不同条件钻孔灌注桩孔壁稳定性模拟分析

陈 爽

南水北调济南市续建配套工程卧虎山水库供水线路改造工程东风洞～孟家水库段建成后供水规模为5万m3/d，工程主要内容包括维修砧子山隧洞2.4 km、新建砧子山隧洞出口～兴隆水库管道2.33 km、新建兴隆水库～孟家水库隧洞6.38 km。砧子山隧洞出口至兴隆水库（2+400-4+730）段属山间凹地～山前平原地貌单元，地层主要为黄土状粉质壤土夹碎石土，局部见奥陶系灰岩。此次改造混凝土灌注桩工程涉及钢管架空段底部基础处理，施工内容主要包括成孔、钢筋制安、混凝土灌注等工作。工程钻孔直径为1.0 m，深度为3.2 m，混凝土等级为C25，工程施工中缩孔问题发生频繁。对此，对不同条件钻孔灌注桩孔壁稳定性进行模拟分析。

1 模型建立

钻孔灌注桩孔壁稳定性分析采用有限元模拟软件Plaxis 7.2，本构模型选择摩尔-库伦模型，分析黏性土和砂性土两种饱和土体的孔壁稳定性。黏性土和砂性土分析时的强度参数分别采用总应力参数和有效应力参数。模拟过程中的泥浆作用，可通过在模型中施加静水压力达到。

模拟中钻孔灌注桩孔壁稳定性的衡量指标选择两个，一是孔壁土体的塑性区半径比，即塑性区与钻孔的半径之比；二是稳定性安全系数，通过有限元强度折减的方法得到。

在钻孔灌注桩钻孔施工过程中，孔壁土体应力状态会发生改变，由原先的三向受力状态变为双向受力，孔壁侧应力会发生卸荷。因此，孔壁侧土体的变形应该属于卸荷变形，分析过程中应综合考虑应力卸荷路径及其侧向变形模量，黏性土和砂性土侧向卸荷模量应力路径影响系数分别取 100和 160。

2 不同条件对孔壁稳定性的影响

2.1 土体性质

土体性质对钻孔灌注桩稳定性的判别指标为抗剪强度、孔壁最大塑性区半径比以及稳定性安全系数。计算孔深L、孔半径D、泥浆相对密度分别为20 m、0.5 m和1.1，结果见表1。

表1 土体性质对孔壁稳定性的计算结果

结合土体性质影响计算结果，得出：对于黏性土地质，钻孔灌注桩孔壁土体的塑性区分布与孔深度呈正相关关系，孔深度越大，塑性区半径也逐渐增加；随着土体内摩擦角的增加，孔壁安全性系数会同步增加，但塑性区半径会减小。对于砂性土地层，塑性区分布及其半径大小与深度之间并没很强的关联，随着内摩擦角的增大，塑性区半径及其半径比会逐渐较小，而安全系数会增大。

分析黏性土和砂土地质条件下孔壁变形量可知，变形量与塑性区分布模式结果基本相吻合，随着深度的增加，黏性土孔壁变形量增加，而砂土地质孔壁变形量没有太大的波动，基本维持在一个较小的变形量。综合分析可以得出以下结论：

1）随着钻孔深度的增加，黏性土中土体的抗剪强度指标变化速率基本保持在较小的数值，而侧压系数、侧向卸荷量较大，且土体不同方向的应力差值也非常大，致使黏性土孔壁卸荷变形量大，塑性区分布较广。但黏性土孔壁土体变形受黏聚力的影响，应力状态失衡之后很快达到新的平衡，使得稳定安全系数仍保持在一个相对安全的范围。

2）与黏性土孔壁变形不同，随着钻孔深度的增加，砂性土中土体的抗剪强度指标变化速率较大，而侧压系数、侧向卸荷量保持在一个较小的数值，且土体不同方向的应力差值小，致使砂性土孔壁卸荷变形量大，塑性区分布较广。但砂性土孔壁土体塑性区形成之后，易发生破坏。综合分析，在不同性质的土体中孔壁变形破坏存在差异，黏性土孔壁易出现缩径，砂土中易出现塌孔。

2.2 孔半径

在模拟孔半径对钻孔灌注桩孔壁稳定性影响时，固定孔深与泥浆相对密度数值，分别为20 m和1.1，黏性土黏聚力和内摩擦角分别为20 kPa、2°，砂土黏聚力和内摩擦角分别为 0 kPa、30°，孔径参数设置0.3 m、0.5 m、0.7 m、0.9 m和1.1 m五组。计算得到，随着孔径的增加，黏性土最大塑性区半径比为 8.7、7.8、6.7、5.9、5.6，稳定性安全系数分别为 1.587、1.398、1.294、1.184、1.114；砂性土最大塑性区半径比为 0.7、0.8、0.7、0.8、0.8，稳定性安全 系数 分 别 为 1.767、1.650、1.463、1.366、1.298。结合孔壁缩径量得到，随着孔半径的增加，黏性土孔壁土体塑性区半径比扩大，稳定性降低，缩径量增加；砂土孔壁稳定性受孔径的影响较小，塑性区半径比几乎维持在一个相对稳定的数值。

2.3 孔深

在模拟孔深对钻孔灌注桩孔壁稳定性影响时，固定孔半径与泥浆相对密度数值，各参数取值同上。对于黏性土土体，在孔深10 m、20 m、30 m时的塑性区半径比分别为2.0、4.2、7.2，安全系数分别为3.333、1.718、1.309。对于砂土土体，在孔深10 m、20 m、30 m时的塑性区半径比分别为0.8、0.8、0.8，安全系数分别为 1.724、1.650、1.643。土体变形量，分析可知，黏性土土体卸荷量、塑性区半径、侧向变形量均与孔深成正相关关系，而孔壁的稳定性随着孔深增加会降低；砂土地基钻孔孔壁卸荷量也会随着孔深增加而增加，但由于其自身内摩擦角大，使得抗剪强度也会同步增加，土体卸荷量、塑性区半径、侧向变形量不会受孔深影响程度不明显，孔壁都容易发生塌孔。

2.4 泥浆相对密度

泥浆相对密度对控制孔壁稳定性有着重要意义，其可有效降低孔壁的侧向卸荷量，并能提高侧压力、抑制局部坍孔，达到提高孔壁稳定性的目的。但增加泥浆相对密度会增加施工难度，并会对钻孔灌注桩桩身承载能力产生影响。黏性土地基中，增加泥浆相对密度可在很大程度上控制塑性区半径，提高孔壁稳定性；砂土地基中，塑性区的形成与泥浆侧压力、土体静止侧压力有密切关系，当静止侧压力超过泥浆侧压力时，孔壁土体会产生塑性区，稳定性下降，有出现塌孔可能，反之则可抑制塑性区形成，提高孔壁稳定性安全系数。

3 结语

缩径是黏性土地基孔壁稳定性控制的主要问题，并且如地基土土质越松散、钻孔越深、钻孔半径越大，钻孔灌注桩孔壁的稳定性越差，钻孔缩径问题越严重，可通过提高泥浆相对密度加以控制。塌孔是砂土地基孔壁稳定性控制的主要问题，钻孔打设过程中，孔壁土体会产生塑性区，易发生破坏，并且塑性区范围会逐渐扩大，最终发生塌孔。砂土地基钻孔灌注桩孔壁稳定性控制的关键在于有效控制泥浆相对密度，应确保土体静止侧压力超过泥浆的侧压力。