铁路桥梁施工中冲击钻灌注桩孔壁稳定性分析

蒲俊吉PU Jun-ji

（中铁十一局集团第五工程有限公司，重庆 400000）

在现代铁路桥梁工程中，冲击钻灌注桩被广泛应用于桩基处理，作为一种重要的基础工程技术，对于保障桥梁的安全和稳定起着至关重要的作用[1]。然而，在冲击钻灌注桩施工过程中，孔壁的稳定性问题一直是工程实践中亟待解决的难题[2]。孔壁稳定性直接影响着桩基的承载性能和整个桥梁工程的安全性[3～4]。尤其是在铁路桥梁工程中，对桩基的安全性和稳定性要求更为严格，因此对于冲击钻灌注桩孔壁的稳定性分析显得尤为重要。

目前，已经有多位学者针对灌注桩孔壁稳定性方向开展了相关研究，黄博杰等[5]基于别氏理论和挡土墙原理，考虑了土体圆拱效应以及孔径对孔壁稳定性的影响，并提出了计算孔壁自立稳定最大孔深的计算模型，使用别氏公式解和MATLAB 数值分析软件进行了多次调整，并最终提出了简化计算公式。马永峰等[6]通过对典型区域灌注桩成孔质量的实测，提出了一种新的评价孔壁稳定或坍塌程度的参数——塌孔率，并建立了塌孔孔径划分标准和坍塌体积计算模型。刘祥磊等[7]以钻杆为研究对象，建立了钻杆横向应力数学模型，并通过数值模拟分析了钻杆横向应力对孔壁稳定性的影响。李林等[8]将饱和软黏土中钻孔灌注桩孔壁稳定性问题视为半无限体内柱形孔的卸荷收缩问题，通过改进的修正剑桥模型和应力空间变换方法得出了弹塑性解答，提出了维持孔壁稳定所需最小泥浆重度和孔壁稳定安全系数的计算方法，并研究了影响钻孔稳定性的因素。赵春风等[9]在上海地区的实际工程中进行了钻孔灌注桩试成孔测试，对测试数据进行统计分析，得出了孔径随时间和空间变化的规律。张细才等[10]分析了孔壁被水浸泡和未被浸泡两种状态下的受力情况，并讨论了影响孔壁稳定性的因素。针对这些情况，从钻井液、钻具和施工操作三个方面提出了改善全风化花岗岩孔壁稳定性的措施，为这类特殊岩土的钻探工作提供了参考。

在现有研究中，针对冲击钻灌注桩孔壁稳定性影响因素的分析较少，鉴于此，本研究采用数值模拟方法探究了不同因素对孔壁稳定性的影响，研究成果可为提高冲击钻灌注桩施工质量和安全性提供理论指导和技术支持。

本研究依澎溪河特大桥工程项目，该项目位于重庆市云阳县黄石镇，沿线地形起伏较大，相对高差约30～80m，桥址区域地表多为农田及林地，房屋较少。该项目铁路为高速铁路，设计时速为350km/h，正线数目为双线，线间距为5m，桥面结构为无轨道。

基于实际工程建立冲击钻灌注桩数值分析模型，在模拟过程中做出如下假设：土体为线性弹性材料；
假设孔壁表面是光滑的，忽略表面粗糙度对孔壁稳定性的影响；
假设孔壁材料是均匀的，不考虑各向异质性；
忽略地下水作用；
假设钻孔施工过程是瞬时进行且连续的。模型的宽度和长度及深度均为40m，模型前后及左右侧面设置边界条件为法向约束，底面设置为固定边界，顶面设置为自由边界。钻孔在施工时，除承受自身重力荷载及钻孔施工导致的应力重分布外，还承受由泥浆护壁引起的侧向压力。采用四节点网格对模型进行网格划分，划分完毕后，共有节点数69199 个；
单元数64617 个，模型示意图如图1 所示。

图1 数值模型示意图

数值模型钻孔深度设置为16m，钻孔直径为1.6m，钢护筒埋深3m，壁厚10mm，高出地面0.5m，钻孔直径比护筒内径小0.2m。施工场地地层材料参数如表1 所示。

表1 土层材料参数

3.1 泥浆重度的影响

图2 是在10kN/m3、10.5kN/m3、11kN/m3及11.5kN/m3泥浆重度下孔壁横向位移变化。由图2 可知，在不同泥浆重度下，孔壁最大横向位移依次为10.21mm、9.05mm、8.06mm 和7.15mm，表明泥浆重度越大，孔壁横向位移最大值越小。泥浆的重度越大，其对孔壁的支撑能力越强，能够有效地抵抗土体的侧向位移。当泥浆重度增大时，孔壁周围的土体在受到外部荷载作用时，受到的约束越强，从而使得孔壁周围的土体的侧向变形受到限制，导致孔壁的横向位移最大值减小。说明增大泥浆重度可以有效地提高孔壁的稳定性，减小孔壁的横向位移。在钻孔深度为0～3m范围内，孔壁横向位移较小，孔壁横向位移最大值出现在钻孔深度为5m 位置，这是由于在0～3m 范围有钢护筒支撑，其刚度较大且与孔壁土体紧密接触，而在3～9m 范围内土层主要为素填土，其压实度较低，强度较小。

