全套管钻进施工法具有工效快、质量好、投资省和有利于文明施工等优点, 全套管灌注桩已成为国际上最流行的钻孔灌注桩, 也是目前世界上钻孔灌注桩中最为先进的一种^[1,2]。目前国外主要采用专用设备进行全套管施工, 因其成本较高, 我国目前很少用此种设备。根据我国的国情, 旋挖钻机保用量大, 用旋挖钻机配合特殊的钻具和钻进工艺设备进行全套管钻进、用拔管机起拔套管的方法已成为适合我国国情的在易坍塌、缩孔和卵砾石地层中钻进成本较低的工法之一^[3]。该施工方法在成孔过程中采用预钻孔或钻头超前钻进、钢管护筒跟进护壁的方式可克服由于土塞引起挤土问题而导致的桩侧阻力增大、沉管拔管难等问题^[4], 降低施工难度的同时加快了施工进度, 在充分发挥地基土承载力的基础上, 可实现多快好省地为城市建设服务。

近年来, 对于预钻孔深度以及钻头钻进超前深度的确定, 并无相关的定量探索与研究, 这使得施工过程中只能根据现场施工情况, 按照工程人员的经验作判断, 无法有效地达到节约护筒用量、降低成本、加快施工速度的目的, 导致了该施工方法得不到有效的推广应用。

本文针对以上问题提出一种基于变形控制的孔壁支护依据, 利用有限差分法软件FLAC3D对全钢护筒旋挖灌注桩成孔过程进行数值模拟, 初步分析探讨了3种黏性土在不同桩径下无需护壁的最大成孔深度和需要护壁时的最小护壁深度, 得出了护壁深度的一些规律, 为全钢护筒旋挖施工技术护壁深度提供了定量依据。

对于第四纪沉积层 (通常呈松散状态) 、砂层、杂填土层、卵砾石层、淤泥层等不稳定地层和临界稳定地层, 由于在钻孔过程当中极易出现塌孔及缩孔问题, 因此在钻孔时必须采用钢护筒护壁;对于地下水位以上的填土、粉土、砂性土、风化软岩及粒径不大的砾砂层等土层的极稳定地层, 在钻孔过程当中地层基本不会出现塌孔及缩孔问题, 无需采用护壁, 可直接进行干作业成孔;而对于黏性土层, 由于其性质变化较大, 我们往往根据现场具体情况和经验采取适合的护壁方式。

在泥浆护壁钻孔灌注桩的有限元模拟当中, 孔壁稳定性判别指标为孔壁土体塑性区半径比C_s (塑性区半径R_s与孔半径D比值) 和按有限元强度折减法计算得到的稳定性安全系数F_s^[5]。对于人工挖孔桩, 孔壁支护的判别准则采用莫尔-库仑极限平衡准则^[6]。对于全钢护筒旋挖施工技术, 由于土体所处条件不同, 不能完全采用泥浆护壁孔壁稳定性判别指标, 而人工挖孔桩孔壁支护判别标准, 没能考虑圆拱效应, 又显得比较保守。本文在以上两种判别指标的基础上, 基于土体达到极限平衡状态时应力与应变的对应关系, 提出了以下孔壁支护临界条件。

在地层中进行干成孔时, 孔壁主要依靠土体的自立和圆拱效应保持稳定。根据非线性破坏准则, 不考虑边坡可承受拉力, 孔壁在不考虑圆拱效应时的自立深度 (即竖直边坡的临界高度) 为^[7]:

考虑圆拱效应时, 孔壁的最大自立深度H>H_cr, 但具体如何考虑圆拱效应目前还没有相关理论依据。

不论采用哪种本构模型, 孔壁破坏产生相应的变形, 因此本文基于土体达到极限平衡状态时应力与应变的对应关系, 参考边坡的土体破坏临界条件, 在同一本构模型下, 以数值模拟求得竖直边坡处于临界高度H_cr时的最大变形为基准, 并根据不同孔径的影响范围进行折减, 作为旋挖施工干成孔孔壁需要支护的临界条件, 以此考虑桩孔的圆拱效应, 从而确定全钢护筒旋挖施工干成孔孔壁的支护依据和支护范围。

为了确定黏性土在无水或只含有少量水时是否采用钢护筒护壁和需要护壁时的护壁范围, 本文根据现有资料确定了3种代表性土质, 数值模拟中土的弹性模量通常取为3~5倍的变形模量^[8], 本文均取压缩模量的5倍进行分析, 具体力学参数如表1所示, 其中临界高度由公式 (1) 计算所得。

