在含深厚軟弱土層地區(qū)應(yīng)用中較易出現(xiàn)的質(zhì)量問題以及處理方法進(jìn)行了詳細(xì)闡述；趙秀紹[2]針對(duì)鄭州地區(qū) CFG樁施工引起的工程環(huán)境問題進(jìn)行了試驗(yàn)研究，提出了一些針對(duì)性的改進(jìn)措施；文獻(xiàn)[3-6]針對(duì)長(zhǎng)螺旋鉆孔泵壓 CFG樁在深厚軟弱土層中的應(yīng)用進(jìn)行了深入探討，提出了控制成樁質(zhì)量的具體措施。本文針對(duì)滄州河間某項(xiàng)目 CFG樁施工中出現(xiàn)的串孔問題進(jìn)行理論分析，采用ABAQUS軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，找出引起串孔現(xiàn)象的內(nèi)在原因，將模擬結(jié)果與施工參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，得出的結(jié)論對(duì)工程實(shí)踐具有一定的指導(dǎo)意義。

1 項(xiàng)目概況

滄州河間某項(xiàng)目位于河間市西北部，長(zhǎng)卿街與勝利路交叉口。據(jù)勘察報(bào)告，場(chǎng)地地貌單元位于永定河、大清河、子牙河、南運(yùn)河、宣惠河等“黑龍港流域”形成的沖擊、沼澤相沉積平原的東部。樁長(zhǎng)范圍內(nèi)土層分布主要有粉質(zhì)黏土、粉土、粉質(zhì)黏土夾粉土層。場(chǎng)地水位埋深位于地面下10 m左右，水位較高。樁頂標(biāo)高約為地面下5 m。

樁長(zhǎng)范圍內(nèi)地層情況如表1所示。

表1 樁長(zhǎng)范圍內(nèi)地層情況統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical table of ground conditions within the range of pile length

項(xiàng)目包含 17棟住宅樓及地下車庫，住宅樓均采用CFG樁復(fù)合地基，出現(xiàn)串孔現(xiàn)象的6號(hào)樓樁設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

表2 6號(hào)樓CFG樁設(shè)計(jì)參數(shù)Table 2 Design parameters of CFG pile in building 6

2 施工中存在的問題

該項(xiàng)目首先進(jìn)行6號(hào)樓的CFG樁施工，施工過程中部分樁混凝土面出現(xiàn)下沉現(xiàn)象。如圖1所示，43號(hào)樁施工完成后，接著施工44～50號(hào)樁，鉆機(jī)折返施工51～59號(hào)樁，在52號(hào)樁成孔完成開始灌注時(shí)，發(fā)現(xiàn) 43號(hào)樁混凝土面有下沉現(xiàn)象，初步判斷43號(hào)樁和52號(hào)樁之間出現(xiàn)串孔情況，隨即采取措施：正在施工中的 52號(hào)樁鉆桿停止提升，在原位繼續(xù)灌注，試圖利用 52號(hào)樁孔內(nèi)混凝土壓力將43號(hào)樁混凝土面向上抬升。繼續(xù)灌注后通過測(cè)量發(fā)現(xiàn)43號(hào)樁孔內(nèi)混凝土面有一定抬升，但仍未達(dá)到設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高，此時(shí)52號(hào)孔由于鉆桿埋深過大，已無法繼續(xù)灌注，經(jīng)與建設(shè)單位及監(jiān)理單位現(xiàn)場(chǎng)協(xié)商后繼續(xù)施工，待開槽后對(duì)43號(hào)樁視情況做后續(xù)處理。

從圖1可以看出，樁身混凝土已部分凝固，中間混凝土下沉，下沉深度為30 cm。后根據(jù)設(shè)計(jì)單位處理意見，將上部樁體鑿除進(jìn)行補(bǔ)樁處理，處理后經(jīng)載荷試驗(yàn)，樁體承載力滿足設(shè)計(jì)要求。

圖1 CFG樁施工順序及43號(hào)樁樁頂混凝土面下沉Fig. 1 Construction sequence of CFG pile and concrete surface sinking at the top of pile 43

