鐵路橋梁施工中沖擊鉆灌注樁孔壁穩定性分析

蒲俊吉PU Jun-ji

（中鐵十一局集團第五工程有限公司，重慶 400000）

0 引言

在現代鐵路橋梁工程中，沖擊鉆灌注樁被廣泛應用于樁基處理，作為一種重要的基礎工程技術，對于保障橋梁的安全和穩定起著至關重要的作用[1]。然而，在沖擊鉆灌注樁施工過程中，孔壁的穩定性問題一直是工程實踐中亟待解決的難題[2]。孔壁穩定性直接影響著樁基的承載性能和整個橋梁工程的安全性[3～4]。尤其是在鐵路橋梁工程中，對樁基的安全性和穩定性要求更為嚴格，因此對于沖擊鉆灌注樁孔壁的穩定性分析顯得尤為重要。

目前，已經有多位學者針對灌注樁孔壁穩定性方向開展了相關研究，黃博杰等[5]基于別氏理論和擋土墻原理，考慮了土體圓拱效應以及孔徑對孔壁穩定性的影響，并提出了計算孔壁自立穩定最大孔深的計算模型，使用別氏公式解和MATLAB 數值分析軟件進行了多次調整，并最終提出了簡化計算公式。馬永峰等[6]通過對典型區域灌注樁成孔質量的實測，提出了一種新的評價孔壁穩定或坍塌程度的參數——塌孔率，并建立了塌孔孔徑劃分標準和坍塌體積計算模型。劉祥磊等[7]以鉆桿為研究對象，建立了鉆桿橫向應力數學模型，并通過數值模擬分析了鉆桿橫向應力對孔壁穩定性的影響。李林等[8]將飽和軟黏土中鉆孔灌注樁孔壁穩定性問題視為半無限體內柱形孔的卸荷收縮問題，通過改進的修正劍橋模型和應力空間變換方法得出了彈塑性解答，提出了維持孔壁穩定所需最小泥漿重度和孔壁穩定安全系數的計算方法，并研究了影響鉆孔穩定性的因素。趙春風等[9]在上海地區的實際工程中進行了鉆孔灌注樁試成孔測試，對測試數據進行統計分析，得出了孔徑隨時間和空間變化的規律。張細才等[10]分析了孔壁被水浸泡和未被浸泡兩種狀態下的受力情況，并討論了影響孔壁穩定性的因素。針對這些情況，從鉆井液、鉆具和施工操作三個方面提出了改善全風化花崗巖孔壁穩定性的措施，為這類特殊巖土的鉆探工作提供了參考。

在現有研究中，針對沖擊鉆灌注樁孔壁穩定性影響因素的分析較少，鑒于此，本研究采用數值模擬方法探究了不同因素對孔壁穩定性的影響，研究成果可為提高沖擊鉆灌注樁施工質量和安全性提供理論指導和技術支持。

1 工程概況

本研究依澎溪河特大橋工程項目，該項目位于重慶市云陽縣黃石鎮，沿線地形起伏較大，相對高差約30～80m，橋址區域地表多為農田及林地，房屋較少。該項目鐵路為高速鐵路，設計時速為350km/h，正線數目為雙線，線間距為5m，橋面結構為無軌道。

2 數值模型與材料參數

基于實際工程建立沖擊鉆灌注樁數值分析模型，在模擬過程中做出如下假設：土體為線性彈性材料；假設孔壁表面是光滑的，忽略表面粗糙度對孔壁穩定性的影響；假設孔壁材料是均勻的，不考慮各向異質性；忽略地下水作用；假設鉆孔施工過程是瞬時進行且連續的。模型的寬度和長度及深度均為40m，模型前后及左右側面設置邊界條件為法向約束，底面設置為固定邊界，頂面設置為自由邊界。鉆孔在施工時，除承受自身重力荷載及鉆孔施工導致的應力重分布外，還承受由泥漿護壁引起的側向壓力。采用四節點網格對模型進行網格劃分，劃分完畢后，共有節點數69199 個；單元數64617 個，模型示意圖如圖1 所示。

