厚淤泥地層灌注樁深長護(hù)筒受力特性理論分析

謝志斌，廖廣超，呂銳杰，莫品強(qiáng)，官大庶,3，況聯(lián)飛

（1. 中煤江南建設(shè)發(fā)展有限公司，廣東 廣州 510170；2. 中國礦業(yè)大學(xué) 深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；3. 廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510610）

0 引 言

鉆孔灌注樁在我國沿海地區(qū)及湖河沉積相地區(qū)的軟土地基工程中廣為應(yīng)用，隨著基礎(chǔ)建設(shè)發(fā)展以及施工工藝的完善，灌注樁的設(shè)計(jì)樁徑越來越大，其面臨的地質(zhì)條件愈加復(fù)雜[1-3]。然而，大直徑灌注樁施工難度大，存在塌孔、縮頸等現(xiàn)象，施工質(zhì)量難以保障[4-5]。因而往往需要使用護(hù)筒，用于固定樁位、引導(dǎo)鉆頭方向、隔離地面水防止其流入孔內(nèi)、保護(hù)孔口及孔壁不坍塌，確保成孔、成樁質(zhì)量[6-7]。一般采用10～12 mm的螺旋鋼管制作護(hù)筒。壁厚小于10 mm，施工過程中，護(hù)筒易卷邊、凹凸，導(dǎo)致其周轉(zhuǎn)率降低。壁厚大于12 mm，護(hù)筒質(zhì)量過大，施沉力高，給施工增加難度，降低施工效率。護(hù)筒最末節(jié)宜設(shè)置內(nèi)刃，便于護(hù)筒切土下沉。灌注混凝土滿足質(zhì)量要求后，采用振動錘設(shè)備拔出護(hù)筒[8]，以方便其循環(huán)利用。

護(hù)筒再利用的技術(shù)難點(diǎn)在于當(dāng)淤泥深度達(dá)30～40 m，護(hù)筒外側(cè)土體摩阻力較大，導(dǎo)致護(hù)筒難以有效拔出。護(hù)筒拔出過早，混凝土還處于流塑狀態(tài)，外側(cè)土體會擠壓混凝土，容易出現(xiàn)漏筋和縮頸等質(zhì)量事故。護(hù)筒拔出過晚，混凝土凝固后與護(hù)筒黏結(jié)，導(dǎo)致護(hù)筒拔出困難。因此，正確計(jì)算護(hù)筒的最大起拔力、選擇合理的下放長度和起拔時(shí)機(jī)是確保護(hù)筒實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用的關(guān)鍵[9]。

本文依托珠海橫琴某樁基工程項(xiàng)目，針對粵港澳大灣區(qū)深厚淤泥地質(zhì)條件下大直徑鉆孔灌注樁，建立力學(xué)模型分別分析護(hù)筒打設(shè)、灌注樁成樁、護(hù)筒拔除過程中的護(hù)筒受力特性，獲得最優(yōu)的護(hù)筒下放長度、護(hù)筒起拔時(shí)機(jī)等技術(shù)參數(shù)，為厚淤泥地層灌注樁深長護(hù)筒優(yōu)化設(shè)計(jì)與施工提供理論依據(jù)和指導(dǎo)。

1 護(hù)筒打設(shè)過程中的受力分析

護(hù)筒打設(shè)時(shí)的貫入阻力主要由3部分組成：筒內(nèi)摩擦力、筒外摩擦力、筒底阻力。護(hù)筒打設(shè)過程忽略貫入引起的護(hù)筒內(nèi)土體擾動，并依據(jù)靜止土壓力建模分析?？紤]護(hù)筒外土體受貫入擠土作用，由小孔擴(kuò)張理論計(jì)算其外壁正應(yīng)力及剪切應(yīng)力。一定深度z下的護(hù)筒受力如圖1所示，定義護(hù)筒內(nèi)徑Di、厚度t、長度L，護(hù)筒-土摩擦系數(shù)為μ=tanδ，δ為接觸面摩擦角。

圖1 護(hù)筒打設(shè)過程中的受力示意圖Fig. 1 Schematic diagram of stress during pile casing driving

護(hù)筒內(nèi)壁受到的土壓力為靜止土壓力，本文忽略土塞效應(yīng)和振錘施沉影響。護(hù)筒內(nèi)壁土壓力和摩擦力計(jì)算公式如下：

式中：σv,0和σh,0分別為土體的豎向和水平初始應(yīng)力；K0為靜止土壓力系數(shù)；τf,0為護(hù)筒與土發(fā)生豎向滑動時(shí)的剪切應(yīng)力。

