砂土中钻孔灌注桩孔壁稳定性影响因素分析

砂土中钻孔灌注桩孔壁稳定性影响因素分析

1理论分析方法研究具有较强的钻孔钻孔钻孔适应性，施工简单，无地震破坏，噪音小，支撑结构高，在中国得到广泛应用。钻孔灌注桩的施工难点为孔壁稳定性问题,稍有不慎,极易发生缩径、塌孔等质量事故。土体性质、泥浆情况、孔深、孔半径、施工机械等因素均会对钻孔灌注桩的孔壁稳定性产生影响,加之土体性质复杂、离散性大,因此孔壁稳定性技术分析一直是个难点。许多学者尝试从不同角度研究不同因素对钻孔灌注桩孔壁稳定性的影响。李小青和乌效鸣研究了土层物理力学性质、地下水、泥浆对孔壁稳定性的影响;胡晓敏和李之达通过对成孔过程中孔壁土体应力分析,提出孔壁土体应力的解析表达式,提出了桩孔中泥浆最小、最大深度的概念,并依此判断孔壁稳定性;刘之葵等基于弹性理论,推导了孔壁土体应力计算公式,采用莫尔–库仑极限平衡准则对孔壁稳定性进行了判别;唐宏假定孔壁土体破坏满足理想塑性理论及库仑准则,利用极限分析法的上限定理对土体中泥浆护壁钻孔的极限孔深问题进行计算研究;陈国灿将成层地基中钻孔灌注桩成孔后土体受力问题抽象为圆柱形孔在自重、均布面荷载和泥浆压力作用下的稳定性问题,分析了钻孔灌注桩施工过程中孔壁稳定的条件;时仓艳基于莫尔–库仑理想弹塑性理论和圆孔扩张理论,对钻孔后土体应力变化状态进行分析,建立了孔壁稳定性计算公式;薛金贤研究了施工工艺以及施工机械对孔壁稳定性的影响;李尚飞等针对钻孔灌注桩钻孔的卸荷效应及孔周土体蠕变特性,分析了孔壁受力变化机制与变形规律。上述学者大多采用理论解析方法分析孔壁稳定性,得到了有意义的结论。但理论解析方法有自身局限性,不能考虑多因素的影响,而钻孔灌注桩孔壁稳定性不仅与土的物理力学性质、地下水位、泥浆护壁等因素有关,还与土体空间分布特性、边界条件等因素相关。有限元法作为一种成熟的分析方法,可以弥补理论解析方法的缺点,能很好地对土体应力状态、变形、土体分层情况、外界荷载等因素进行模拟。王云岗采用数值模拟的方法,研究了结构性软土地基中钻孔灌注桩施工对桩周土体的扰动。有限元强度折减法被广泛用于边坡、隧道、基坑等领域的稳定性分析中,本文采用有限元强度折减法,研究土体性质、泥浆相对密度、孔深、孔半径等因素对钻孔灌注桩孔壁稳定性的影响,有助于深入认识孔壁稳定性这一关键工程问题。2土体横向变形模量分析有限元分析采用岩土工程数值分析软件Plaxis7.2,土体本构模型选用莫尔–库仑理想弹塑性模型,分析对象为饱和土体:黏性土分析根据总应力原理,强度参数为总应力参数;砂性土分析根据有效应力原理,强度参数为有效应力参数。钻孔灌注桩孔壁稳定分析模型为轴对称模型,典型的计算分析模型如图1所示,其中L为孔深,D为孔半径。泥浆作用通过施加静水压力来实现。孔壁稳定性判别指标为孔壁土体塑性区半径比Cs(塑性区半径Rs与孔半径D比值,如图2所示)和按有限元强度折减法计算得到的稳定性安全系数Fs,即式中:c,ϕ分别为土体当前的黏聚力和内摩擦角;cF,ϕF分别为土体破坏时的黏聚力和内摩擦角。成孔施工过程,孔壁土体经历了侧向卸荷的应力路径,土体向孔内变形属于侧向卸荷变形,变形分析时土体模量应采用考虑应力路径与应力水平影响的侧向卸荷变形模量,有式中:E0,0为地表土体变形模量,取1MPa;λ为应力路径影响系数,与应力路径、土体性质有关;σz′为竖向有效应力(MPa)。