圖1 數值模型示意圖

數值模型鉆孔深度設置為16m，鉆孔直徑為1.6m，鋼護筒埋深3m，壁厚10mm，高出地面0.5m，鉆孔直徑比護筒內徑小0.2m。施工場地地層材料參數如表1 所示。

表1 土層材料參數

3 不同因素對沖擊鉆灌注樁孔壁穩定性的影響

3.1 泥漿重度的影響

圖2 是在10kN/m3、10.5kN/m3、11kN/m3及11.5kN/m3泥漿重度下孔壁橫向位移變化。由圖2 可知，在不同泥漿重度下，孔壁最大橫向位移依次為10.21mm、9.05mm、8.06mm 和7.15mm，表明泥漿重度越大，孔壁橫向位移最大值越小。泥漿的重度越大，其對孔壁的支撐能力越強，能夠有效地抵抗土體的側向位移。當泥漿重度增大時，孔壁周圍的土體在受到外部荷載作用時，受到的約束越強，從而使得孔壁周圍的土體的側向變形受到限制，導致孔壁的橫向位移最大值減小。說明增大泥漿重度可以有效地提高孔壁的穩定性，減小孔壁的橫向位移。在鉆孔深度為0～3m范圍內，孔壁橫向位移較小，孔壁橫向位移最大值出現在鉆孔深度為5m 位置，這是由于在0～3m 范圍有鋼護筒支撐，其剛度較大且與孔壁土體緊密接觸，而在3～9m 范圍內土層主要為素填土，其壓實度較低，強度較小。

圖2 不同泥漿重度下孔壁橫向位移變化

不同泥漿重度下鉆孔周圍地表沉降量變化如圖3 所示，觀察圖3 可知，在樁孔附近地表沉降量較大，隨著與樁孔距離的增大，地表沉降量逐漸減小。沖擊鉆灌注樁的施工過程中會對周圍的土體產生擠壓和變形，這會導致土體的壓實和沉降，樁孔附近的土體受到了較大的變形和壓實，使得土體的密實度增加，從而土體的沉降量較大，隨著與樁孔距離的增大，地表土體受到的振動和壓實作用逐漸減小，導致與樁孔距離較大的土體地表沉降量較小。在10kN/m3、10.5kN/m3、11kN/m3及11.5kN/m3泥漿重度下，地表沉降最大值分別為 2.87mm、2.58mm、2.31mm 和2.06mm，說明樁孔附近土體地表沉降值隨著泥漿重度的增大而逐漸減小。究其原因，一方面，隨著泥漿重度增大，填充在樁孔周圍的泥漿壓力會增加，從而提高了土體的支撐作用，泥漿的重度增大意味著單位體積泥漿的重量增加，因此施加在土體上的壓力也隨之增大，對土體的強度和穩定性產生了影響。增大泥漿重度導致泥漿的密實度增加，使得填充在樁孔周圍的泥漿更加密實，能夠更好地填充土體中的孔隙，提高了土體的整體穩定性，從而減小了地表沉降的程度。另一方面，泥漿重度增大還會影響土體的滲透性，泥漿中的顆粒堆積得更加緊密，減小了土體的滲透性，從而減小了地表沉降。

圖3 不同泥漿重度下地表沉降變化

3.2 鉆孔直徑的影響

圖4 所示是在不同鉆孔直徑下孔壁橫向位移變化，由圖4 可知，在1000mm、1200mm、1400mm 及1600mm 鉆孔直徑下，孔壁橫向位移最大值依次為6.13mm、7.12mm、8.2mm 和9.32mm，說明增大鉆孔直徑，最大孔壁橫向位移隨之增大。增大孔徑會增加土體的受力范圍，使得孔壁周圍的土體承受的相互作用力增大，較大的孔徑使得孔壁周圍土體的支撐面積減小，土體的抗側向變形能力相對減弱，導致孔壁最大橫向位移增大。在1200mm、1400mm 及1600mm 鉆孔直徑下的最大孔壁橫向位移與孔徑為1000mm 相比依次提升了16.15%、33.77%和52.04%。