巖土介質(zhì)小孔擴(kuò)張理論是關(guān)于研究圓柱形或球形孔在巖土介質(zhì)中擴(kuò)張和收縮所引起的應(yīng)力、孔隙水壓力和位移變化的理論。為解決許多復(fù)雜巖土力學(xué)問題提供了一種簡單、實(shí)用的方法，因而成為巖土力學(xué)理論研究的一個(gè)基本問題[10]。本文護(hù)筒外壁受到的土壓力采用小孔擴(kuò)張理論計(jì)算。假設(shè)土壓力為該土層圓柱形小孔從護(hù)筒內(nèi)徑Di擴(kuò)張到護(hù)筒外徑Do=Di+2t時(shí)的孔壓，即：σh=σcyl，其中σcyl為計(jì)算得到的柱形小孔擴(kuò)張壓力。小孔擴(kuò)張采用摩爾庫倫解析解計(jì)算[10]，該解采用摩爾庫倫屈服準(zhǔn)則和非關(guān)聯(lián)流動法則，引入剪脹角來描述土體的剪脹特性，同時(shí)采用對數(shù)應(yīng)變來考慮塑性區(qū)的大變形，提出了理想彈塑性土體中柱形和球形孔擴(kuò)張的統(tǒng)一解。因此，護(hù)筒外壁受到的摩擦力為：τf=σcyl×tanδ，忽略應(yīng)力水平對摩擦系數(shù)的影響。

護(hù)筒底部受到的豎向阻力可假設(shè)為護(hù)筒底部小孔擴(kuò)張的孔壓，即qend=σcyl(z=L)。因此，護(hù)筒打設(shè)過程中護(hù)筒頂部受到的豎向總荷載為：

式中：G為護(hù)筒重量，代表護(hù)筒打設(shè)時(shí)額外需要的貫入力。當(dāng)貫入深度較小時(shí)，式（3）計(jì)算值出現(xiàn)負(fù)數(shù)，說明護(hù)筒可依靠自重貫入，需要一定吊裝設(shè)備控制其貫入。

2 鉆孔灌注樁成樁后及拔出護(hù)筒的受力分析

灌注樁成樁過程中，假設(shè)護(hù)筒變形忽略不計(jì)，護(hù)筒內(nèi)壁的壓力為混凝土漿液壓力，σh,混凝土。然而，筒內(nèi)混凝土隨凝固時(shí)間增長，其抗壓強(qiáng)度、模量、膠結(jié)強(qiáng)度均會引起筒內(nèi)混凝土-護(hù)筒界面剪切強(qiáng)度τf,混凝土的變化。護(hù)筒拔除時(shí)力學(xué)模型如圖2所示，假設(shè)灌注樁成樁過程對筒外土壓力及剪切強(qiáng)度無影響，起拔力計(jì)算公式為：

圖2 護(hù)筒拔出過程中的受力示意圖Fig. 2 Schematic diagram of stress during pile casing pulling out

混凝土漿液隨時(shí)間凝固并與護(hù)筒發(fā)生膠結(jié)作用，護(hù)筒內(nèi)混凝土壓力是一個(gè)復(fù)雜的時(shí)間函數(shù)。根據(jù)THOMAS[11]，早齡期混凝土的抗壓強(qiáng)度為：

式中：fcu,1d為 1 d后的抗壓強(qiáng)度，C40混凝土的fcu,1d=6 MPa；tc為混凝土的凝固時(shí)間，單位為小時(shí)，h；式（5）的適用范圍為tc＜24 h。

早齡期混凝土的彈性模量和泊松比分別為[11]：

式中：E28d為混凝土凝固28 d后的彈性模量，C40混凝土的E28d=31 GPa。

AHMED & ANSELL[12]提出混凝土的膠結(jié)強(qiáng)度隨時(shí)間的變化：式中：fcb為膠結(jié)強(qiáng)度，MPa；tc為混凝土凝固時(shí)間，h。

混凝土的內(nèi)摩擦角與應(yīng)力水平和抗壓強(qiáng)度相關(guān)，其內(nèi)摩擦角φ的計(jì)算方法式（9）所示：

多數(shù)高校圖書館開展新媒體閱讀推廣方式和具體內(nèi)容并沒有明顯的差別，基本都是圖書“推薦”與“評論”，或是將傳統(tǒng)閱讀時(shí)代的推廣內(nèi)容“電子化”，并進(jìn)一步融合、豐富了所推薦圖書的相關(guān)信息，給讀者提供了更直觀、更具參考價(jià)值的選擇性內(nèi)容[4]，在一定程度上，確實(shí)能鼓勵(lì)學(xué)生閱讀。但是，隨著新媒體技術(shù)的發(fā)展，大學(xué)生獲取信息的渠道不斷豐富，對圖書館依賴性降低，還是單純采用以往的模式推廣閱讀，不再像以往那樣吸引學(xué)生，活動效果大為降低。

