基于有限元的鋼護(hù)筒埋深設(shè)計及應(yīng)用研究

王俊召，周小棚，吳志敏

(廣西交科集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

在橋梁建設(shè)中，橋梁基礎(chǔ)的安全性尤為重要，因此樁基礎(chǔ)的應(yīng)用越來越廣泛，在樁基礎(chǔ)施工過程中的施工質(zhì)量、安全、進(jìn)度對橋梁承臺、墩柱以及上部結(jié)構(gòu)的施工起到了制約作用。為保證樁孔穩(wěn)定，常采用泥漿護(hù)壁和鋼護(hù)筒保護(hù)孔壁。熊厚仁等在施工中應(yīng)用“鋼護(hù)筒跟進(jìn)”結(jié)合黏土、水泥護(hù)壁等成熟方法，解決了溶洞巖基復(fù)雜地質(zhì)條件下樁孔穩(wěn)定問題[1]。鋼護(hù)筒與泥漿護(hù)壁均對樁孔起到保護(hù)作用，且樁孔穩(wěn)定性隨泥漿比重的增大、鋼護(hù)筒長度的增長而加強(qiáng)[2]。羅紹明通過理論分析提出樁孔穩(wěn)定的條件，即靜力平衡、地質(zhì)滲流、時間因素[3]。

前人研究為樁孔施工指明了方向，本文旨在通過理論及有限元分析研究鋼護(hù)筒在軟弱地基上的應(yīng)用。為此，本文首先介紹鋼護(hù)筒的埋深(護(hù)筒長度)設(shè)計計算方法，然后結(jié)合工程實際運(yùn)用有限元軟件，從最大樁孔橫向線位移的角度分析樁孔的穩(wěn)定性。

1 工程概況

本項目就哈爾濱至牡丹江的哈牡鐵路客運(yùn)專線某特大橋的一個承臺的樁基進(jìn)行描述。本橋梁為66孔、單跨跨度32.7 m的特大橋，設(shè)計時速目標(biāo)值為250 km/h，線路為雙線，線間距為4.6 m。

該工程位于東北寒冷地區(qū)，表層3.50 m以上具有Ⅰ級不凍脹-V級不凍脹，碎石類土層具有Ⅰ級不凍脹-Ⅳ級不凍脹，最大凍結(jié)深度為1.91 m。根據(jù)勘察報告，淤泥質(zhì)卵石土層埋深為7.30 m，強(qiáng)風(fēng)化花崗巖為13.53 m，地下水位為0.8～8.0 m，水位變幅2～3 m。

見圖1。

圖1 樁基尺寸以及地質(zhì)條件圖(cm)

2 鋼護(hù)筒結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 鋼護(hù)筒的功能及其要求

鋼護(hù)筒主要是保護(hù)樁孔的穩(wěn)定，因此要求護(hù)筒本身具有一定的強(qiáng)度，使樁孔有足夠的強(qiáng)度抵抗外部的地層壓力，且不會在內(nèi)部的泥漿壓力下失穩(wěn)。除此之外，要求護(hù)筒還要有一定的密閉性，使外部地層中的水不會滲入樁孔，內(nèi)部泥漿不會外露[4]。鋼護(hù)筒埋置依據(jù)樁周土質(zhì)確定鋼護(hù)筒的最小埋置深度，確保護(hù)壁效果最好。還要設(shè)置一定的外露長度，使泥漿壓力始終大于地層壓力，使樁孔達(dá)到動態(tài)平衡。

圖2 護(hù)筒埋置示意圖

在軟土地基及淤泥質(zhì)土中，護(hù)筒是保持樁孔內(nèi)外壓力的關(guān)鍵。樁孔內(nèi)外應(yīng)始終保持泥漿柱壓力大于地層壓力。孔內(nèi)壓力過大易造成泥漿外露；孔內(nèi)壓力小于地層壓力時，則會出現(xiàn)塌孔、縮孔等問題。因此保持孔內(nèi)外壓力是護(hù)筒設(shè)計理論的關(guān)鍵。

2.2 安全系數(shù)的計算

隨著滲流的增大，孔壁內(nèi)外產(chǎn)生較大的滲流差時，就會產(chǎn)生較大的變形。因此，通過控制孔內(nèi)外的水頭坡降，使土體處于“懸浮”狀態(tài)時即為臨界狀態(tài)[5-6]，此時根據(jù)土顆粒受力的平衡方程得到水頭坡降為臨界水頭坡降(icr)，其表達(dá)式如下：

(1)

式中：icr——臨界水頭坡降；

r′——土體有效重度，kN/m3；

rw——水的重度，kN/m3；

Gs——土顆粒比重，kN/m3；

e——土體孔隙比；

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n——土體空隙率。

在鉆孔樁中，當(dāng)土體的滲透坡降大于孔內(nèi)泥漿的滲透坡降時就會導(dǎo)致塌孔或者縮孔的發(fā)生。

當(dāng)i>icr時，土體處于流動狀態(tài)，即樁孔發(fā)生塌孔或縮孔；當(dāng)i=icr時，土體處于懸浮狀態(tài)，此時土顆粒處于“懸浮”狀態(tài)，正處于塌孔或縮孔的臨界狀態(tài)；當(dāng)i

由于樁基塌孔或者破壞容易導(dǎo)致樁基受力不完全或者受力不均，使建筑物發(fā)生倒塌傾斜等破壞，因此，設(shè)計時應(yīng)保證一定的安全系數(shù)，即水頭坡降設(shè)計值[i]，其關(guān)系式如下：

i<[i]=icr/K

(2)

