钻孔桩成孔时泥浆护壁的力学原理分析

　　钻孔桩成孔时泥浆护壁的力学原理分析_建筑/土木_工程科技_专业资料。２０１】年３月 内蒙占大学学报（自然科学版） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｉｎｎｅｒ 第４ ２卷第２期 Ｍｏｎｇｏｌｉａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ）

　　２０１】年３月 内蒙占大学学报（自然科学版） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｉｎｎｅｒ 第４ ２卷第２期 Ｍｏｎｇｏｌｉａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ） Ｍａｌ－． Ｖ０１．４２ ２０１１ Ｎｏ．２ 文章编号：１０００—１６３８（２０１ １）０２－０１８５—０５ 钻孑Ｌ桩成孔时泥浆护壁的力学原理分析。 刘润星 （内蒙古大学交通学院，呼和浩特０１００２１） 摘要：利用弹性力学、土力学和材料力学等理论，对在软弱土覆盖层厚的地基上设计和建造桥 梁钻孑Ｌ桩基础时，对成孔过程中的护壁、塌孔等问题进行受力分析，以便于指导钻孔桩的设计、 施工和预防塌孑Ｌ事故． 关键词：钻孔桩；泥浆护壁；力学原理 中图分类号：０３４３；Ｕ４４３．１５＋４ 文献标志码：Ａ 引 言 钻孔桩是指在建筑工程现场通过机械钻孔、钢管挤土或人力挖掘等手段在地基土中形成桩孔，并 在其内放置钢筋笼、灌注混凝土而成的桩基础．随着科学技术的日新月异发展，钻孔桩在桥梁工程、高 层建筑物和重型构筑物中被广泛应用．同时．钻孔桩基础施工具有低噪音、小震动、无挤土，对周围环 境及临近建筑物影响小，能穿越各种复杂地层和形成较大单桩承载力，适应各种地质条件和不同规模 建筑物等特点． 近年来，在我国钻孔桩设计及施工水平得到了长足的发展，特别是在桥梁工程建设中得到了更广 泛的应用，而且在一些特殊地质地基地区，超长钻孔灌注桩“３、以及超大直径钻孔灌注桩ｑ３等技术也 日臻完善． １ １．１ 无泥浆护壁时桩孔孔边的应力分析 开孔前的土体应力 开挖前，土在地心引力作用下，可以看作为均匀受压．压力的大小有许多的近似表达式，根据地球 物理学的基本观点和地球重力场的特点，可以导出均质土压力的表达式．按照土力学理论卵Ｊ’，任意 深度ｚ处的竖向应力 ÷一１ 仉＝∑乃△ｚｊ＋ｘ（ｚ—ｚ卜１）， ，暑１ （ｉ＝１，２，……，，ｚ） （１） 式中，ｎ一地基中的土层数；ｂ一第』层土的容重，地下水以上用天然容重，地下水以下用浮容重；ＡｚＪ 一第歹层土的厚度． 当进入岩层后，土体作为固体结构，因岩体可以部分地承受其上土压力，而使得其下土所受竖向 压力随深度的变化得到缓解，渐渐地趋近稳定．于是，竖向压力不再随深度变化． 根据对称性和广义Ｈｏｏｋｅ定律。３得到水平方向的应力分布为： ｃｒＰ一％２ｑｏ＆）－向ｔ瑚０ｃｒ” ?收稿日期：２０１０－０９—２７ 基金项目：内蒙古高等学校科研项目（批准号：ＮＪｚｙ０８００７）资助 ‰５向 （２） 作者简介：刘润星（１９６０一），男，陕西靖边人，副教授．硕士．从事土木工程教学与科研工作． 万方数据 内蒙古大学学报（自然科学版） 由此可见，当土的泊松（Ｐｏｉｓｓｏｎ）比¨很小，也就是横向效应忽略不计时，水平方向的应力很小或 几乎为零；当土的泊松（Ｐｏｉｓｓｏｎ）比ＩＩ比较大，水平方向的应力变得也比较大，即地层中土的水平方向 的应力依赖于其物理力学性能与竖向压力．其中忌。称为侧压力系数，它和土的泊松（Ｐｏｉｓｓｏｎ）比¨与土 的种类、密度有关，可以由实验确定． １．２开孔后的土体应力 为了分析钻孔桩的孔边受力状态，将大地土体近似为无限大弹性体（至少卸载是按弹性的），根据 弹性力学理论“。６’，土体中开孔的问题可以看作是轴对称问题．轴对称问题按极坐标求解应力时，可得 出轴对称问题的应力函数通解和应力分量为： ．壬（ＩＤ）＝Ａｌｎ（ｐ）＋ＢＩＤ２ｌｎ（ｐ）＋Ｃｐ２＋Ｄ Ａ ＾ （３） 咋＝三＋Ｂ（１＋２１ｎｐ）＋２Ｃ， Ｐ ％一一兮＋Ｂ（３＋２１ｒｉｐ）＋２Ｃ， Ｐ 轴＝％＝０ （４） 式中，Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ是待定常数，根据应力边界条件确定． １）开孔后，由于土中应力的释放，使原有的平衡遭到破坏，土体中的孔边应力将发生很大的变 化．设桩孔直径为２，．，如图１所示．则相应的边界条件为： 咋ｌＰＩ詹?∞２仍２ｒ兰７， 郎ｆｒｒ ２９ｔ ２０ 图１桩孔孔边应力分布 Ｆｉｇ．１ Ｓｔｒｅｓｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ ｏｆ ｐｉｌｅ ｂｏｒｅｈｏｌｅ ｒｉｍｓ 由土力学原理Ｈ’９３和弹性力学∞’的拉梅解答，可得出地基土层中的水平应力分布为： 咋＝向。［，一（詈）２］，％一向：［，＋（羽，ｃｒ≤．ｏ≤Ｒ， 可见，桩孔孔边（Ｐ＝，．）环向应力较开挖前增加一倍，即 ㈣ ％＝＃坐１。＝２ｑｏ（ｚ）＝２ｈｏ以 １一卢 ２）依据材料力学。３中应力状态理论的第三强度理论可知，在桩孔周边，环向与径向成４５。方向、 轴向与径向成４５。方向、轴向与环向成４５。方向的最大剪切应力分别为： ｈ…１１ Ｉ咋一％Ｉ—ｌ一向：１．爵； （６） ｈ一扎～Ｉ一卜引＝考 ｒｑ…ｔ＝专ｌ以一％ｌ一丢ｆ兰参以 可见在桩孔周边构成了相应的剪切面，它们是造成塌孔的主要原因． ２ 有泥浆护壁时桩孔孔边的应力分析 为了避免塌孔，使孔内保持一定径向压力以控制最大剪切应力，钻孔过程中经常采取泥浆护壁． 这是由于孔内泥浆的静水压力与其深度和泥浆的比重相关，是可以人为控制的，即泥浆对孔壁形成的 径向压应力是可以控制的．在采取泥浆护壁钻进中，桩孔随深度变化的土压力ｑ。（ｚ）和随深度而变化 万方数据 第２期 刘润星 钻孔桩成孔时泥浆护壁的力学原理分析 １８７ ：三：：三Ｅ：；喜；：ｊ二：喜；：：：三’｝， ％＝口。ｃｚ，［，＋（吾）２］一（詈）２ｑ，ｃｚ，Ｊ ： １ １ ， ｃｒ≤．Ｄ≤Ｒ， 一‘一 ｃ７， ｉ ｂ…＝专ｋ一％ｌ一虿１ ｋ）＋锌㈦ｌ Ｊ ３塌孔的机理研究 万方数据 １８８ 内蒙古大学学报（自然科学版） ［ｒ，］＝ｆ＋ａｔａｎ＃ 式中，ｃ一土的粘聚力，无粘性沙土，ｃ＝Ｏ；盯一破坏面上的法向压应力；壬一土的内摩擦角． （１０） 由卜述分析可知，对于桩孔的孔壁上任意一点的应力，是由随深度变化的土压力ｑ。（ｚ）和深度而 变化的泥浆压力ｑ。（ｚ）共同作用组成．根据应力状态理论分析可知，在环向与径向成４５。方向、轴向与 径向成４５。方向和轴向与环向成４５。方向的三个最大剪应力作用面上的法向正应力分别为： １ １ １ 印ｒ＝专（咋＋％）， 数毋。＝０．３６． 印；＝寺（咋＋ｃｒｚ）， 口，，＝寺（ｃｒｌ＋唧） （１１） 例如，某桩孔中的泥浆保持地下水位高度，在细粉砂层底部的以＝１４３．２７ｋＰａ，孔边取侧压力系 则有泥浆护壁时，由式（５）算得另两个正应力为：绵＝６１。７９ｋＰａ，％－－－－４１．３７ｋＰａ． 若无泥浆护壁时，由式（７）算得另两个正应力为：ｃｒＰ＝０，％＝１０３．１５ｋＰａ． 由式（６）、（９）、（１０）和（１１）求出此时在桩孔孔边环向与半径成４５。方向、轴向与半径成４５。方向、 轴向与环向成４５。方向的三个剪切面上的最大剪切应力ｒ～及其作用面上正应力仃和破坏强度［ｒ，］如 表１． 袭ｌ桩孔边缘的应力及破坏强度计算结果 Ｔａｂｌｅ １ Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｃｏｌｌａｐｓｉｎｇ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｐｉｌｅ ｂｏｒｅｈｏｌｅ ｒｉｍｓ 由表１可知，有泥浆护壁钻进时，在三个最大剪切应力的作用面上，均有ｆ一≤［ｒ，］，表明土体不 会发生破坏． 同样，由表１可知，而在没有泥浆护壁钻进时，则有： 环向与半径成４５。方向的剪切面上：ｒ一＝５１．５８ｋＰａ≥［ｒ，］－－－－４５．４８ｋＰａ 轴向与半径成４５。方向的剪切面上：ｒ一＝７１．６４ｋＰａ≥Ｅｒｙ］＝６０．０５ｋＰａ． 可见，如果没有泥浆护壁钻进，细粉砂层底部土体易发生剪切破坏，可能会导致塌孔． ４ 结束语 （１）无泥浆护壁时，由于钻孔破坏了土体原有的受力平衡，桩孔边的应力分布发生了很大的变化． 分析可知，在桩孔的孔边构成了相应的剪切面，这些剪切面上的最大剪应力是造成塌孔的主要原因． （２）有泥浆护壁时，泥浆的静水压力总体上缓解了桩孔边相应的剪切面上的最大剪切应力，能有 效减少钻孔过程中的塌孔现象． （３）另外，有泥浆护壁时，使得桩孔边的土体抗剪强度，随着作用在剪切面上的正应力的增加而得 到了增加，提高了土体抵抗剪切破坏的能力． 随着社会经济发展的需要，钻孔桩的桩长和桩径不断加大，单桩承载力越来越高，设计和施工质 量要求越来越严格．特别是钻孔桩发生质量事故后处理难度大，处理费用高．因此，有必要对钻孔桩及 其桩孔受力加以分析，以便尽可能的预防质量事故的发生． 