根据袁静等的黏性土试验结果,黏性土侧向卸荷模量应力路径影响系数λ=100;根据胡琦的砂性土试验结果,砂土侧向卸荷模量应力路径影响系数λ=160。土体饱和相对密度γs=18kN/m3,静止侧压力系数K0=1-sinϕ。3孔壁稳定性分析3.1土体塑性区与孔壁土体变形量随深度的规律首先研究土体性质及抗剪强度对孔壁稳定性的影响,最大塑性区半径比与孔壁稳定性分析结果如表1所示,固定孔深L=20m,孔半径D=0.5m,泥浆相对密度Gm=1.1。不同土性的孔壁土体塑性区分布模式如图3所示。结合表1的分析结果可以看出:在黏性土地基中,孔壁塑性区分布模式与深度有关,塑性区半径随着深度逐步增大,同时塑性区半径还随着土体内摩擦角的增大而减小,孔壁稳定性安全系数随着土体内摩擦角的增大而增大;砂土地基中,土体塑性区分布模式与塑性区半径大小随深度变化不大,塑性区半径及塑性区半径比随着土体内摩擦角的增大而减小,孔壁稳定性安全系数随着内摩擦角的增大而增大。不同土质地基中的孔壁变形分析结果如图4所示,从孔壁变形分析结果中可以看出:与土体塑性区分布模式类似,在黏性土地基中,孔壁土体变形量与深度有关,土体变形随着深度逐步增大;砂土地基中,孔壁土体变形量随深度变化不大,且变形量很小。综合孔壁土体塑性区分布模式、孔壁稳定性与孔壁土体变形分析结果,可以得到以下结论:(1)黏性土地基中,土体内摩擦角低、土体抗剪强度随深度增加的速率慢、同时侧压力系数大、成孔后孔壁土体侧向卸荷量大、孔壁土体竖向应力与侧向应力差也大,因此黏性土地基中深层土体更容易产生较大的塑性区以及较大的变形;但受黏聚力的影响,孔壁土体虽然产生了较大的塑性区与变形,孔壁土体应力重分布后更容易达到新的平衡,因此孔壁土体稳定性安全系数较大。(2)砂土地基中,土体内摩擦角大、土体抗剪强度随深度增加的速率快、同时侧压力系数小、成孔后孔壁土体侧向卸荷量小、孔壁土体竖向应力与侧向应力差也小,因此砂土地基中土体塑性区以及变形小;但由于是无黏性土,孔壁土体产生一定的塑性区后,很容易发生破坏,同时这种破坏会向四周蔓延扩散,最终形成坍孔。上述结论简而言之:黏性土地基中深层孔壁土体易发生缩径;砂土地基中易发生坍孔。3.2微胶囊土体相对密度的作用机理孔壁稳定性的一个重要影响因素是泥浆相对密度,泥浆不仅能提高孔壁土体的侧压力、减小侧向卸荷量,还能在孔壁形成泥皮防止无黏性土地基局部坍孔,提高孔壁稳定性。但泥浆相对密度太大会增大施工难度,且对桩承载力产生影响。张广兴研究了泥皮性状对钻孔桩承载力的影响,认为泥浆相对密度过大、泥皮太厚会降低桩承载力。因此研究泥浆相对密度对孔壁稳定性的影响,为合理选取泥浆相对密度提供指导具有很重要的意义。泥浆相对密度对塑性区半径比与孔壁稳定性的影响分析结果如表2所示。固定孔深L=20m,孔半径D=0.5m。从分析结果中可以看出:在黏性土地基中,泥浆相对密度对孔壁塑性区半径与孔壁稳定性的影响基本成线性关系,泥浆相对密度增大,孔壁塑性区半径减小,孔壁稳定性提高;砂土地基中,当泥浆侧压力小于静止侧压力时,即式中:γ,γw,γ′分别为泥浆、水与土体有效相对密度;H,Hw,Hs分别为泥浆、水与土体深度。当式(4)成立时,孔壁有显著的塑性区,孔壁稳定性安全系数小,易发生坍塌孔;当泥浆侧压力等于或大于静止侧压力(γH≥γwHw+K0γ′Hs)时,孔壁土体没有侧向卸荷,因此几乎没有塑性区,孔壁稳定性安全系数大,能有效减小坍孔的可能性。