人工挖孔桩护壁受力机理及设计方法探讨

付 馨 胡威东

1 概述

人工挖孔桩历史悠久。20世纪初，美国便采用边人工挖土边以木板或圆形钢环支护(Chicago Method)或用套筒式金属壳支护(GOW Method)的方式成孔制作承载桩(墩)［1］。我国铁路部门最早约在20世纪50年代开始用人工挖孔桩作为治理滑坡的抗滑桩［2］。20世纪80年代到20世纪末，我国曾大规模采用人工挖孔桩造就了一大批高层建筑［1］。然而，由于对人工挖孔桩研究不足，尤其是对人工挖孔桩护壁受力机理、适应地层等方面的研究不足，导致因人工挖孔桩施工事故频发，最终不得不从政策层面上限制人工挖孔桩的使用［3］。

实际上，古代人们就有地面开挖饮用水井时，边挖边用砖砌一护圈以抵挡侧向土压，直至井底。从工艺顺序及受力机理而言，这与人工挖孔灌注桩别无两样，其差别仅是选用的施工机具(鼓风机、水泵、起重锁具等)及材料(混凝土护壁、钢护壁等)的不同［2］。因此，人工挖孔桩护壁可以理解为竖井井壁的圆筒型结构。

2 竖井井壁的受力机理［4］

目前，对于竖井井壁承受侧压力有两种比较主流的理论，即平面挡土墙主动土压力公式(矿山井巷工程中常称“普氏公式”)和前苏联别列赞采夫的筒形地坑壁主动土压力空间问题解析解(本文简称“别氏公式”)。从本质上讲，普氏公式和别氏公式一样，都是认为松散体(土体)极限平衡状态在某一微面积上的条件是土体受剪切应力的绝对值，等于其本身的粘结力加上外荷载重和自重造成的摩擦力。即常见的公式:

其中，|τ|为剪切应力的绝对值;σ为外荷载重和自重造成的作用于滑动面上的压应力;c为土体的内聚力;φ为土体的内摩擦角。

当|τ|＞c+σtanφ时，平衡即破坏，对于整个土体来说将产生滑动面。根据计算，对于构筑物产生最大主动土压力的滑动面，其角度为45°。

普氏公式和别氏公式的不同是:别氏公式将井壁周围的这种滑动体看作是一个环状的空心圆锥体;而普氏公式则是将这种滑动体看作是一个直的棱柱体，将井壁看作是平面状态墙面。

普氏公式应用挡土墙理论，计算出土层的主动土压力为:

其中，PPh为普氏公式土层主动土压力;γ为土的重度;H为计算点距离;φ为土体的内摩擦角。

别氏公式解出作用于圆柱体上的主动土压力为:

其中，PBh为别氏公式土层主动土压力;R0为竖井掘进半径; Rb为在深度为H时，滑动线与地面交点的横坐标值，Rb=R0+ H tan(45°-);λ为公式推演过程中的一个简化系数，λ=2tanφ· tan(45°-)。其余参数与普氏公式中的参数相同。

比较式(2)和式(3)可以看出，别氏公式从空间上考虑了空心圆柱体的受力问题，考虑了土体向竖井中心作位移时其本身的相互挤压力使主动土压力减小的有利作用，并且根据公式还能考虑竖井断面的大小对主动土压力的影响。因此，从上述几个方面来讲，别氏公式所揭示的主动土压力现象比普氏公式更接近于实际。

然而，别氏公式按照式(3)计算当H→∞，PBh→定值，得到土压力在某一深度以后，趋于一个定值，可以认为与深度无关。这一结论尚未被工程实测所证实［5］。但是，别氏公式仍有其实用价值。因为，分析别氏公式可以知道，对于埋深不大的竖井，掘进半径与掘进深度之间存在临界点。为了更清楚地反映掘进半径与掘进深度之间的关系，假定地质条件一定(即土体的容重γ一定，内摩擦角φ一定，粘聚力c一定)的情况下，并假定竖井周边无超载(即q为0)，绘出别氏公式主动土压力PBh与竖井掘进半径R0及掘进深度H之间的关系图，如图1所示。

从图1可以看出，对于表层土体中，当竖井掘进半径一定的时候，竖井井壁承受的主动土压力随着挖深的增加而增加;当开挖深度与开挖半径的比例达到某一个临界点时，竖井井壁承受的主动土压力将趋于某一个恒定值，这个规律符合我们的感性认识，而普氏公式是无法考虑的。鉴于上述规律，别氏公式较普氏公式更接近于实际，能够用来计算表土层圆形竖井的主动土压力。

3 人工挖孔桩护壁水平荷载

人工挖孔桩桩基混凝土浇捣前，作用在护壁上的主要是护壁后的土对护壁产生的侧向压力。根据护壁的位移情况，和墙后土体所处的应力状态，该土压力可以采用式(3)计算［6］。