根据以上土质基本力学参数及其对应的3种临界高度, 利用有限差分软件FLAC3D对竖直边坡和10m桩孔进行分析, 计算得出该3种土质 (以下分别叫作土质1、土质2、土质3) 竖直边坡水平变形最大值分别为:10.80, 7.75, 9.52mm;10m桩孔水平变形最大值分别为:9.64, 7.23, 8.27mm。

根据以上数据可知10m桩孔的圆孔效应已不是很明显。基于土体达到极限平衡状态时应力与应变的对应关系, 可得Δσ∝ε。

根据文献[9]可知, 孔壁应力

式中:Δσ表示变化的应力;ε表示应变;r₀表示孔半径;r表示与孔中心的水平距离;Δx表示总变形。

根据以上得到的竖直边坡水平变形最大值和变形与孔径的正比关系, 以10m孔径作为衡量标准, 换算得到不同土质、不同孔径下的最大水平位移参考值如表2所示。

本计算利用岩土工程有限差分法软件FLAC3D构建钻孔与周围土体结构体系连续介质模型, 土体采用Mohr-Coulomb本构模型, 用实体单元模拟, 分析对象为地下水位以上的黏性土;钢护筒采用线弹性模型, 用壳体单元模拟, 其厚度取40mm, 参数为:弹性模量 (E) 206GPa;泊松比 (μ) 0.3;密度7 850kg/m³。FLAC3D分析模型如图1所示 (钻孔选取工程中常见的3种孔径1.2, 2, 3m, 图中为2m孔径) 。

以表1中的水平位移参考值作为临界条件, 分别对各土质下的每种孔径 (1.2, 2, 3m) 进行分段开挖分析计算, 土质1、土质2每次开挖深度取1m, 变形发生突变时开挖深度取0.5m;土质3由于变形较小, 每次开挖深度取2m, 超过参考变形后可适当增加开挖深度。图2分别为3种土质不同孔径开挖深度与水平最大位移曲线, 图中虚线表示水平位移参考值。

根据图2不难发现, 3种土质在不同孔径下, 随着开挖深度的增加, 水平最大位移的增长趋势是类似的;孔径越大、孔深越深, 水平最大位移的增长趋势越快, 土质越好, 相同孔径和孔深下的变形越小。

以土质1为例, 1.2m孔径的钻孔, 最大水平位移参考值为1.30mm, 开挖4m时, 最大水平位移为0.98mm;开挖5m时, 最大水平位移为1.64mm;在此利用线性插值方式计算可得其不用钢护筒护壁的最大钻孔深度为4.5m。由于随着孔深的增大, 水平最大位移的增长趋势越快, 此处用线性插值的方式更为保守。

采用以上分析方法可以得到以上3种土质在不同孔径 (1.2, 2, 3m) 下不用钢护筒护壁的最大钻孔深度如表3所示。

根据表3可以得出:越密实的土质, 其不需护筒的最大钻孔深度则越深, 软黏土的平均孔深约3.5m, 中硬黏土约6.5m, 而硬黏土达到11.7m。孔径大小也是显著的影响因素, 孔径越小, 其圆拱效应越显著, 相同土质下, 1.2m孔径钻孔不需护筒的最大孔深是2m和3m孔径钻孔的1.2~1.8倍。

根据工程地质实际情况, 土质埋置越深, 土质情况越好。在此取土质1的埋置范围为0~20m, 土质2的埋置范围为0~30m, 土质3的埋置范围为0~50m。对孔深大于未护壁条件下的最大钻孔深度时的钢护筒用量进行分析, 根据工程实际, 以1m为增长单位, 以表1中的水平位移参考值作为临界条件, 对不同土质、不同孔径下及不同孔深条件下护筒用量进行试算分析。下面分别以土质1的2m孔径、20m孔深和土质3的3m孔径、50m孔深为例进行分析。

土质1 (软黏土) 下的2m钻孔, 其不需钢护筒的深度为3.5m。当开挖至20m深支护16m和17m钢护筒时, 其最大水平位移分别分布在孔壁和孔底周围, 大小分别为42.7, 2.1mm, 水平位移参考值为2.16mm, 此时所需的钢护筒长度为17m。