對于常規(guī)混凝土和鋼模板間摩擦角為內(nèi)摩擦角的 1/3～1/2，考慮到鋼模板表面脫模劑的潤滑作用和振搗效應(yīng)對混凝土與模板之間摩擦力的降低作用，取δ混凝土=φ/3[13-14]；摩擦系數(shù)μ混凝土=tanδ混凝土。

為了精確預(yù)測混凝土的水平應(yīng)力，考慮其側(cè)應(yīng)力系數(shù)隨時(shí)間的變化?；炷猎诎l(fā)生初凝之前，新澆筑混凝土的側(cè)應(yīng)力折減系數(shù)隨時(shí)間成指數(shù)關(guān)系遞減，任意時(shí)刻t的側(cè)壓力折減系數(shù)K計(jì)算如下：

式中：tc為混凝土凝固時(shí)間，h。

因此，作用在護(hù)筒內(nèi)壁上的混凝土壓力可由下式計(jì)算：

護(hù)筒拔出時(shí)，需克服混凝土的膠結(jié)力和摩擦力，起拔時(shí)的抗剪力為：

通過式（12）得到的抗剪力隨護(hù)筒長度方向積分，采用式（4）計(jì)算護(hù)筒起拔時(shí)的最大起拔力；且該值隨混凝土凝固時(shí)間變化，考慮了起拔時(shí)間的影響。

3 算例、分析與討論

3.1 工程概況及場地巖土層分布特征

本工程項(xiàng)目位于廣東省珠海橫琴保稅區(qū)，項(xiàng)目總用地面積約為4萬m2，項(xiàng)目一期擬建建（構(gòu)）筑物共 6棟超高層（A1～A6，20～42層，100～200 m），主要為辦公樓、酒店及商業(yè)樓，擬采用框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)及框筒結(jié)構(gòu)。

3.2 算例與參數(shù)設(shè)置

在本文算例中，結(jié)合提出的計(jì)算方法和工程案例情況，樁徑D分別取0.8～1.6 m，混凝土強(qiáng)度等級C40；護(hù)筒內(nèi)徑Di=D+0.1 m、厚度t取10～12 mm、長度L取 5～40 m，護(hù)筒-土摩擦系數(shù)為μ=tanδ，δ≈φsoil/2，護(hù)筒起拔時(shí)間t混凝土為 1～6 h。土層分布及參數(shù)如表1所示。

表1 算例的土層分布及參數(shù)Table 1 Soil layer distribution and parameters in the example

3.3 算例結(jié)果分析

采用本文提出的計(jì)算方法（即1～2節(jié)），編制基于 MATLAB的計(jì)算程序，本節(jié)分析計(jì)算得到的算例結(jié)果。算例中護(hù)筒打設(shè)需要的最大貫入阻力結(jié)果如圖3所示。當(dāng)護(hù)筒長度小于20 m時(shí)，打設(shè)的貫入阻力在500 kN以內(nèi)，主要靠護(hù)筒自重施沉。隨著護(hù)筒長度增加，貫入阻力急劇增加，護(hù)筒直徑與打設(shè)阻力成線性關(guān)系。當(dāng)護(hù)筒直徑大于5 m時(shí)，護(hù)筒直徑越大，打設(shè)阻力越大。當(dāng)護(hù)筒直徑小于5 m時(shí)，由于自重和摩阻力的相互影響，打設(shè)阻力隨護(hù)筒直徑增大而減小，且出現(xiàn)負(fù)值，說明護(hù)筒可依靠自重貫入。護(hù)筒厚度從10 mm增加到12 mm，打設(shè)阻力略微增大，其影響可以忽略不計(jì)。需要說明的是，計(jì)算中忽略了打設(shè)過程中振錘的動荷載和土中超孔隙水壓力的影響。

圖3 不同工況下護(hù)筒打設(shè)時(shí)的最大貫入阻力Fig. 3 Maximum penetration resistance of pile casing under different working conditions

