擴(kuò)孔灌注樁施工技術(shù)的數(shù)值模擬研究

董 力

(中鐵十六局集團(tuán)北京軌道交通工程建設(shè)有限公司,北京101100)

蓋挖逆作深基坑工程，中間支撐樁柱既要作為施工階段的臨時(shí)支撐，又要作為地下工程的永久承載結(jié)構(gòu)，其施工質(zhì)量、安全性能、施工功效直接影響工程的整體施工質(zhì)量。于家堡交通樞紐工程樁采用樁端、樁底擴(kuò)孔的灌注樁，共391根，有效樁長約33～44m。相比傳統(tǒng)常規(guī)等徑鉆孔灌注樁施工而言，擴(kuò)孔灌注樁具有節(jié)約樁長、場地限制小、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、施工速度快，操作簡便等眾多優(yōu)點(diǎn)，但是由于現(xiàn)有擴(kuò)孔灌注樁施工技術(shù)并不成熟，施工過程存在擴(kuò)孔效果不理想、擴(kuò)孔質(zhì)量檢測難等問題，需要進(jìn)一步得到解決[1-4]。

1 工程概況

于家堡站交通樞紐位于天津市濱海新區(qū)中心商務(wù)區(qū)北端，是集京津城際延伸線、城市軌道交通、商業(yè)空間、公交、出租于一體的大型綜合全地下交通樞紐。工程三面環(huán)海河，地下水豐富，潛水位高(0.8～1.5m)。工程建筑面積24×104m2，基坑最深處達(dá)17.5m。主體結(jié)構(gòu)為地下兩層多跨式框架結(jié)構(gòu)，蓋挖逆作法施工。中間支撐樁柱采用φ1 000mm鋼管混凝土永久柱，柱下部直徑為2 200mm鉆孔灌注樁，單樁樁端、樁底各有一個(gè)φ3 200mm擴(kuò)孔，有效樁長為31～40m，共391根。根據(jù)工程地質(zhì)情況，樁基施工范圍主要是淤泥質(zhì)黏土、黏土、粉砂、細(xì)砂層，土層具有截然不同力學(xué)性能，進(jìn)行擴(kuò)孔施工的效率也不盡相同。而常規(guī)擴(kuò)孔鉆機(jī)其功率、轉(zhuǎn)速等機(jī)械性往往具有一定的限制性，不能同時(shí)滿足不同的地質(zhì)條件。

2 三維數(shù)值模型

采用ANSYS軟件對不同斗齒角度進(jìn)行鉆進(jìn)不同地層的阻力進(jìn)行三維數(shù)值模擬。土體按圓柱體計(jì)取，土體水平向邊界按鉆頭的四倍計(jì)算，縱向土深取15m，通過在地面施加均布面荷載模擬不同土層的深度，如圖1(a)。其中，利用機(jī)具和土體的對稱性，取四分之一建模(圖1(b))，土體和鉆頭采用面面接觸，具體有限元模型如圖1(c)所示。各模型單元的選擇如表1所示。

(a)整體有限元模型

(b)四分之一有限元模型

(c)鉆頭有限元模型圖1 有限元模型

材料土體鉆具接觸面元接觸目標(biāo)元單元Plane42Solid45Contac173Targe170

3 模擬結(jié)果分析

(1)保持鏟斗角度(伸展長度)不變的情況下，模擬上覆土層的影響，可得到土體屈服時(shí)，所施加的扭矩值，其關(guān)系趨勢如圖2所示。隨著土層深度的增加，所需扭矩也不斷增加，但扭矩增量逐漸變緩，特別是土層深度大于3m后，隨著土層深度的增加，扭矩增加不再明顯。當(dāng)采用鏟斗角度固定的鉆孔機(jī)具時(shí)，隨著入土深度的增加，機(jī)具耗能逐漸增加，工作效率不斷降低。

(2)保持土面上加載的均布荷載不變，將鏟斗角度分別調(diào)節(jié)為0°、15°、30°、45°及60°，可得到鏟斗角度變化與土體屈服應(yīng)力關(guān)系如圖3所示。

圖2 土層深度與扭矩關(guān)系

圖3 淤泥質(zhì)黏土中鏟斗角度與扭矩關(guān)系

(3)選取不同性質(zhì)的土，不斷調(diào)節(jié)其鏟斗的角度，可以得到適應(yīng)不同土層中的最優(yōu)鏟斗角度，如表2所示。從表中可以看出，在淤泥質(zhì)黏土層中，鏟斗打開45°時(shí)，所需提供的扭矩最小，而打開15°時(shí)，需要扭矩最大。在黏土層中，鏟斗打開15°的時(shí)候，所需扭矩最小。鏟斗打開60°的時(shí)候，所需扭矩最大。在粉砂土層中最有效的打開角度是15°，所需扭矩最大的是30°。在細(xì)砂土層中最有效的打開角度也是15度，所需扭矩最大的是60°。在實(shí)際作業(yè)時(shí)，需跟據(jù)實(shí)際的情況選擇合理的開打角度，提高機(jī)具的效能。

表2 不同鏟斗打開角度時(shí)的扭矩 kN·m

(4)對擴(kuò)孔鉆機(jī)斗齒進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，變固定式為可調(diào)節(jié)角度式斗齒，在淤泥質(zhì)黏土等地基，土層軟弱，鉆機(jī)阻力較小，斗齒角度宜控制在45°～60°，而粉砂、細(xì)砂等地基，土質(zhì)堅(jiān)硬致密，鉆機(jī)阻力較大，斗齒角度宜控制在15°～30°。通過現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用反饋，擴(kuò)孔實(shí)際工效提升明顯，單孔淤泥質(zhì)土層擴(kuò)孔施工時(shí)間縮短近0.2h，而致密砂層地層擴(kuò)孔施工時(shí)間縮短近0.5h，顯著提高施工功效。

4 結(jié)論

通過ANSYS三維數(shù)值模擬分析，得出了扭矩與土層深度、扭矩與鏟斗打開角度間的關(guān)系，為該類工程的施工提供了良好參考。

(1)隨著土層深度的增加，所需扭矩也不斷增加，土層深度大于3m后，扭矩未明顯增加。當(dāng)采用鏟斗角度固定的鉆孔機(jī)具時(shí)，隨著入土深度的增加，機(jī)具耗能逐漸增加，工作效率不斷降低。

(2)最優(yōu)鏟斗打開角度在淤泥質(zhì)黏土層中宜取為45°，在黏土層、粉砂層、細(xì)砂層中，則宜取為15°。在實(shí)際作業(yè)時(shí)，需跟據(jù)實(shí)際的情況選擇合理的開打角度，提高機(jī)具的效能。

[1] 鄭騏．蓋挖逆做法地鐵車站的中間樁施工技術(shù)[J]．市政技術(shù)，2009，(5)

[2] 陳吾兵．鉆孔擴(kuò)底灌注樁應(yīng)用研究的現(xiàn)狀及進(jìn)展[J] ．采礦技術(shù)，2006，(3)

[3] 鐘軍輝．某工程鉆孔擴(kuò)底灌注樁的應(yīng)用[J] ．廣州建筑，2003，(3)

[4] 沈保漢．第十講:大直徑鉆孔擴(kuò)底灌注樁[J] ．施工技術(shù)，2001，(2)