万方数据 第２期 则澜星钻孔桩成孔时泥浆护壁的力学原理分析 １８９ 参考文献： Ｉ＝『 ］ 邓友生，龚维民，袁爱民，等．超长大直径钻孑Ｌ灌注桩群桩效应系数研究ｒＪ］．重庆建筑大学学报，２００７?２９（６）：８４＿ ８７． 瞳］ 吴鹏，龚维明，任维新，等．钻孑Ｌ灌注桩护壁泥浆对桩基承载性能的影响ＥＪ］．岩土工程学报，２００８，３０（９）：１３２８－ １３３２． 李扬．泥浆护壁钻孔灌注桩桩底压浆技术研究［Ｊ］．西部探矿工程，２００３，８０（１）：１９—２０． 赵志蒙．包树黄河大桥超长钻孔灌注桩承载性能研究［Ｊ］．公路．２００９，５６（８）：２２２—２２６． Ｔｉｍｏｓｈｅｎｋｏ Ｓ Ｐ，Ｇｏｏｄｉｅｒ Ｊ Ｎ．Ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ Ｅｌａｓｔｉｃｉｔｙ（Ｔｈｉｒｄ Ｅｄｉｔｉｏｎ）ｌ－Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００４． 徐芝纶．弹性力学简明教程［Ｍ］．北京：高等教育出版社，２００２． Ｓｏｉｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ Ｗｏｒｋ Ｔｅａｍ Ａｔ Ｈｏｈａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ．Ｓｏｉｌ ＭｅｃｈａｎｉｃｓＥＭ］．北京：人民交通出版社．２００４． 单辉祖．材料力学［Ｍ］．北京：高等教育出版社。２００４． Ｄ一∞∞口∞凹 ］ ］ ］ 陈希哲．土力学地基基础（第四版）［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００４． （责任编委 柴金义） Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ Ｓｌｕｒｒｙ Ｄａｄｏ ｗｈｉｌｅ Ｂｏｒｅｄ Ｐｉｌｅｓ Ｂｅｉｎｇ Ｆｏｒｍｅｄ ＬＩＵ Ｒｕｎ—ｘｉｎｇ （Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ，ＩｎｎｅｒＭｏｎｇｏｌｉａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈｏｈｈｏｔ ａｓ ０１００２１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｕｓｉｎｇ ｔｈｅｏｒｉｅｓ ｓｕｃｈ ｅｌａｓｔｉｃ ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，ｓｏｉｌ ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ ｍａｔｅｒｉａｌ ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，ａ ｍｅ— ａｒｅ ｃｈａｎｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｉｓ ｇｉｖｅｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄａｄｏ ａｎｄ ｂｒｅａｋｄｏｗｎ ｗｈｉｌｅ ｂｏｒｅｄ ｐｉｌｅｓ ａｎｄ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｓ ｒｅｓｕｌｔｓ ｃａｎ ｏｎ ｆｏｒｍｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ｔｈｅ ｇｒｏｕｎｄｓ ｃｏｖｅｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｔｈｉｃｋ ｌａｙｅｒｓ ｏｆ ｓｏｆｔ ｓｏｉｌｓ．Ｔｈｅ ｇｕｉｄｅ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ，ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｂｏｒｅｄ ｐｉｌｅｓ ａｎｄ ｐｒｅｖｅｎｔ ｈｏｌｅ ｃｏｌｌａｐｓｅ ａｃｃｉｄｅｎｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｂｏｒｅｄ ｐｉｌｅ；ｓｌｕｒｒｙ ｄａｄｏ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ 万方数据