旋挖钻孔的孔壁变形数值模拟研究
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摘要：在旋挖工艺中，孔壁变形甚至失稳坍塌是施工中的常见事故。结合深圳地区大冲旧改和沙井旧改两个项目的桩基础工程对旋挖湿法成孔(桩)中的孔壁稳定性影响因素进行分析，采用有限元软件PLAXIS对不同泥浆密度、不同孔径等工况条件下的孔壁变形进行数值模拟研究。通过土体变形的分析，可以制定出本项目中为保证孔壁稳定的具体措施，也为类似工程提供有益的参考。
关键词：旋挖钻 孔壁变形PLAXIS 泥浆密度孔径
中图分类号：C35文献标识码： A
Abastract：The bore wall deformation or even collapse is the common accident during the process of rotary drilling. Base on the Dachong and Shajing project in Shenzhen, the factors which caused the instablity of bore wall is analyzed. The authors simulate the bore wall deformation with different mud density and different hole size by using the finite element software PLAXIS. The results can be benefical to develop mesesures to ensure the stability of bore wall in this project in Shenzhen as well as in other places.
Key words: rotary drilling; bore wall deformation; PLAXIS; mud density;hole size
1.引言
旋挖钻机成孔首先是通过底部带有活门的桶式钻头回转破碎岩土，并直接将其装入钻斗内，然后再由钻机提升装置和伸缩钻杆将钻斗提出孔外卸土，这样循环往复，不断地取土卸土，直至钻至设计深度。对粘结性好的岩土层，可以用短螺旋钻头采用干式或清水钻进工艺，无需泥浆护壁。而对于松散易坍塌地层，或有地下水分布，孔壁不稳定，必须采用回转钻头，向孔内投入护壁泥浆或稳定液进行护壁[1~3]。
和其他成孔钻机相比，旋挖钻机具有以下诸多优点：机电液高度集成，操作便利；输出扭矩大且轴向加压力大，底层适应范围广；机动灵活、施工效率高[4~5]。旋挖钻孔灌注桩虽经过多年发展，但其理论研究远远落后于实践，施工大多借鉴类似工程经验。孔壁变形时旋挖钻施工中常见的问题，可能引起局部缩径、卡钻、埋钻、斜孔、漏浆等，严重的可能导致孔壁坍塌[6~7]。因此，随着旋挖钻工法越来越广泛的应用，对旋挖桩的成孔质量与孔壁变形开展研究具有重要的意义。
2.工程概况
2.1场地位置
拟建的大冲旧改项目一期工程属于旧城旧改项目，拆除大冲村原有建筑物后重新规划建设,位于深圳市南山区铜鼓路以东，沙河西路以西，深南大道以北。图1为大冲旧改项目效果图。
图1 大冲旧改项目工程效果图
铜鼓路以东02-08地块场地近似于长方形，占地面积46459m2，场地东侧为拟建的公共绿地及大冲三路，隔路为拟建住宅用地；西侧为大冲二路及拟建住宅用地；南侧为拟建科发路及拟建商务公寓；北侧为大冲二道及拟建学校。
本工程结构安全等级为一级，地基基础设计等级为甲级。建筑物重要性等级为一级，场地的复杂程度为一级场地，地基的复杂程度为一级地基，岩土勘察等级为甲级。
2.2 地形地貌
场地原始地貌主要为台地、冲积阶地，原址为大冲村村民住宅及工业厂房，现场地上的建筑物绝大部分已拆除，场地浅表部堆填有大量的建筑垃圾，已经过简单的人工堆填整平，地势相对起伏较大，西北高南东低。勘察期间钻探点地面标高一般介于4.99~12.74m，相对最大高差为7.75m。
2.3 水文条件
深圳市的河流分别属于南、西、北三个水系。以海岸山脉和羊台山为主要分水岭，南部诸河注入深圳湾、大鹏湾、大亚湾，称为海湾水系；西部诸河注入珠江口伶仃洋，称珠江口水系；北部诸河汇入东江或东江的一、二级支流，称为东江水系，各河流平时水量较小，雨季会有间歇性洪水。本场地位于大沙河西侧，场地内无永久性地表水。大沙河属海湾水系。
2.4 地层岩性
根据现场勘察及室内土工试验结果，场地内分布的地层主要有第四系人工填土层（Qml）、第四系全新统冲洪积层（Q4al+pl）、第四系全新统坡洪积层（Q4dl+pl）、第四系上更新统冲洪积层（Q3al+pl）、第四系残积层（Qel），场地下伏基岩为燕山期地层（γ）粗粒花岗岩。各地层的力学参数值见表1。
地层名称及
表1 场地内主要岩土层力学参数建议值
3.有限元分析
PLAXIS作为工程领域著名的有限元软件诞生于1987年的荷兰，经过30多年的历史，已经发展成为能够高效解决岩土工程中的稳定性、变形及动力分析、地下水渗流等问题的大型通用有限元分析软件[8]。它计算功能强大，运算稳定，提供了相当丰富的本构模型数据库，界面友好，目前已广泛应用于各类地基基础工程、矿山隧道开挖工程和填海工程等。
3.1模型的建立
经过分析，建立二维轴对称模型，地层为服从Mohr-Coulomb破坏准则的理想弹塑性土体。旋挖钻进会对周边土体产生影响，在确定模型边界条件时，水平方向要大于孔半径的10倍，竖直方向要大于孔深的一半。典型的模型如图2所示，其中L为孔深，D 为孔半径，A为泥浆的静水压力。
图2典型计算分析模型的边界条件
成孔施工过程中土体变形属于侧向卸荷变形，土体模量为：
（1）
式中：为地层变形模量；为应力路径影响系数，黏性土为100，砂土为160；为竖向有效应力()，静止侧压力系数。
3.2 土体计算参数的确定
由于以中微风化花岗岩作为桩端持力层，所以02-08地块的桩长为25~35m，孔直径为1.5~2.5m，桩身混凝土强度等级为C40。
施工过程为逐根桩成孔，所以以单桩为模型。选用有代表性的ZK01孔为模型。01号孔的地层分布及层厚见图3。
1号孔深28m，入中风化岩5m。孔直径为2m。上部第四系人工填土层（Qml）、第四系残积层（Qel）共6.2米在基坑开挖中挖去了。为方便模拟，全风化粗粒花岗岩选为8米，强风化花岗岩选为8米。各地层的参数见表1。根据图2对模型边界条件的要求，所以模型的水平方向长为15m，竖直方向为45m。出于孔壁稳定性的考虑，泥浆的密度越大，稳定性越好。但如果泥浆密度过大会明显影响开挖速度。在大冲旧改项目中，根据地层特点，泥浆的相对密度为1.05~1.15之间，这个范围的泥浆既能维持孔壁稳定，又不会影响开挖。在有限元分析模拟中，泥浆的作用以泥浆的静水压力来实现。
图3 1号孔剖面图