后續(xù)施工中為保證成樁質(zhì)量，采用隔樁跳打，避免了類似情況的再次出現(xiàn)，開槽后發(fā)現(xiàn)成樁效果較好。

3 基于 ABAQUS的樁周土體孔壓變化分析

針對(duì)上述情況，采用 ABAQUS軟件對(duì)成樁過程中樁周土體的孔隙水壓力變化進(jìn)行有限元分析，找出成樁過程中引起串孔現(xiàn)象的內(nèi)部作用機(jī)理，為后續(xù)工程采取規(guī)避措施提供可靠依據(jù)。

（1）計(jì)算所采用的本構(gòu)模型及參數(shù)選取

ABAQUS提供了一系列用于模擬巖土體的本構(gòu)模型，如彈性模型中的線彈性模型、多孔介質(zhì)彈性模型和線黏彈性模型，塑性模型中的Mohr-Coulomb模型、擴(kuò)展的Drucker-Prager模型、修正Drucker-Prager帽蓋模型和臨界狀態(tài)塑性模型（Critical state plasticity model），即修正劍橋模型[7]。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，考慮本工程施工過程中出現(xiàn)的樁頂混凝土面下沉現(xiàn)象是由串孔引起的，結(jié)合勘察報(bào)告中的地層描述，以及出現(xiàn)串孔現(xiàn)象時(shí) 52號(hào)樁內(nèi)鉆桿位置等信息，綜合判斷串孔現(xiàn)象可能出現(xiàn)的位置位于樁身范圍內(nèi)地下水位以下飽和粉土層。對(duì)本工程樁周土體的孔隙水壓力變化情況進(jìn)行數(shù)值模擬，采用線彈性模型較為準(zhǔn)確，參數(shù)選取也較為簡(jiǎn)單。

根據(jù)勘察報(bào)告，出現(xiàn)串孔的土層深度約為地面下15 m，該層土天然含水量最大值41.6%，最小值為16.9%，平均值28%，接近液限，土質(zhì)不均勻，屬高壓縮性土。該層土厚約2 m，重度為19.2 kN/m3，壓縮模量為4.39 MPa，黏聚力為16.8 kPa，內(nèi)摩擦角為11.6°，滲透系數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值10-8m/s，泊松比為0.3[8-10]。

（2）基于 ABAQUS的樁周土體孔壓變化規(guī)律分析

對(duì)52號(hào)樁和43號(hào)樁中間區(qū)域（深度為地面下15 m）選取部分土體進(jìn)行ABAQUS數(shù)值模擬，建立三維模型，尺寸根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙確定為 1.0 m×0.8 m×0.1 m，如圖2所示。

圖2 模型尺寸Fig. 2 Model size

對(duì)該模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共劃分為1 000個(gè)單元，見圖 3。因需要對(duì)施工過程中土體內(nèi)孔壓變化以及固結(jié)沉降進(jìn)行分析，因此分析過程定義兩個(gè)瞬態(tài)固結(jié)分析步。第一個(gè)分析步中施加荷載，所有荷載都為瞬時(shí)施加；第二個(gè)分析步為成孔過程中鉆桿對(duì)土體切削擠壓作用對(duì)土體孔隙水壓力變化的影響。

圖3 模型網(wǎng)格劃分Fig. 3 Model meshing

成孔完成后灌注混凝土之前，孔周土體存在臨空面，因此需在第二個(gè)分析步將 52號(hào)樁孔周土體邊界條件設(shè)為排水。

對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析，孔隙壓力變化云圖如圖4和圖5所示，圖4為成孔初期荷載施加瞬間樁周土體孔壓變化云圖，圖5為成孔完成后樁周土體內(nèi)孔隙壓力云圖，從圖中可以看出，樁成孔初期靠近新成孔的樁周土體孔壓升高最為明顯，隨著時(shí)間推移，新成孔逐漸完成，孔周形成臨空面，最大孔壓逐漸向已成孔靠近，成孔完成后樁間土體內(nèi)孔隙水壓力均有明顯提高，最大值達(dá)到211.6 kPa，已明顯超過上覆土重，土體強(qiáng)度降低。

