人工挖孔樁護壁受力機理及設計方法探討

付 馨 胡威東

1 概述

人工挖孔樁歷史悠久。20世紀初，美國便采用邊人工挖土邊以木板或圓形鋼環(huán)支護(Chicago Method)或用套筒式金屬殼支護(GOW Method)的方式成孔制作承載樁(墩)［1］。我國鐵路部門最早約在20世紀50年代開始用人工挖孔樁作為治理滑坡的抗滑樁［2］。20世紀80年代到20世紀末，我國曾大規(guī)模采用人工挖孔樁造就了一大批高層建筑［1］。然而，由于對人工挖孔樁研究不足，尤其是對人工挖孔樁護壁受力機理、適應地層等方面的研究不足，導致因人工挖孔樁施工事故頻發(fā)，最終不得不從政策層面上限制人工挖孔樁的使用［3］。

實際上，古代人們就有地面開挖飲用水井時，邊挖邊用磚砌一護圈以抵擋側向土壓，直至井底。從工藝順序及受力機理而言，這與人工挖孔灌注樁別無兩樣，其差別僅是選用的施工機具(鼓風機、水泵、起重鎖具等)及材料(混凝土護壁、鋼護壁等)的不同［2］。因此，人工挖孔樁護壁可以理解為豎井井壁的圓筒型結構。

2 豎井井壁的受力機理［4］

目前，對于豎井井壁承受側壓力有兩種比較主流的理論，即平面擋土墻主動土壓力公式(礦山井巷工程中常稱“普氏公式”)和前蘇聯(lián)別列贊采夫的筒形地坑壁主動土壓力空間問題解析解(本文簡稱“別氏公式”)。從本質(zhì)上講，普氏公式和別氏公式一樣，都是認為松散體(土體)極限平衡狀態(tài)在某一微面積上的條件是土體受剪切應力的絕對值，等于其本身的粘結力加上外荷載重和自重造成的摩擦力。即常見的公式:

其中，|τ|為剪切應力的絕對值;σ為外荷載重和自重造成的作用于滑動面上的壓應力;c為土體的內(nèi)聚力;φ為土體的內(nèi)摩擦角。

當|τ|＞c+σtanφ時，平衡即破壞，對于整個土體來說將產(chǎn)生滑動面。根據(jù)計算，對于構筑物產(chǎn)生最大主動土壓力的滑動面，其角度為45°。

普氏公式和別氏公式的不同是:別氏公式將井壁周圍的這種滑動體看作是一個環(huán)狀的空心圓錐體;而普氏公式則是將這種滑動體看作是一個直的棱柱體，將井壁看作是平面狀態(tài)墻面。

普氏公式應用擋土墻理論，計算出土層的主動土壓力為:

其中，PPh為普氏公式土層主動土壓力;γ為土的重度;H為計算點距離;φ為土體的內(nèi)摩擦角。

別氏公式解出作用于圓柱體上的主動土壓力為:

其中，PBh為別氏公式土層主動土壓力;R0為豎井掘進半徑; Rb為在深度為H時，滑動線與地面交點的橫坐標值，Rb=R0+ H tan(45°-);λ為公式推演過程中的一個簡化系數(shù)，λ=2tanφ· tan(45°-)。其余參數(shù)與普氏公式中的參數(shù)相同。

比較式(2)和式(3)可以看出，別氏公式從空間上考慮了空心圓柱體的受力問題，考慮了土體向豎井中心作位移時其本身的相互擠壓力使主動土壓力減小的有利作用，并且根據(jù)公式還能考慮豎井斷面的大小對主動土壓力的影響。因此，從上述幾個方面來講，別氏公式所揭示的主動土壓力現(xiàn)象比普氏公式更接近于實際。

然而，別氏公式按照式(3)計算當H→∞，PBh→定值，得到土壓力在某一深度以后，趨于一個定值，可以認為與深度無關。這一結論尚未被工程實測所證實［5］。但是，別氏公式仍有其實用價值。因為，分析別氏公式可以知道，對于埋深不大的豎井，掘進半徑與掘進深度之間存在臨界點。為了更清楚地反映掘進半徑與掘進深度之間的關系，假定地質(zhì)條件一定(即土體的容重γ一定，內(nèi)摩擦角φ一定，粘聚力c一定)的情況下，并假定豎井周邊無超載(即q為0)，繪出別氏公式主動土壓力PBh與豎井掘進半徑R0及掘進深度H之間的關系圖，如圖1所示。

從圖1可以看出，對于表層土體中，當豎井掘進半徑一定的時候，豎井井壁承受的主動土壓力隨著挖深的增加而增加;當開挖深度與開挖半徑的比例達到某一個臨界點時，豎井井壁承受的主動土壓力將趨于某一個恒定值，這個規(guī)律符合我們的感性認識，而普氏公式是無法考慮的。鑒于上述規(guī)律，別氏公式較普氏公式更接近于實際，能夠用來計算表土層圓形豎井的主動土壓力。

3 人工挖孔樁護壁水平荷載

人工挖孔樁樁基混凝土澆搗前，作用在護壁上的主要是護壁后的土對護壁產(chǎn)生的側向壓力。根據(jù)護壁的位移情況，和墻后土體所處的應力狀態(tài)，該土壓力可以采用式(3)計算［6］。

