全護筒跟管灌注樁護筒受力分析

王朝陽 孫文懷 郝彥超

(1.華北水利水電大學，河南 鄭州 450046； 2.河南省建筑科學研究院有限公司，河南 鄭州 450053)

1 概述

隨著經濟發展，我國大型基礎工程施工越來越復雜，設計需要的樁徑越來越大，面對的地質條件愈加復雜。需要在更復雜的地質條件下施工，如：穿越軟土層、卵礫石層、地下水豐富地層、不穩定地層等。對于地質條件復雜的情況，鉆孔灌注成樁施工難度大，存在塌孔、縮頸等現象，施工質量難以保障。

全護筒跟進工藝因簡便有效的解決了塌孔、縮頸等困擾樁基施工的問題，正在我國被越來越多的使用，但同時面對復雜的施工條件也常常存在配套的護筒鉆具在施工過程中損壞、斷裂進而造成經濟損失、影響工期的問題。由于相關研究資料較少[1]、施工過程監測難度大，直接研究護筒受力較為困難。如何從理論上解釋護筒跟進過程中的受力情況，首先需要先建立護筒工作時的力學模型。

2 護筒力學分析

2.1 護筒鉆進運動分析

護筒在動力連接設備驅動做向下的垂直直線運動和回轉運動的復合運動，運動狀態如圖1所示。

護筒上任意一點的切向速度：

(1)

護筒下壓速度：

vz=nh

(2)

其中，vt為切向速度,m/s；r為半徑,m；ω為角速度,1/s；n為套管轉速,r/min；vz為護筒下壓速度，m/s；h為護筒每轉鉆進的深度，m。

護筒在動力驅動過程中承受一定驅動扭矩M，使護筒克服與土體之間的摩擦力逐漸深入土體內部，鉆進過程中護筒的受力分別為重力G，由護筒尺寸、材料確定，鉆進壓力F，地層支持力N，土體給護筒內外壁的法向約束力FN1與FN2,土體給護筒內外表面的切向摩擦力Ft1和Ft2，土體給護筒軸向摩擦力Fz1和Fz2，靴齒切削土體阻力矩M2，力學模型如圖2所示。

2.2 護筒鉆進受力分析

護筒下鉆時的運動形式為回轉和下沉的復合運動，通過全回轉鉆進或搓管機對護筒施加扭矩使套管進行小角度或360°回轉同時對套管向下加壓，將荷載傳遞到護筒端部靴齒，對土體進行切割一部分土體涌入護筒內，形成土芯并與護筒內壁相互接觸產生摩擦，由于護筒內部土體會隨著施工進程不斷被取出，鉆進過程中護筒內只保留少量土體，因此護筒內部產生的摩擦阻力可以忽略，另一部分土體被擠向護筒外部，擠向四周的土體與護筒的外壁接觸更加緊密法向應力更大，因而護筒外的側摩阻力也更大。下沉過程中護筒在已經被擾動的土體中滑動，護筒受到滑動摩擦阻力。宋志彬[2]通過現場試驗與理論數據對比分析，護筒受到的滑動摩擦阻力可以參照靜壓樁的沉樁阻力計算方法進行計算，同時護筒內部土體在施工時會及時取出，因此對于施工時護筒受力情況，重點分析護筒外壁與土體接觸因相對滑移產生的摩擦力。

對于側摩阻力計算，Chandler在1968年提出粘性土的經驗公式:

Fs=K0γhtanδ

(3)

于是護筒與土體之間的摩擦阻力矩M1可表示為：

(4)

其中，R為護筒半徑；Fs為側摩阻力；h為護筒下鉆深度；K0為樁側壓力系數；γ為土體重度；δ為樁與土的滑動外摩擦角；λ為折減系數(根據工程實踐及理論推導λ取值0.38，護筒內部土體被連續取出，λ取值應該更小，按照0.38系數計算指導施工安全性更高)。

3 護筒受力模擬分析

3.1 護筒及土體模型建立及參數[3]選取

由于實際影響因素較為復雜,為簡化計算突出主要因素的影響，計算時假定土體為單一均質彈塑性土體，通過以上分析全護筒施工過程影響扭矩大小的主要因素有兩個:

1)護筒內外壁與土體接觸面積(通過鉆進深度體現)；

2)施工地層地質條件。陶友海[4]結合施工案例模擬了長護筒跟進中護筒受力情況，而護筒下鉆過程中靴齒切削土體模擬模型出現變形大，計算不易收斂，模擬結果與實際情況差別較大的情況，對此王永健等[5]運用自適應運動網格的ALE方法，提高了模擬精度，與實際情況更為符合。取護筒長度為20 m，土體及基本參數選取如表1所示，模型見圖3。

表1 土體及護筒參數

為使模擬條件更接近真實土體狀態，應提前對土體進行地應力平衡，胡長明等[6]詳細對比地應力平衡的四種方法各自適用條件，結合實際情況需要采用自動地應力平衡方法，地應力平衡的效果通過分析土體平衡時自身應力值及不同深度處護筒表面所受土壓力與理論計算結果對比如圖4所示，模擬結果與理論相符。

3.2 模擬結果分析

圖5反映了:1)護筒回轉下沉過程中靜摩擦阻力逐漸增大，動力連接驅動護筒克服與土體間的靜摩擦，護筒相對土體運動，兩者之間摩擦轉變為動摩擦，此時護筒外壁的摩擦力也趨于穩定；2)護筒與土體間的側摩阻力隨著接觸深度的增加而增加。根據式(3)，式(4)分別選取R=1 000 mm，1 200 mm，1 500 mm。

護筒長度為15 m時，計算M1=165 kN·m;M2=198 kN·m;M3=248 kN·m。

護筒長度為20 m時，計算M1=293 kN·m;M2=352 kN·m;M3=440 kN·m。計算結果與實際施工情況是相符的。

4 結語

針對全護筒跟管灌注樁施工中護筒受力影響因素復雜、有效理論指導相對較少、護筒鉆進過程中受力狀態不明確，在施工時對設備的選取對經驗依賴性大可能造成施工過程中出現設備選取不合適造成設備損壞施工無法正常進行及資源的浪費，通過對護筒鉆進過程受力分析，建立了護筒的受力模型同時提出了護筒所受阻扭矩的計算公式，結合數值模擬計算了護筒鉆進過程中不同深度處的側摩阻力，選取不同半徑及長度的護筒進行理論計算，與實際工程中情況相符，因此對全護筒跟管施工及設備選取都有一定參考價值。