算例中護(hù)筒拔出時(shí)需要的最大起拔力結(jié)果如圖4所示?；炷翝仓? h后，由于護(hù)筒自重和混凝土-護(hù)筒界面膠結(jié)、摩擦作用的影響，護(hù)筒的起拔力大約是貫入力的2倍。與打設(shè)類似，起拔力隨著護(hù)筒長度增加而增大，增幅相對打設(shè)貫入力減??；起拔力隨著護(hù)筒直徑增大而增大。護(hù)筒的起拔時(shí)間對起拔力影響顯著，特別是澆筑3 h后，混凝土界面膠結(jié)力劇增，起拔力顯著增大。因此，護(hù)筒起拔時(shí)間不宜超過 3 h，且應(yīng)考慮實(shí)際護(hù)筒尺寸及施工工況，確保護(hù)筒安全高效拔出。

圖4 不同工況下護(hù)筒拔出時(shí)的最大起拔力Fig. 4 Maximum pulling force of pile casing under different working conditions

分析護(hù)筒打設(shè)時(shí)的阻力分布，由圖5（a）可知，筒底阻力小，幾乎可忽略不計(jì)；絕大部分阻力由護(hù)筒側(cè)壁摩阻力承擔(dān)，且筒外摩阻力略大于筒內(nèi)摩阻力。一方面是由于筒外面積略大，另一方面是因?yàn)榇蛟O(shè)引起的擠土效應(yīng)，導(dǎo)致筒外土壓力略大于筒內(nèi)。

類似地，護(hù)筒起拔時(shí)的阻力分布如圖5（b）所示。此時(shí)，筒外摩阻力相比打設(shè)時(shí)無變化；然而，筒內(nèi)摩阻力急劇增大。由于護(hù)筒內(nèi)灌注的混凝土凝固，混凝土與護(hù)筒間的壓力、摩擦系數(shù)、膠結(jié)強(qiáng)度均會導(dǎo)致筒內(nèi)摩阻力的升高，且隨時(shí)間急劇增大。

圖5 不同樁徑護(hù)筒貫入與起拔的阻力分布Fig. 5 Penetration and pulling resistance distribution of pile casing with different diameters

本文的計(jì)算模型考慮了護(hù)筒打設(shè)時(shí)的擠土作用和灌注樁混凝土參數(shù)隨時(shí)間的變化，計(jì)算得到的規(guī)律總體符合工程實(shí)際。然而，該模型忽略了很多因素的影響（如：灌注樁施工工藝、土塞效應(yīng)、振錘施沉、樁土相互作用、成樁質(zhì)量等），也未對模型參數(shù)選取做更細(xì)致的探究（如：動靜摩擦系數(shù)、圍土的非線性參數(shù)、靜止土壓力系數(shù)等），后續(xù)需進(jìn)一步針對更多實(shí)際工況對模型進(jìn)行優(yōu)化，還應(yīng)結(jié)合室內(nèi)模型試驗(yàn)及工程實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，以完善護(hù)筒受力計(jì)算模型，指導(dǎo)護(hù)筒設(shè)計(jì)與施工。

4 結(jié) 論

（1）本文針對厚淤泥地層大直徑灌注樁基礎(chǔ)，分別建立了灌注樁護(hù)筒打設(shè)與起拔力學(xué)模型。由小孔擴(kuò)張理論計(jì)算土體貫入擾動，考慮混凝土凝固期間側(cè)應(yīng)力系數(shù)、抗壓強(qiáng)度、摩擦系數(shù)、膠結(jié)力等參數(shù)隨時(shí)間的演化，提出了打設(shè)和拔除時(shí)筒內(nèi)摩阻力、筒外摩阻力以及筒底阻力的計(jì)算方法。

（2）通過力學(xué)模型的計(jì)算結(jié)果表明，護(hù)筒打設(shè)時(shí)，當(dāng)護(hù)筒長度小于20 m時(shí)，打設(shè)的貫入阻力在50 t以內(nèi)，且主要靠護(hù)筒自重施沉。隨著護(hù)筒長度增加，貫入阻力急劇增加，不同厚度護(hù)筒貫入阻力略有區(qū)別。

（3）混凝土澆筑2 h后，由于護(hù)筒自重和混凝土-護(hù)筒界面膠結(jié)、摩擦作用的影響，護(hù)筒的起拔力大約是貫入力的2倍。且與打設(shè)類似，起拔力隨著護(hù)筒長度增加而增大，增幅相對打設(shè)貫入力減小；起拔力隨著護(hù)筒直徑增大而增大。護(hù)筒的起拔時(shí)間對起拔力影響顯著，特別是澆筑3 h后，混凝土界面膠結(jié)力劇增，起拔力顯著增大。因此，護(hù)筒起拔時(shí)間不宜超過 3 h，且應(yīng)考慮實(shí)際護(hù)筒尺寸及施工工況，確保護(hù)筒安全高效拔出。