图2 不同泥浆重度下孔壁横向位移变化

不同泥浆重度下钻孔周围地表沉降量变化如图3 所示，观察图3 可知，在桩孔附近地表沉降量较大，随着与桩孔距离的增大，地表沉降量逐渐减小。冲击钻灌注桩的施工过程中会对周围的土体产生挤压和变形，这会导致土体的压实和沉降，桩孔附近的土体受到了较大的变形和压实，使得土体的密实度增加，从而土体的沉降量较大，随着与桩孔距离的增大，地表土体受到的振动和压实作用逐渐减小，导致与桩孔距离较大的土体地表沉降量较小。在10kN/m3、10.5kN/m3、11kN/m3及11.5kN/m3泥浆重度下，地表沉降最大值分别为 2.87mm、2.58mm、2.31mm 和2.06mm，说明桩孔附近土体地表沉降值随着泥浆重度的增大而逐渐减小。究其原因，一方面，随着泥浆重度增大，填充在桩孔周围的泥浆压力会增加，从而提高了土体的支撑作用，泥浆的重度增大意味着单位体积泥浆的重量增加，因此施加在土体上的压力也随之增大，对土体的强度和稳定性产生了影响。增大泥浆重度导致泥浆的密实度增加，使得填充在桩孔周围的泥浆更加密实，能够更好地填充土体中的孔隙，提高了土体的整体稳定性，从而减小了地表沉降的程度。另一方面，泥浆重度增大还会影响土体的渗透性，泥浆中的颗粒堆积得更加紧密，减小了土体的渗透性，从而减小了地表沉降。

图3 不同泥浆重度下地表沉降变化

3.2 钻孔直径的影响

图4 所示是在不同钻孔直径下孔壁横向位移变化，由图4 可知，在1000mm、1200mm、1400mm 及1600mm 钻孔直径下，孔壁横向位移最大值依次为6.13mm、7.12mm、8.2mm 和9.32mm，说明增大钻孔直径，最大孔壁横向位移随之增大。增大孔径会增加土体的受力范围，使得孔壁周围的土体承受的相互作用力增大，较大的孔径使得孔壁周围土体的支撑面积减小，土体的抗侧向变形能力相对减弱，导致孔壁最大横向位移增大。在1200mm、1400mm 及1600mm 钻孔直径下的最大孔壁横向位移与孔径为1000mm 相比依次提升了16.15%、33.77%和52.04%。

图4 不同钻孔直径下孔壁横向位移变化

不同钻孔直径下地表沉降变化如图5 所示，从图5 中可以看出，地表沉降最大值出现在孔壁边缘位置，随着与孔壁距离的增大，地表沉降量逐渐减小。在1000mm、1200mm、1400mm 及1600mm 钻孔直径下，最大地表沉降量分别为1.29mm、1.67mm、2.03mm 和2.47mm，说明钻孔直径越大，桩孔周围的地表沉降量越大。增大钻孔直径表示在钻孔时需要移除更多的土壤，导致桩孔周围土体的应力重分布，引起土体的位移和变形，进而导致地表沉降。在1200mm、1400mm 和1600mm 钻孔直径下的最大地表沉降量与1000mm 钻孔直径相比分别提升了29.45%、57.36%和91.47%。

图5 不同钻孔直径下地表沉降变化

3.3 钻孔深度的影响

图6 是不同钻孔深度下孔壁横向位移变化，观察图6可知，在12m、14m、16m 及18m 钻孔深度下，不同钻孔深度下孔壁横向位移的变化曲线基本重合，表明改变钻孔深度对孔壁横向位移变化无明显影响。冲击钻灌注桩孔壁的稳定性主要受到桩孔周围土体的支撑作用以及孔壁与土体之间的相互作用影响，钻孔深度的变化并没有引起明显的地层结构或土体性质的改变，因此，改变钻孔深度孔壁横向位移无显著变化。

图6 不同钻孔深度下孔壁横向位移变化

图7 所示是不同钻孔深度下地表沉降变化，从图中可以看出，钻孔深度在12～16m，地表沉降量随着钻孔深度的增大逐渐增大，在16m 和18m 钻孔深度下地表沉降量变化趋势及幅度基本相同，说明增大钻孔深度对地表沉降影响较小，钻孔深度增大至16m 后，地表沉降量无明显变化。地表沉降主要是由于桩孔周围土体的变形引起的，而这种变形主要受到桩孔周围土体的力学性质和受力状态的影响。在这种情况下，即使钻孔深度增大，但桩孔周围土体的性质和受力状态并没有发生显著变化，导致地表沉降量的变化趋势及幅度基本相同。

图7 不同钻孔深度下地表沉降变化

本研究依托普里河特大桥工程项目，对不同因素对冲击钻灌注桩孔壁稳定性的影响因素开展研究，得出以下结论：①孔壁横向位移在钻孔深度为0～3m 范围内变化较小，在3～9m 范围内变化较大，孔壁横向位移最大值出现在钻孔深度为5m 位置；
在桩孔附近地表沉降量较大，随着与桩孔距离的增大，地表沉降量逐渐减小。②增大泥浆重度及钻孔直径对孔壁横向位移及桩孔附近地表沉降均有显著影响，泥浆重度越大，孔壁横向位移最大值越小，最大地表沉降量越小；
增大钻孔直径，最大孔壁横向位移及地表沉降量均随之增大。③不同钻孔深度下最大孔壁横向位移变化趋势及幅度均基本相同，钻孔深度由12m 增大至16m，地表沉降量随之增大，但增大幅度较小，钻孔深度大于16m 后，改变钻孔深度对地表沉降无显著影响。

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