重庆交通大学，土木工程学院 重庆 400000；光明中心学校中学部 郴州 424400
摘要：旋控钻孔灌桩的特点是工作效率高、施工质量好、尘土、泥浆污染少，环境污染控制力度较好。工程实践证明旋挖钻应用于软土地基钻孔灌注桩施工中的技术措施具有良好的工程效果。本文主要是结合宁波沿海滩涂淤泥土嵌岩桩的施工实例，以及查找现有旋挖钻施工实例，运用ANSYS有限元软件进行数值模拟，通过分析土体的径向位移，以合理确定旋挖钻的泥浆性能指标，钻进速度，在不同土层钻具的适用情况，提高成孔质量，优化施工工艺，节约工程成本
关键词：旋挖钻孔灌注桩；旋挖钻孔技术；桩孔土体稳定；数值模拟
1引 言
旋挖钻孔灌注桩[1]（本文简称旋挖桩）于第二次世界大战之后在欧洲产生，在上世纪70 年代以后在日本高速发展，于上世纪末传入我国并推广应用。旋挖灌注桩优势明显，它的机械化程度高，需要的人力减少，可以减少人工费投入，桩长与桩径可以满足设计的多样化需求，施工速度快且保证了较高的成孔效率和质量。但同时，旋挖桩施工对于机械、和人员技术要求较高[2]，受泥浆护壁质量受材料、操作和施工工艺的影响显著。在我国公路工程建设的过程中，旋挖钻孔灌注桩施工技术的应用也越来越广，但是这种技术具有难预测性和隐蔽性[3]，所以相应的桩质量控制比较难，具体施工方法也比较复杂。如果某个环节出现问题，就会影响到整个工程的质量，进而造成较大的经济损失。旋挖钻机比较适合于弱风化泥质岩层、亚砂土层、亚黏土层、素填土层等土层，但旋挖钻机在软弱淤泥质黏土成孔，容易出现塌孔、缩径等问题，本文结合宁波市地铁4号线上跨杭深、萧甬铁路工程，对轻轨桩使用旋挖灌注法，通过ANSYS数值模拟钻孔过程中，土体的径向位移，来判断各层土体的塌缩孔情况，通过改变旋挖钻进速度、钻头、护壁泥浆参数等优化施工，节约施工成本。
2 旋挖钻孔灌注桩施工工艺特点
2.1 旋挖钻孔灌注桩施工的成孔率比较高[4]，适合使用的范围比较广。因为旋挖钻机的整体操作需要使用负荷传感、液压先导控制，具有操作舒适和轻便的特点，设备自带孔的垂直度自动检测和垂直度调节功能，也附带孔深数码显示，这样就显著提升了施工整体的自动化程度。60至90m 的最大孔深以及1.5至4.0m[5]的成孔直径能够满足当前大多数的桩基施工的实际要求。
2.2 施工过程具有对环境友好的特征。在旋挖钻机施工过程中，会出现大量的泥浆和泥渣，这些泥浆可以用作孔护壁[6]，避免了泥浆排放出现环境污染的问题，符合绿色文明施工要求。
2.3 地层适应能力比较强，旋挖钻机可以应用于砂性土、黏土和淤泥质黏土层，实际的应用范围更加广泛，所以在不同强度的胶结砂岩层[7]也有着比较好的应用效果。
3 旋挖成孔施工场地及土层简介
地铁4号线是宁波市轨道交通第二轮建设规划中的重要项目之一。中铁四局集团有限公司承建的宁波地铁4号线上跨杭深、萧甬铁路工程位于宁波市江北区慈城镇，施工里程SK0+000SK1+493.751，线路长度1510.432m，根据管段内地质资料及相关断面图纸可知：桩基的主要地质情况为分布在杂填土、素填土、黏土、淤泥、淤泥质粘土、淤泥质粉质黏土、泥炭质土、淤泥质黏土、淤泥质粉质黏土
4 旋挖钻孔灌注桩桩孔模型建立
4.1经过分析，建立三维轴对称模型，为了使单元数目较少，提高计算速度和精度取四分之一对称模型。地层为服从 Mohr-Coulomb 破坏准则[8]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[9]如图 1 所示，其中 L 为孔深，D为孔半径，A为泥浆的静水压力。
.png)
图1 典型计算分析模型的边界条件
4.2模型的主要尺寸有，桩半径1m，考虑桩周土的水平向影响范围为10m，桩孔长50m，竖向方向考虑30m影响范围。使用ansys中的表面效应单元surf154，加载径向的护壁泥浆压力[10]，其中泥浆的相对密度为1.1，以施加土体自重应力。
5 模型计算结果分析
5.1从模型计算结果上可看出，孔口出现明显缩径有土体坍塌的风险，地面有凹陷现象。孔口开挖时除了要放慢钻速，还需在孔口设置钢护筒，同时可以看到孔底部出现扩径和桩底部出现沉陷如图3。
.png)
图3 四分之一模型的变形图
5.2从图表4中可以分析得到桩的孔径变化值从负值到正值，也就是从孔口到10m左右位置处，孔径在缩小，土体向孔口处做径向位移，有塌孔的风险，随着桩孔深度的增加，孔径在扩大，底部扩径明显，所以要调节护壁泥浆的密度，减小对孔壁的压力。
.png)
图6，桩孔径向位移图表
6 总结
孔壁变形是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。因此，控制孔壁变形维护孔壁稳定是旋挖钻施工的关键工艺。影响孔壁稳定性的因素多 种多样，本文借助ANSYS模拟了旋挖湿法施工中不同泥浆密度、同孔径条件下的孔壁的变形情况，为本地区提出旋挖钻在复杂软土加岩体地层中的适用性技术参数，提出保证成孔质量的各个工法的技术参数做准备，以保证旋挖钻的泥浆性能指标及钻进参数的合理确定。
参考文献：（References）：
[1]凌旭辉.软土地基大直径钻孔灌注桩旋挖成孔的施工控制[J].建筑施工，2013：51~56
[2]周红军.旋挖钻进技术适用性的初步研[J].探矿工程，2009：112~116
[3]李之达，李耘宇，胡晓敏.厚冲积覆盖层岩溶区桥梁桩钻孔灌注桩优化设计.湘潭大学自然科学学报，2005
[4]杨克己，韩理安.桩基工程.人民交通出版社，1992，
[5]薛伟.旋挖钻孔灌注桩的施工工艺技术[J].福建建设科技，2000，15（3）：5~6
[6]DBJ50-156-2012，旋挖成孔灌注桩工程技术规范[S]
[7]GY204- 1996 泥浆护壁回转钻孔灌注桩施工工艺标准
[8]周红军我国旋挖钻进技术及设备的应用与发展[J].探矿工程，2003，（2）：18- 21.
[9]韩金亭大口径旋挖钻机在桩基施工中的技术优势[J].西部探矿工程，2002，（3）：15-17.
[10]张旭峰． 灌注桩后压浆施工中应注意的事［J].山西建筑，2012，32（4）：127 － 128