圖4 荷載施加瞬間樁間土孔隙壓力變化云圖Fig. 4 Cloud map of soil pore pressure loading between piles at the moment of loading

圖5 樁成孔完成后樁間土體孔隙壓力變化云圖Fig. 5 Cloud map of pore pressure between piles after pile pore completed

圖6為孔隙壓力在分析區(qū)域內(nèi)橫向變化規(guī)律，從圖中可以看出，鄰近 52號(hào)樁位置孔壓變化最為明顯，變化幅度也最大，在成孔初期孔壓最大值達(dá)到297 kPa，已大大超過上覆土重，隨著位置向43號(hào)樁靠近，孔壓變化幅度越來越小，但最大孔壓值也都超過了該位置的上覆土重，致使土體強(qiáng)度降低，在圍壓作用下樁周土體容易向新成孔內(nèi)流動(dòng)，形成串孔。

圖6 孔隙壓力橫向變化規(guī)律Fig. 6 Lateral variation of pore pressure

成孔過程中孔隙壓力先上升后下降的變化趨勢(shì)與文獻(xiàn)[2]描述的孔隙壓力在樁施工期間均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果有明顯差異。分析認(rèn)為造成這種現(xiàn)象的原因是由于文獻(xiàn)[2]采用的孔壓計(jì)量程偏大，數(shù)據(jù)讀取的精度有限，而通過數(shù)值模擬可見最大孔壓出現(xiàn)的時(shí)間較短，試驗(yàn)過程中有些數(shù)據(jù)可能會(huì)出現(xiàn)漏讀等情況，從而造成試驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果的差異。

圖7為分析區(qū)域中心點(diǎn)孔壓變化以及有效應(yīng)力變化趨勢(shì)，土體孔隙壓力在成孔過程中有先上升后下降的趨勢(shì)，同時(shí)隨著孔隙壓力降低，有效應(yīng)力逐步升高，造成土體固結(jié)沉降，而這種固結(jié)沉降不能在短時(shí)間內(nèi)完成，這也解釋了為什么部分工程在CFG樁施工完成一段時(shí)間后才發(fā)現(xiàn)周邊地表沉降及裂縫，施工過程中卻沒有明顯變化。

圖7 中心點(diǎn)孔隙壓力和有效應(yīng)力變化規(guī)律Fig. 7 Variation of pore pressure and effective stressat the central point

43號(hào)孔所呈現(xiàn)的樁體混凝土中心下沉周邊凝固現(xiàn)象說明52號(hào)樁是在43號(hào)樁施工完成一段時(shí)間以后再進(jìn)行施工的，說明樁體混凝土未完成初凝之前，相鄰樁施工仍會(huì)對(duì)已成樁造成影響。

（3）基于ABAQUS的樁周土體位移分析

長(zhǎng)螺旋施工過程中常會(huì)出現(xiàn)螺旋葉片之間的孔隙沒有被土體充滿的情況，如圖8所示。

圖8 樁間土擬分析區(qū)域示意圖Fig. 8 Schematic diagram of analytical area between piles

施工中這種沒有充滿土的空間正好對(duì)樁周土體形成臨空面，為樁周土體向孔內(nèi)移動(dòng)創(chuàng)造有利條件。利用 ABAQUS對(duì)該部分土體位移進(jìn)行分析，模型尺寸見圖9。

圖9 樁間土擬分析區(qū)域模型尺寸Fig. 9 Model size of analytical soil between piles

由于分析過程中土體可能會(huì)出現(xiàn)大變形的情況，巖土材料模型采用Mohr-Coulomb模型，其中剪脹角和絕對(duì)塑性應(yīng)變均取 0，其余土體參數(shù)和鉆孔深度不變，樁周土體的位移云圖如圖10所示。