鑒于別氏公式的結構形式較普氏公式復雜，為便于別氏公式的應用，可根據(jù)土體內(nèi)摩擦角所在的區(qū)間編制參數(shù)表(見表1)。若φ值介于兩值之間，可采用線性插值的方法求得。

4 人工挖孔樁護壁結構內(nèi)力計算

圖2為受徑向均布荷載作用下的圓形護壁。

1)當護壁厚度t≤R/10時(R為圓形護壁半徑)，可認為是薄壁圓筒，在圖2a)壓力作用下，按材料力學理論，其環(huán)向應力為［8］:

其中，σ為環(huán)向應力(壓應力為負);PBh為采用別氏公式計算的主動土壓力。

表1 別氏公式計算參數(shù)表

2)當護壁厚度t＞R/10時，可認為是厚壁圓筒，在圖2b)壓力作用下，按彈性力學理論，其環(huán)向應力為［9］:

按式(4)，式(5)求出護壁內(nèi)力后，即可根據(jù)不同材料合理地設計護壁結構。

3)以上分析均為圓形護壁處于均值地層情況，此時，護壁在均布力作用下僅產(chǎn)生環(huán)向應力，為軸心受壓構件，因此，護壁可根據(jù)地層情況選用抗壓性能較好材料，宜采用抗彎性能較好的鋼筋混凝土護壁或鋼護筒。

5 人工挖孔樁護壁強度驗算

考慮到人工挖孔樁護壁多為臨時結構，護壁可僅進行強度驗算。按照別氏公式計算主動土壓力后，采用式(4)或式(5)求出護壁內(nèi)力，然后可根據(jù)不同材料合理設計護壁結構。當為圓形護壁(軸壓)時，護壁強度可按下式進行核算［10］:Kσ≤f。其中，K為安全系數(shù)，視不同情況可取1.5～2.0。護壁直徑大、土質(zhì)條件差時取大值，反之取小值;f為軸力抗壓強度設計值。對于混凝土護壁取素混凝土的軸心抗壓強度設計值;對于磚石砌體取施工質(zhì)量控制等級為B級時的抗壓強度設計值(應考慮截面面積及用水泥砂漿砌筑時的調(diào)整系數(shù))。

6 人工挖孔樁護壁設計實例

昆明軌道交通6號線一期工程在沾昆鐵路里程K2593+380處沿直線下穿該鐵路。為實現(xiàn)安全下穿，設計采用D16型軍便梁架空鐵路股道后空頂預制框架涵的方式施工區(qū)間隧道主體結構。

根據(jù)地層分布情況，人工挖孔樁設計樁長為10.5 m，直徑為2.0 m，護壁厚度擬定為0.25 m，其上下截面不變。護壁采用混凝土強度等級為C25。設計中人工挖孔樁深入基巖0.5 m。對人工挖孔樁強度進行驗算。

1)護壁側壓力計算。

2)護壁強度驗算。

由于護壁厚度t＞R/10，故按照厚壁圓筒計算，按式(5)計算有:

對C25混凝土護壁，fcc=0.85fc=0.85×11 900=10 115 kPa，Kσ=2.0×479.268=958.536 kPa＜fcc=10 115 kPa。

故采用C25混凝土護壁強度滿足要求。

7 設計應注意的其他問題

1)結合已有豎井設計和施工經(jīng)驗，人工挖孔樁孔口宜設置孔口護圈［11］或采用鋼套筒作為孔口護圈。2)別氏公式假定護壁超載是沿孔口四周均勻分布的，因此，在應用別氏公式時，應結合現(xiàn)場的實際情況考慮孔口超載。如果出現(xiàn)僅在挖孔樁某一側地表存在著較為嚴重的超載時，宜優(yōu)先采用普氏公式計算護壁主動土壓力。3)因特殊情況必須采用人工挖孔樁的建設工程，建設單位應將人工挖孔樁設計、施工組織設計和安全生產(chǎn)措施報市建設行政主管部門并組織專家論證［3］。

8 結語

人工挖孔樁護壁在樁基礎設計時常常不為設計人員所重視，在施工時又往往不根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件的變化而作出相應調(diào)整，由此引發(fā)的護壁質(zhì)量和安全事故時有發(fā)生，故人工挖孔樁護壁的設計和施工應引起工程人員的足夠重視。

［1］ 羅 章，李文兵，李振茲.人工挖孔樁護壁設計及其工程應用［J］.土工基礎，2010，1(15):49-52.

［2］ 史佩棟.樁基工程手冊［M］.北京:人民交通出版社，2007.

［3］ 合肥市建設委員會.關于進一步加強人工挖孔樁技術限用管理的通知［EB］.2006:8.

［4］ 朱松耆.表土層中圓形豎井地壓的計算［J］.有色金屬，1974 (5):13-19.

［5］ 崔廣心.深厚表層土中豎井井壁的外載［J］.巖土工程學報，2003，25(3):294-298.

［6］ 岳 進.人工挖孔樁護壁設計［J］.岳陽師范學院學報(自然科學版)，2002，15(4):75-78.

［7］ John O，Bickel.Tunnel Engineering Handbook［Z］.1996.

［8］ 孫訓方.材料力學［M］.北京:高等教育出版社，2009.

［9］ 楊桂通.彈性力學［M］.北京:高等教育出版社，1998.

［10］ GB 50010-2002，混凝土結構設計規(guī)范［S］.

［11］ 陳蘭云.人工挖孔樁護壁設計施工問題探討［J］.遼寧建筑，1992(6):26-28.