泥浆相对密度对孔壁土体变形的影响分析结果如图5所示:与土体塑性区分析结果类似,在黏性土地基中,泥浆相对密度对孔壁土体变形的影响基本成线性关系,泥浆相对密度增大,孔壁变形减小;砂土地基中,孔壁变形量均较小,但当γH<γwHw+K0γ′Hs时,孔壁土体有一定的塑性变形,当γH≥γwHw+K0γ′Hs时,孔壁土体没有侧向卸荷,孔壁土体几乎没有变形。上述结论简而言之:黏性土地基中,提高泥浆相对密度能减小深层孔壁土体的缩径量;砂土地基中,泥浆相对密度应使得泥浆侧压力不小于土体静止侧压力(即γH≥γwHw+K0γ′Hs)。3.3土体变形影响分析孔半径对塑性区半径比与孔壁稳定性的影响如表3所示,固定孔深L=20m,泥浆相对密度Gm=1.1。孔半径对孔壁土体变形的影响分析结果如图6所示。结合表3的分析结果可以看出:在黏性土地基中,孔半径对孔壁塑性区半径、孔壁稳定性、深层土体侧向变形的影响也基本成线性关系,孔半径越大,孔壁塑性区半径比越大,孔壁稳定性越低,深层土体的缩径量越大;砂土地基中,孔壁稳定性也受到孔半径的影响,孔半径越大,孔壁稳定性越低,但孔壁塑性区半径比基本保持不变。3.4深层、土体变形分析模型孔深对塑性区半径比与孔壁稳定性的影响如表4所示,固定孔半径D=0.5m、泥浆相对密度Gm=1.1。孔深对孔壁土体变形的影响分析结果如图7所示。从分析结果中可以看出:黏性土地基中,随着孔深的增大,深层土体卸荷量增大,孔壁塑性区半径增大、孔壁稳定性降低、深层土体侧向变形增大;砂土地基中,随着孔深的增大,深层土体卸荷量增大,但砂土内摩擦角大,因此土体抗剪强度随深度也增大,因此孔壁稳定性、塑性区半径以及侧向变形受孔深的影响不大,即砂土地基中浅层土体与深层土体均容易坍孔。4无黏土地基中孔壁稳定性分析通过研究土体性质、泥浆相对密度、孔深、孔半径等因素对钻孔灌注桩孔壁稳定性的影响,得到了以下主要结论:(1)黏性土地基中,土体内摩擦角小、土体抗剪强度随深度增加的速率慢、同时侧压力系数大、成孔后孔壁土体侧向卸荷量大、孔壁土体竖向应力与侧向应力差也大,因此孔壁塑性区分布模式与深度有关,深层土体更容易产生较大的塑性区以及较大的变形;但受黏聚力的影响,孔壁土体应力重分布后更容易达到新的平衡,因此孔壁土体稳定性安全系数较大。(2)砂土地基中,土体内摩擦角大、土体抗剪强度随深度增加的速率快、同时侧压力系数小、成孔后孔壁土体侧向卸荷量小、孔壁土体竖向应力与侧向应力差也小,因此砂土地基中土体塑性区以及变形小;但由于是无黏性土,孔壁土体产生一定的塑性区后,很容易发生破坏,同时这种破坏会向四周蔓延扩散,最终形成坍孔。(3)提高泥浆相对密度能减小黏性土地基孔壁土体的缩径量,提高孔壁稳定性。砂土地基中,当泥浆侧压力小于静止侧压力时,孔壁有显著的塑性区、孔壁稳定性安全系数小、易发生坍塌孔;当泥浆侧压力等于或大于静止侧压力时,孔壁土体没有侧向卸荷,几乎没有塑性区、孔壁稳定性安全系数大、能有效减小坍孔的可能性,因此砂土地基中最小泥浆相对密度应使得泥浆侧压力不小于土体静止侧压力。(4)黏性土地基中,孔半径越大、孔越深,孔壁塑性区半径比越大、孔壁稳定性越低、深层土体的缩径量越大;砂土地基中,孔壁稳定性也受到孔半径的影响,孔半径越大孔壁稳定性越低,但孔壁塑性区半径比基本保持不变,孔深对孔壁稳定性、塑性区半径以及侧向变形