扩孔灌注桩施工技术的数值模拟研究

时间：2024-07-28

董力

(中铁十六局集团北京轨道交通工程建设有限公司,北京101100)

盖挖逆作深基坑工程，中间支撑桩柱既要作为施工阶段的临时支撑，又要作为地下工程的永久承载结构，其施工质量、安全性能、施工功效直接影响工程的整体施工质量。于家堡交通枢纽工程桩采用桩端、桩底扩孔的灌注桩，共391根，有效桩长约33～44m。相比传统常规等径钻孔灌注桩施工而言，扩孔灌注桩具有节约桩长、场地限制小、环境适应性强、施工速度快，操作简便等众多优点，但是由于现有扩孔灌注桩施工技术并不成熟，施工过程存在扩孔效果不理想、扩孔质量检测难等问题，需要进一步得到解决[1-4]。

1 工程概况

于家堡站交通枢纽位于天津市滨海新区中心商务区北端，是集京津城际延伸线、城市轨道交通、商业空间、公交、出租于一体的大型综合全地下交通枢纽。工程三面环海河，地下水丰富，潜水位高(0.8～1.5m)。工程建筑面积24×104m2，基坑最深处达17.5m。主体结构为地下两层多跨式框架结构，盖挖逆作法施工。中间支撑桩柱采用φ1 000mm钢管混凝土永久柱，柱下部直径为2 200mm钻孔灌注桩，单桩桩端、桩底各有一个φ3 200mm扩孔，有效桩长为31～40m，共391根。根据工程地质情况，桩基施工范围主要是淤泥质黏土、黏土、粉砂、细砂层，土层具有截然不同力学性能，进行扩孔施工的效率也不尽相同。而常规扩孔钻机其功率、转速等机械性往往具有一定的限制性，不能同时满足不同的地质条件。

2 三维数值模型

采用ANSYS软件对不同斗齿角度进行钻进不同地层的阻力进行三维数值模拟。土体按圆柱体计取，土体水平向边界按钻头的四倍计算，纵向土深取15m，通过在地面施加均布面荷载模拟不同土层的深度，如图1(a)。其中，利用机具和土体的对称性，取四分之一建模(图1(b))，土体和钻头采用面面接触，具体有限元模型如图1(c)所示。各模型单元的选择如表1所示。

(a)整体有限元模型

(b)四分之一有限元模型

(c)钻头有限元模型图1 有限元模型

材料土体钻具接触面元接触目标元单元Plane42Solid45Contac173Targe170

3 模拟结果分析

(1)保持铲斗角度(伸展长度)不变的情况下，模拟上覆土层的影响，可得到土体屈服时，所施加的扭矩值，其关系趋势如图2所示。随着土层深度的增加，所需扭矩也不断增加，但扭矩增量逐渐变缓，特别是土层深度大于3m后，随着土层深度的增加，扭矩增加不再明显。当采用铲斗角度固定的钻孔机具时，随着入土深度的增加，机具耗能逐渐增加，工作效率不断降低。

(2)保持土面上加载的均布荷载不变，将铲斗角度分别调节为0°、15°、30°、45°及60°，可得到铲斗角度变化与土体屈服应力关系如图3所示。

图2 土层深度与扭矩关系

图3 淤泥质黏土中铲斗角度与扭矩关系

(3)选取不同性质的土，不断调节其铲斗的角度，可以得到适应不同土层中的最优铲斗角度，如表2所示。从表中可以看出，在淤泥质黏土层中，铲斗打开45°时，所需提供的扭矩最小，而打开15°时，需要扭矩最大。在黏土层中，铲斗打开15°的时候，所需扭矩最小。铲斗打开60°的时候，所需扭矩最大。在粉砂土层中最有效的打开角度是15°，所需扭矩最大的是30°。在细砂土层中最有效的打开角度也是15度，所需扭矩最大的是60°。在实际作业时，需跟据实际的情况选择合理的开打角度，提高机具的效能。

表2 不同铲斗打开角度时的扭矩 kN·m

(4)对扩孔钻机斗齿进行优化设计，变固定式为可调节角度式斗齿，在淤泥质黏土等地基，土层软弱，钻机阻力较小，斗齿角度宜控制在45°～60°，而粉砂、细砂等地基，土质坚硬致密，钻机阻力较大，斗齿角度宜控制在15°～30°。通过现场实际应用反馈，扩孔实际工效提升明显，单孔淤泥质土层扩孔施工时间缩短近0.2h，而致密砂层地层扩孔施工时间缩短近0.5h，显著提高施工功效。