钢护筒钻孔灌注桩施工筒内合理土柱高度计算方法探讨

钢护筒钻孔灌注桩施工筒内合理土柱高度计算方法探讨

汪银广柏志诚张志远谭贞杰高兴

中建四局第六建设有限公司  安徽

摘要：以杭州某在建的会展中心项目为依托，研究钢护筒灌注桩施工钢护筒内土柱高度(留土高度)的对施工过程的影响，使用有限元方法对单桩施工过程进行建模，探讨施工过程中不同钢护筒如土深度(8m、12m、16m、20m、24m、28m和32m)，钢护筒内土柱的高度与孔内土体隆起变形的关系。结果表明：孔内土体隆起变形与留土厚度呈乘幂关系，随着留土厚度的减小隆起变形非线性增大；随着护筒入土深度逐渐增大，维持孔内土体稳定的最小留土厚度也逐渐增大，但随着护筒入土深度增大，最小留土厚度的增长率逐渐减缓；当护筒全部压入时，在护筒内留土厚度达到12m左右时即可保证开挖作业的稳定，即施工钢护筒内合理土柱高度为12m。

关键词：钢护筒钻孔灌注桩；有限元分析；合理土柱高度

1引言

钢护筒钻孔灌注桩施工多用于软土地基处理，增强地基承载力，减小软土地基的沉降变形。现在已有很多关于钻孔灌注桩施工的研究。庄妍等[1]人通过监测地铁附近土体水平位移，研究全套管灌注桩施工对邻近地铁的影响，结果表明全套管灌注桩施工不会对地铁盾构造成不利影响。徐云福和王立峰[2]对近邻桩基施工对城市地铁隧道的影响进行了分析，结果表明监测的隧道结构竖向与水平位移缓慢增加，会对桩身周边土体产生扰动。Wan等[3]通过现场试验，研究了大直径钻孔灌注桩在特厚细砂层中的性能，讨论了荷载-位移响应、轴阻力和单位基底阻力的变化，结果表明与后压浆前相比，后压浆后桩的桩身阻力和基底阻力均显著提高。Zhou等人[4]通过室内模型试验，研究了x型截面钻孔灌注桩在水平方向与竖直方向的位移模式，并提出了一种改进的模型用于预测灌注桩施工过程引起的径向位移。Ding等人[5]通过大型仪器的现场试验，研究了x型截面灌注桩施工过程中产生的土体响应，以及单桩和桩筏的承载力，结果表明，当向封闭式圆形桩提供相同体积的位移土时，x型截面灌注桩会产生较大的位移变化。现有的研究集中在桩基施工对周围土体或建筑的影响，或者桩基本身的力学特性与性能上，关注施工过程中钢护筒内土柱的高度的影响很少。而钢护筒内土柱高度是影响施工过程中钢护筒内土压力与水压力是否平衡的重要参数，因此本文主要以杭州某在建的会展项目为依托，研究钢护筒灌注桩施工钢护筒内土柱高度(留土高度)的对施工过程的影响，选择有限元软件对单桩施工过程进行建模，探讨施工过程中钢护筒内合理土柱的高度。

2 数值模型

2.1模型参数

考虑到项目钢护筒钻孔灌注桩+旋挖桩施工的复杂性，需要采用有限元方法进行计算。为此先对有限元方法的有效性加以验证。考虑到距地铁50米处工程试桩的监测数据最为全面，因此主要以此为基准加以验证对比计算。建立如图1所示的有限元模型进行计算，计算中所采用的土体模型参数如表1所示。计算模型中土体和钢护筒均采用实体单元模拟（土体采用C3D8RP单元，钢护筒采用C3D8R单元），土体本构关系采用 Mohr-Coulomb模型，钢护筒采用线弹性本构关系。摩尔库伦模型属于理想的弹塑性模型，当材料在屈服应力以下时，材料只发生弹性变形，但当材料的应力大于屈服应力时，材料就会发生不可恢复的塑性变形。且随着应力的增加，塑性变形不断发展，直至材料发生破坏。摩尔库伦模型在一定程度上可以表 现出土体的抗拉强度和抗压强度的不对称性，且与其他的本构模型相比，该模型更为简单实用，所需的参数较少且易测得，进行有限元分析中结果易收敛。因此本数值模拟中 土体的本构模型采用摩尔库伦模型进行模拟。

为便于建模计算，对各相似地层进行合并，总体上将地层从上至下划分为砂质粉土层、淤泥质粘土层、粉质粘土层和钙质粉砂岩层。采用总应力法进行施工过程的流固耦合分析，因此计算时土体密度为根据相关物理指标换算的干密度。具体计算中的分析步如表2所示。

