基于有限元的鋼護筒埋深設(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，常采用泥漿護壁和鋼護筒保護孔壁。熊厚仁等在施工中應(yīng)用“鋼護筒跟進”結(jié)合黏土、水泥護壁等成熟方法，解決了溶洞巖基復(fù)雜地質(zhì)條件下樁孔穩(wěn)定問題[1]。鋼護筒與泥漿護壁均對樁孔起到保護作用，且樁孔穩(wěn)定性隨泥漿比重的增大、鋼護筒長度的增長而加強[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筒在軟弱地基上的應(yīng)用。為此，本文首先介紹鋼護筒的埋深(護筒長度)設(shè)計計算方法，然后結(jié)合工程實際運用有限元軟件，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專線某特大橋的一個承臺的樁基進行描述。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 鋼護筒結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 鋼護筒的功能及其要求

鋼護筒主要是保護樁孔的穩(wěn)定，因此要求護筒本身具有一定的強度，使樁孔有足夠的強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]。鋼護筒埋置依據(jù)樁周土質(zhì)確定鋼護筒的最小埋置深度，確保護壁效果最好。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，使樁孔達到動態(tài)平衡。

圖2 護筒埋置示意圖

在軟土地基及淤泥質(zhì)土中，護筒是保持樁孔內(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 護筒埋深計算

從護孔的角度來看，護筒長度越長，則樁孔的穩(wěn)定性越好。但是隨著護筒長度的加長，護筒的埋置難度逐漸增加，施工成本也相應(yīng)增加。為此在護筒保留足夠的護壁長度并使護筒最短是護筒設(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筒最小入土深度：

(3)

式中：l——鋼護筒最小入土深度，m；

h2——護筒內(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′——護筒外土體的有效重度，kN/m3。

護筒長度為：

L=l+h1

(4)

根據(jù)以上理論可得本項目護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筒長度取9 m；在不設(shè)泥漿護壁時，假設(shè)樁孔內(nèi)外水位齊平，計算可得鋼護筒長度為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度折減法進行位移分析，進一步對上文中的鋼護筒長度公式進一步進行印證。

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運用有限元強度折減法進行分析。

圖3 本構(gòu)模型圖

摩爾-庫倫(Mohr-Coulomb)屈服準則為：

(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、添加護筒處節(jié)點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)、泥漿的護壁作用以及鋼護筒的保護作用等。本文應(yīng)用有限元軟件Midas GTS的有限元強度折減法對不同泥漿比重(0～1.35)、不同護筒長度(0～20 m)條件下，樁孔的橫向線位移的變化情況進行分析。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)置較短鋼護筒時(0～10 m)，在鋼護筒底端，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，且達到孔深的4/5左右時，樁孔線位移達到最大值。

(4)在同一種泥漿比重情況下，隨著鋼護筒長度的增加，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，通過運用鋼護筒和泥漿護壁，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。

4 結(jié)語

在工程實際中，通過泥漿護壁和鋼護筒的運用，可有效提高樁孔的穩(wěn)定性，本文運用管涌理論，即孔內(nèi)外滲流差保持一定值，在此基礎(chǔ)上提出鋼護筒埋深的計算方法。結(jié)合哈牡客運專線工程實際，通過應(yīng)用有限元強度折減法進一步印證本方法的適用性。由于鋼護筒造價高昂，且實際施工中難以估算長度，為此本文通過提出鋼護筒長度計算方法，得出鋼護筒適宜長度，減少工程預(yù)算，為工程實踐提供了有力的參考依據(jù)。