圖4 不同鉆孔直徑下孔壁橫向位移變化

不同鉆孔直徑下地表沉降變化如圖5 所示，從圖5 中可以看出，地表沉降最大值出現在孔壁邊緣位置，隨著與孔壁距離的增大，地表沉降量逐漸減小。在1000mm、1200mm、1400mm 及1600mm 鉆孔直徑下，最大地表沉降量分別為1.29mm、1.67mm、2.03mm 和2.47mm，說明鉆孔直徑越大，樁孔周圍的地表沉降量越大。增大鉆孔直徑表示在鉆孔時需要移除更多的土壤，導致樁孔周圍土體的應力重分布，引起土體的位移和變形，進而導致地表沉降。在1200mm、1400mm 和1600mm 鉆孔直徑下的最大地表沉降量與1000mm 鉆孔直徑相比分別提升了29.45%、57.36%和91.47%。

圖5 不同鉆孔直徑下地表沉降變化

3.3 鉆孔深度的影響

圖6 是不同鉆孔深度下孔壁橫向位移變化，觀察圖6可知，在12m、14m、16m 及18m 鉆孔深度下，不同鉆孔深度下孔壁橫向位移的變化曲線基本重合，表明改變鉆孔深度對孔壁橫向位移變化無明顯影響。沖擊鉆灌注樁孔壁的穩定性主要受到樁孔周圍土體的支撐作用以及孔壁與土體之間的相互作用影響，鉆孔深度的變化并沒有引起明顯的地層結構或土體性質的改變，因此，改變鉆孔深度孔壁橫向位移無顯著變化。

圖6 不同鉆孔深度下孔壁橫向位移變化

圖7 所示是不同鉆孔深度下地表沉降變化，從圖中可以看出，鉆孔深度在12～16m，地表沉降量隨著鉆孔深度的增大逐漸增大，在16m 和18m 鉆孔深度下地表沉降量變化趨勢及幅度基本相同，說明增大鉆孔深度對地表沉降影響較小，鉆孔深度增大至16m 后，地表沉降量無明顯變化。地表沉降主要是由于樁孔周圍土體的變形引起的，而這種變形主要受到樁孔周圍土體的力學性質和受力狀態的影響。在這種情況下，即使鉆孔深度增大，但樁孔周圍土體的性質和受力狀態并沒有發生顯著變化，導致地表沉降量的變化趨勢及幅度基本相同。

圖7 不同鉆孔深度下地表沉降變化

4 結論

本研究依托普里河特大橋工程項目，對不同因素對沖擊鉆灌注樁孔壁穩定性的影響因素開展研究，得出以下結論：①孔壁橫向位移在鉆孔深度為0～3m 范圍內變化較小，在3～9m 范圍內變化較大，孔壁橫向位移最大值出現在鉆孔深度為5m 位置；在樁孔附近地表沉降量較大，隨著與樁孔距離的增大，地表沉降量逐漸減小。②增大泥漿重度及鉆孔直徑對孔壁橫向位移及樁孔附近地表沉降均有顯著影響，泥漿重度越大，孔壁橫向位移最大值越小，最大地表沉降量越小；增大鉆孔直徑，最大孔壁橫向位移及地表沉降量均隨之增大。③不同鉆孔深度下最大孔壁橫向位移變化趨勢及幅度均基本相同，鉆孔深度由12m 增大至16m，地表沉降量隨之增大，但增大幅度較小，鉆孔深度大于16m 后，改變鉆孔深度對地表沉降無顯著影響。