式中：K——安全系數(shù)。

2.3 護(hù)筒埋深計算

從護(hù)孔的角度來看，護(hù)筒長度越長，則樁孔的穩(wěn)定性越好。但是隨著護(hù)筒長度的加長，護(hù)筒的埋置難度逐漸增加，施工成本也相應(yīng)增加。為此在護(hù)筒保留足夠的護(hù)壁長度并使護(hù)筒最短是護(hù)筒設(shè)計的最佳方案。

考慮了滿足抗?jié)B和管涌的要求，通過臨界水頭坡度，可計算出發(fā)生塌孔或縮孔時的鋼護(hù)筒最小入土深度：

(3)

式中：l——鋼護(hù)筒最小入土深度，m；

h2——護(hù)筒內(nèi)泥漿頂距地面高度，m；

h3——地下水距地面的距離，m；

rm——泥漿比重，kN/m3；

r′——護(hù)筒外土體的有效重度，kN/m3。

護(hù)筒長度為：

L=l+h1

(4)

根據(jù)以上理論可得本項目護(hù)筒長度在泥漿比重為1.25 g/cm3時為8.2 m，在泥漿比重為1.05 g/cm3時為8.7 m，為此在這兩種泥漿比重情況下鋼護(hù)筒長度取9 m；在不設(shè)泥漿護(hù)壁時，假設(shè)樁孔內(nèi)外水位齊平，計算可得鋼護(hù)筒長度為10.7 m，宜取12 m。

3 分析工藝及建模分析

本文主要從樁孔最大橫向線位移角度采用有限元強(qiáng)度折減法進(jìn)行位移分析，進(jìn)一步對上文中的鋼護(hù)筒長度公式進(jìn)一步進(jìn)行印證。

3.1 工況組合

在建模分析中采用的泥漿如表1所示[7-12]。

表1 泥漿參數(shù)比對表

3.2 本構(gòu)模型及邊界確定

土體本構(gòu)模型(見圖3)是對孔壁物理力學(xué)特性的表述。孫陽通過比較分析得出土體本構(gòu)模型采用摩爾-庫倫(Mohr-Coulomb)屈服準(zhǔn)則能夠較好地反映孔壁的力學(xué)特性[2]。本文在分析時采用有限元軟件Midas GTS運(yùn)用有限元強(qiáng)度折減法進(jìn)行分析。

圖3 本構(gòu)模型圖

摩爾-庫倫(Mohr-Coulomb)屈服準(zhǔn)則為：

(5)

式中：J1——第一偏應(yīng)力張量不變量；

J2——第二偏應(yīng)力張量不變量；

本文從樁孔線位移的角度分析孔壁穩(wěn)定性，在添加護(hù)筒工況下，孔壁線位移處于0的狀態(tài)。為此，本文在模型邊界、添加護(hù)筒處節(jié)點(diǎn)上施加三個方向的線位移約束；在樁孔兩側(cè)施加施工平臺，模擬樁孔頂部荷載情況[13-16]。

3.3 樁孔穩(wěn)定性分析

樁孔的穩(wěn)定性主要取決于土體力學(xué)參數(shù)、泥漿的護(hù)壁作用以及鋼護(hù)筒的保護(hù)作用等。本文應(yīng)用有限元軟件Midas GTS的有限元強(qiáng)度折減法對不同泥漿比重(0～1.35)、不同護(hù)筒長度(0～20 m)條件下，樁孔的橫向線位移的變化情況進(jìn)行分析。樁孔橫向線位移變化趨勢圖如圖4～8所示。

圖4 無泥漿時的樁孔橫向線位移變化曲線圖

圖5 泥漿比重為1.05時的樁孔橫向線位移變化圖

圖6 泥漿比重為1.15時的樁孔橫向線位移變化圖

圖7 泥漿比重為1.25時的樁孔橫向線位移變化曲線圖

圖8 泥漿比重為1.35時的樁孔橫向線位移變化曲線圖

由圖可知：

(1)在鋼護(hù)筒長度范圍內(nèi)，樁孔幾乎不發(fā)生橫向線位移。

(2)當(dāng)設(shè)置較短鋼護(hù)筒時(0～10 m)，在鋼護(hù)筒底端，會首先出現(xiàn)較大橫向線位移，增大塌孔可能性。

(3)隨著樁孔的加深，樁孔橫向線位移隨孔深呈先增長后降低的趨勢，且達(dá)到孔深的4/5左右時，樁孔線位移達(dá)到最大值。

(4)在同一種泥漿比重情況下，隨著鋼護(hù)筒長度的增加，均能使得樁孔橫向線位移減小，即減少塌孔的發(fā)生，且不同護(hù)筒長度的樁孔橫向線位移最大值均出現(xiàn)在孔深的4/5處左右。

3.4 結(jié)果分析

樁孔施工中，通過運(yùn)用鋼護(hù)筒和泥漿護(hù)壁，均可有效降低塌孔事故的發(fā)生。本文建模分析得出，隨著鋼護(hù)筒長度增加，可一定程度上減小橫向線位移，但是增大到一定程度卻顯浪費(fèi)。

4 結(jié)語

在工程實際中，通過泥漿護(hù)壁和鋼護(hù)筒的運(yùn)用，可有效提高樁孔的穩(wěn)定性，本文運(yùn)用管涌理論，即孔內(nèi)外滲流差保持一定值，在此基礎(chǔ)上提出鋼護(hù)筒埋深的計算方法。結(jié)合哈牡客運(yùn)專線工程實際，通過應(yīng)用有限元強(qiáng)度折減法進(jìn)一步印證本方法的適用性。由于鋼護(hù)筒造價高昂，且實際施工中難以估算長度，為此本文通過提出鋼護(hù)筒長度計算方法，得出鋼護(hù)筒適宜長度，減少工程預(yù)算，為工程實踐提供了有力的參考依據(jù)。