圖10 樁周土體位移云圖Fig. 10 Cloud map of soil displacement around the pile

模擬結(jié)果顯示在土體自重荷載以及圍壓作用下，樁周土體通過螺旋葉片中間的臨空面向新成孔內(nèi)位移量達(dá)到9.3 mm，這其中部分土體會(huì)被旋轉(zhuǎn)的葉片帶出鉆孔，造成鉆孔過程中的過量取土。

樁周土體位移量的大小與土體參數(shù)有很大的關(guān)系，表2列出了土的黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ對(duì)位移的影響。

表2 不同c、φ值對(duì)應(yīng)的樁間土水平位移量Table 2 Horizontal displacement of soil between piles corresponding to different values of c and φ mm

從表2數(shù)據(jù)可以看出，不同土體強(qiáng)度所對(duì)應(yīng)的位移量變化較大，尤其對(duì)處于軟塑或流動(dòng)狀態(tài)的軟土，臨空面的存在會(huì)造成樁周土大量流向樁孔內(nèi)并隨鉆桿葉片帶出地面，造成兩樁中間土體部分缺失，土體強(qiáng)度進(jìn)一步降低。這也是造成串孔的主要原因。

不論對(duì)于何種土質(zhì)條件，長(zhǎng)螺旋成孔過程對(duì)樁周土體位移的影響是普遍存在的，只是這種影響會(huì)隨著土體強(qiáng)度的降低而更加明顯，因此軟土地區(qū)長(zhǎng)螺旋施工必須采取有效措施保證成樁質(zhì)量。

此外，樁間土體的位移也會(huì)隨著鉆孔深度的增加而變化，表3為樁間土位移量隨深度變化的數(shù)值模擬結(jié)果。

表3 不同鉆孔深度樁周土體水平位移量Table 3 Horizontal displacement of soil around piles with different drilling depths

由表3可見成孔過程中土體的橫向位移量隨鉆孔深度而逐漸增大。這也解釋了工程實(shí)踐中大量串孔的發(fā)生是在距離地面一定深度處的軟弱土層，而不是埋藏較淺的土層。

由于鉆桿葉片中間臨空面的存在為土體位移創(chuàng)造了必要條件，因此合理減小葉片螺距，使鉆出土充滿葉片之間區(qū)域，同時(shí)適當(dāng)增加鉆進(jìn)和提鉆速度，能有效降低樁周土體位移趨勢(shì)。

施工過程中出現(xiàn)串孔現(xiàn)象以后，經(jīng)初步分析認(rèn)為引起串孔現(xiàn)象的原因可能是由于樁距較小，樁長(zhǎng)范圍內(nèi)存在軟弱土層等，因此采取隔樁跳打的措施，后期又出現(xiàn)過一次類似現(xiàn)象，由于發(fā)現(xiàn)及時(shí)，采取鄰近樁回灌等措施，未出現(xiàn)樁體質(zhì)量缺陷，經(jīng)檢測(cè)樁基承載力和樁身完整性都符合設(shè)計(jì)要求。其余樓棟 CFG樁施工均采用隔樁跳打方式，未出現(xiàn)串孔及樁頂混凝土下沉現(xiàn)象。

4 結(jié) 論

軟土地區(qū) CFG樁施工過程中較易出現(xiàn)串孔現(xiàn)象，通常會(huì)造成已施工樁混凝土面下沉，出現(xiàn)樁身質(zhì)量問題。通過ABAQUS數(shù)值模擬軟件對(duì)施工期間樁間土體孔隙水壓力變化以及成孔過程對(duì)樁周土體的位移變形等影響進(jìn)行模擬分析，發(fā)現(xiàn)成孔過程會(huì)造成樁周土體孔壓明顯升高，雖然持續(xù)時(shí)間很短，但足以使土體強(qiáng)度降低，同時(shí)成孔過程中臨空面的存在造成樁周土體產(chǎn)生向新成孔內(nèi)的位移變形，造成土體強(qiáng)度進(jìn)一步降低并引發(fā)串孔。實(shí)踐證明，增大樁間距，隔樁隔排跳打能減少串孔現(xiàn)象的發(fā)生。