土质3 (中硬黏土) 下的3m钻孔, 其不需钢护筒的深度为9.6m。当开挖至50m深支护46m和47m钢护筒时, 其最大水平位移分别分布在孔壁和孔底周围, 大小分别为65.2, 2.91mm, 水平位移参考值为2.86mm, 此时47m钢护筒的位移值虽然略微大于参考值, 但差距较小, 可认为此处所需的钢护筒长度仍为47m。

综合上述结论, 依次用以上分析方法可以得到以上3种土质在不同孔径 (1.2, 2, 3m) 和孔深条件下钢护筒用量如表4所示。

根据表4可知, 当钻孔深度超过其不需护壁的最大孔深时, 所加设钢护筒需支护至距孔底3m深度左右, 呈现出一定的规律性, 主要原因是钻孔深度大, 孔壁的变形主要来自于地应力的释放, 随着护筒与钻孔端部距离的增大, 土拱效应越来越不明显, 最大变形分布从孔底周围转移至孔壁, 变形增长较大。由此可推断, 当钻孔深度超过不需护筒的最大孔深时, 钻头超前钻进的超前距离应≤3m, 否则容易造成塌孔、埋钻的风险。

某工程拟采用的旋挖灌注桩基础, 桩端持力层为微风化泥岩, 场地内无地下水, 拟采用干作业旋挖施工技术, 钢护筒护壁, 地层岩土情况及物理力学性质如表5所示。

根据表5所示的地层分布情况, 由于人工填土、中粗砂层都属于不稳定地层, 因此中粗砂层以上范围均需采用护筒护壁;对于微风化泥岩层, 属于极稳定层, 无需护筒护壁;对于黏土、砾质黏土和硬塑黏土, 则可根据其抗剪强度指标, 利用公式 (1) 和表3线性插值计算各土层无护壁的最大钻孔深度, 计算结果如表5所示, 再根据施工现场具体地质条件选择护筒用量。

由微风化泥岩的层顶埋深和标高可知, 桩深在13~25m。根据表5可知, 砾质粉质黏土层厚2.70~23.90m, 层顶埋深0.60~12.10m, 微风化泥岩层顶埋深12.40~23.60m, 可推断砾质粉质黏土底面埋深3.30~23.60m, 可推断出以下3种情况: (1) 砾质黏土底面埋深H≤7.0m时, 硬塑黏土底面埋深H≤15.8m, 护筒只需支护至砾质粉质黏土层顶埋深位置; (2) 砾质黏土底面埋深H>7.0m时, 硬塑黏土底面埋深H≤15.8m, 护筒需支护至硬塑黏土层顶埋深位置;施工方法可采用预钻孔与钻头超前钻进相结合, 先钻孔至7.0m深度后下护筒, 随后钻头超前钻进, 护筒跟进护壁, 钻头超前深度应≤3m; (3) 硬塑黏土底面埋深H>15.8m时, 护筒需支护至距孔底≤3m位置;施工方法也可采用预钻孔与钻头超前钻进相结合。由于各土层重度相差不大, 为简化计算, 此处不考虑各土层重度差异的影响。

根据计算结果指导施工, 可较准确地预算护筒用量、选择合理施工方法, 可更好地节约成本、保证施工进度。

基于本文提出的孔壁支护临界条件, 根据数值分析和算例分析, 得到了以下结论。

1) 黏性土地基中, 黏聚力越大、内摩擦角越大, 不需护壁的最大钻孔深度则越深;孔径的大小是影响钻孔深度的显著因素, 孔径越小, 圆拱效应越显著。

2) 当钻孔深度超过不需护壁的最大孔深时, 所加设钢护筒应最少支护至距孔底3m处, 呈现出一定的规律性, 可作为护筒埋设依据和钻头超钻深度依据。

3) 循环式全钢护筒旋挖施工技术护筒埋设依据 (可供施工参考) :对于不稳定地层和临界稳定地层在钻孔时必须采用钢护筒护壁;对于极稳定地层, 无需采用护壁;对于无水或只含有少量水的黏性土质, 则根据其力学参数、孔径以及地层所在深度, 根据本文分析结果, 线性插值确定是否需要护筒护壁和护筒用量。

本文对全钢护筒旋挖施工技术护壁深度进行了探索, 为此方面的定量研究提供了一个研究思路。为提高结果可靠度, 更好地应用于指导现场施工, 后续还需结合实际工程施工情况, 对本文护筒埋设的依据进行对比验证。