表1 土体材料参数

表2 分析步汇总

2.2数值运算有效性验证

在各个分析步计算完成后，考虑到距离桩侧1m位置处的影响最大，将桩侧1m位置处的水平位移与实测数据进行对比，对比结果如图2所示。从对比结果可以看出采用有限元方法模拟该类问题是可行的。

为探讨护筒不同入土深度下管内留土厚度，根据护筒入土深度共设置7组计算工况，即护筒入土深度分别为8m、12m、16m、20m、24m、28m和32m。在护筒埋入土体一定深度后，进行孔内土体开挖。

3 结果与讨论

在护筒内取土留土的工况下，当孔内留土厚度达到一定值后，土体自重难以维持孔内渗流稳定，进而造成孔内突涌。因此，该工况的计算分析实际上同前述工况的分析一致，即为极限平衡分析。孔内土体隆起回弹变形在一定程度上反映了孔内土体的稳定性，因此计算分析时以孔内土体隆起量为评价依据，若当前留土厚度下孔内土体最大隆起回弹变形较前一留土厚度条件下的隆起变形明显增大，即认为当前计算条件下孔内土体已失稳，而前一留土厚度即为此护筒插入深度下挖土作业的最小留土厚度。

如图3所示为根据孔内土体隆起变形的变化确定的孔内土体最小留土厚度与护筒入土深度之间的关系。可见，两者呈正相关，随着护筒入土深度逐渐增大，维持孔内土体稳定的最小留土厚度也逐渐增大，但随着护筒入土深度增大，最小留土厚度的增长率逐渐减缓。回归分析表明，两者呈对数相关，相关系数为R2= 0.94，表明回归效果显著。由计算结果可见，当护筒全部压入时，在护筒内留土厚度达到12m左右时即可保证开挖作业的稳定，因此，计算得到的留土厚度是偏安全的。

需要说明的是在实际施工中，孔内留土厚度既不能太大，也不能太小。当筒内留土厚度过大时，桩端容易形成完全闭塞，此时钢护筒的打入类似于闭口桩的打入，会对地层造成极大的扰动，造成地层大范围隆起。当筒内留土厚度过小时，桩端土压过小，桩外土体容易出现绕流动进入筒内的趋势，容易加大护筒施工对地层的影响。建议施工过程中对筒内泥面标高、护筒顶部压力进行监控，当出现筒内泥面标高随着护筒下沉而下降较快或护筒顶部压力随着护筒下沉而突然大幅增加时，证明出现了完全土塞，极容易造成隧道隆起，必须对筒内进行立即取土。

4 结论

本文以杭州某在建的会展中心项目为依托，研究钢护筒灌注桩施工钢护筒内土柱高度(留土高度)的对施工过程的影响，选择ABAQUS对单桩施工过程进行建模，探讨施工过程中不同钢护筒如土深度(8m、12m、16m、20m、24m、28m和32m)，钢护筒内土柱的高度与孔内土体隆起变形的关系，得出如下结论：

1.总体来说，各工况下孔内土体隆起变形与留土厚度呈乘幂关系，随着留土厚度的减小隆起变形非线性增大，当留土厚度小于一定值后孔内隆起变形显著增大。

2.随着护筒入土深度逐渐增大，维持孔内土体稳定的最小留土厚度也逐渐增大，但随着护筒入土深度增大，最小留土厚度的增长率逐渐减缓。当护筒全部压入时，在护筒内留土厚度达到12m左右时即可保证开挖作业的稳定。

3. 建议施工过程中对筒内泥面标高、护筒顶部压力进行监控，当出现筒内泥面标高随着护筒下沉而下降较快或护筒顶部压力随着护筒下沉而突然大幅增加时，证明出现了完全土塞，极容易造成隧道隆起，必须对筒内进行立即取土。

参考文献

[1] 庄妍, 牟凡, 崔晓艳,等. 全套管灌注桩在临近地铁隧道的暗桥桩基工程中的应用[J]. 岩              土工程学报, 2015(S2):5.

[2] 徐云福, 王立峰. 近邻桩基施工对城市地铁隧道的影响分析[J]. 岩土力学, 2015(S2):6.

[3] Wan Z, Dai G, Gong W. Field study on post-grouting effects of cast-in-place bored piles in extra-thick fine sand layers[J]. Acta Geotechnica, 2019, 14(5): 1357-1377.

[4] Zhou H, Liu H, Randolph M F, et al. Experimental and analytical study of X-section cast-in-place concrete pile installation effect[J]. International Journal of Physical Modelling in Geotechnics, 2017, 17(2): 103-121.

[5] Ding X, Luan L, Liu H, et al. Performance of X-section cast-in-place concrete piles for highway constructions over soft clays[J]. Transportation Geotechnics, 2020, 22: 100310.