擴孔灌注樁施工技術的數值模擬研究

董 力

(中鐵十六局集團北京軌道交通工程建設有限公司,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支撐，又要作為地下工程的永久承載結構，其施工質量、安全性能、施工功效直接影響工程的整體施工質量。于家堡交通樞紐工程樁采用樁端、樁底擴孔的灌注樁，共391根，有效樁長約33～44m。相比傳統常規等徑鉆孔灌注樁施工而言，擴孔灌注樁具有節約樁長、場地限制小、環境適應性強、施工速度快，操作簡便等眾多優點，但是由于現有擴孔灌注樁施工技術并不成熟，施工過程存在擴孔效果不理想、擴孔質量檢測難等問題，需要進一步得到解決[1-4]。

1 工程概況

于家堡站交通樞紐位于天津市濱海新區中心商務區北端，是集京津城際延伸線、城市軌道交通、商業空間、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17.5m。主體結構為地下兩層多跨式框架結構，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φ3 200mm擴孔，有效樁長為31～40m，共391根。根據工程地質情況，樁基施工范圍主要是淤泥質黏土、黏土、粉砂、細砂層，土層具有截然不同力學性能，進行擴孔施工的效率也不盡相同。而常規擴孔鉆機其功率、轉速等機械性往往具有一定的限制性，不能同時滿足不同的地質條件。

2 三維數值模型

采用ANSYS軟件對不同斗齒角度進行鉆進不同地層的阻力進行三維數值模擬。土體按圓柱體計取，土體水平向邊界按鉆頭的四倍計算，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元單元Plane42Solid45Contac173Targe170

3 模擬結果分析

(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，所施加的扭矩值，其關系趨勢如圖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。當采用鏟斗角度固定的鉆孔機具時，隨著入土深度的增加，機具耗能逐漸增加，工作效率不斷降低。

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

圖2 土層深度與扭矩關系

圖3 淤泥質黏土中鏟斗角度與扭矩關系

(3)選取不同性質的土，不斷調節其鏟斗的角度，可以得到適應不同土層中的最優鏟斗角度，如表2所示。從表中可以看出，在淤泥質黏土層中，鏟斗打開45°時，所需提供的扭矩最小，而打開15°時，需要扭矩最大。在黏土層中，鏟斗打開15°的時候，所需扭矩最小。鏟斗打開60°的時候，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°。在實際作業時，需跟據實際的情況選擇合理的開打角度，提高機具的效能。

表2 不同鏟斗打開角度時的扭矩 kN·m

(4)對擴孔鉆機斗齒進行優化設計，變固定式為可調節角度式斗齒，在淤泥質黏土等地基，土層軟弱，鉆機阻力較小，斗齒角度宜控制在45°～60°，而粉砂、細砂等地基，土質堅硬致密，鉆機阻力較大，斗齒角度宜控制在15°～30°。通過現場實際應用反饋，擴孔實際工效提升明顯，單孔淤泥質土層擴孔施工時間縮短近0.2h，而致密砂層地層擴孔施工時間縮短近0.5h，顯著提高施工功效。

4 結論

通過ANSYS三維數值模擬分析，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。當采用鏟斗角度固定的鉆孔機具時，隨著入土深度的增加，機具耗能逐漸增加，工作效率不斷降低。

(2)最優鏟斗打開角度在淤泥質黏土層中宜取為45°，在黏土層、粉砂層、細砂層中，則宜取為15°。在實際作業時，需跟據實際的情況選擇合理的開打角度，提高機具的效能。

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

[2] 陳吾兵．鉆孔擴底灌注樁應用研究的現狀及進展[J] ．采礦技術，2006，(3)

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

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