鉴于别氏公式的结构形式较普氏公式复杂，为便于别氏公式的应用，可根据土体内摩擦角所在的区间编制参数表(见表1)。若φ值介于两值之间，可采用线性插值的方法求得。

4 人工挖孔桩护壁结构内力计算

图2为受径向均布荷载作用下的圆形护壁。

1)当护壁厚度t≤R/10时(R为圆形护壁半径)，可认为是薄壁圆筒，在图2a)压力作用下，按材料力学理论，其环向应力为［8］:

其中，σ为环向应力(压应力为负);PBh为采用别氏公式计算的主动土压力。

表1 别氏公式计算参数表

2)当护壁厚度t＞R/10时，可认为是厚壁圆筒，在图2b)压力作用下，按弹性力学理论，其环向应力为［9］:

按式(4)，式(5)求出护壁内力后，即可根据不同材料合理地设计护壁结构。

3)以上分析均为圆形护壁处于均值地层情况，此时，护壁在均布力作用下仅产生环向应力，为轴心受压构件，因此，护壁可根据地层情况选用抗压性能较好材料，宜采用抗弯性能较好的钢筋混凝土护壁或钢护筒。

5 人工挖孔桩护壁强度验算

考虑到人工挖孔桩护壁多为临时结构，护壁可仅进行强度验算。按照别氏公式计算主动土压力后，采用式(4)或式(5)求出护壁内力，然后可根据不同材料合理设计护壁结构。当为圆形护壁(轴压)时，护壁强度可按下式进行核算［10］:Kσ≤f。其中，K为安全系数，视不同情况可取1.5～2.0。护壁直径大、土质条件差时取大值，反之取小值;f为轴力抗压强度设计值。对于混凝土护壁取素混凝土的轴心抗压强度设计值;对于砖石砌体取施工质量控制等级为B级时的抗压强度设计值(应考虑截面面积及用水泥砂浆砌筑时的调整系数)。

6 人工挖孔桩护壁设计实例

昆明轨道交通6号线一期工程在沾昆铁路里程K2593+380处沿直线下穿该铁路。为实现安全下穿，设计采用D16型军便梁架空铁路股道后空顶预制框架涵的方式施工区间隧道主体结构。

根据地层分布情况，人工挖孔桩设计桩长为10.5 m，直径为2.0 m，护壁厚度拟定为0.25 m，其上下截面不变。护壁采用混凝土强度等级为C25。设计中人工挖孔桩深入基岩0.5 m。对人工挖孔桩强度进行验算。

1)护壁侧压力计算。

2)护壁强度验算。

由于护壁厚度t＞R/10，故按照厚壁圆筒计算，按式(5)计算有:

对C25混凝土护壁，fcc=0.85fc=0.85×11 900=10 115 kPa，Kσ=2.0×479.268=958.536 kPa＜fcc=10 115 kPa。

故采用C25混凝土护壁强度满足要求。

7 设计应注意的其他问题

1)结合已有竖井设计和施工经验，人工挖孔桩孔口宜设置孔口护圈［11］或采用钢套筒作为孔口护圈。2)别氏公式假定护壁超载是沿孔口四周均匀分布的，因此，在应用别氏公式时，应结合现场的实际情况考虑孔口超载。如果出现仅在挖孔桩某一侧地表存在着较为严重的超载时，宜优先采用普氏公式计算护壁主动土压力。3)因特殊情况必须采用人工挖孔桩的建设工程，建设单位应将人工挖孔桩设计、施工组织设计和安全生产措施报市建设行政主管部门并组织专家论证［3］。

8 结语

人工挖孔桩护壁在桩基础设计时常常不为设计人员所重视，在施工时又往往不根据现场地质条件的变化而作出相应调整，由此引发的护壁质量和安全事故时有发生，故人工挖孔桩护壁的设计和施工应引起工程人员的足够重视。

［1］ 罗 章，李文兵，李振兹.人工挖孔桩护壁设计及其工程应用［J］.土工基础，2010，1(15):49-52.

［2］ 史佩栋.桩基工程手册［M］.北京:人民交通出版社，2007.

［3］ 合肥市建设委员会.关于进一步加强人工挖孔桩技术限用管理的通知［EB］.2006:8.

［4］ 朱松耆.表土层中圆形竖井地压的计算［J］.有色金属，1974 (5):13-19.

［5］ 崔广心.深厚表层土中竖井井壁的外载［J］.岩土工程学报，2003，25(3):294-298.

［6］ 岳 进.人工挖孔桩护壁设计［J］.岳阳师范学院学报(自然科学版)，2002，15(4):75-78.

［7］ John O，Bickel.Tunnel Engineering Handbook［Z］.1996.

［8］ 孙训方.材料力学［M］.北京:高等教育出版社，2009.

［9］ 杨桂通.弹性力学［M］.北京:高等教育出版社，1998.

［10］ GB 50010-2002，混凝土结构设计规范［S］.

［11］ 陈兰云.人工挖孔桩护壁设计施工问题探讨［J］.辽宁建筑，1992(6):26-28.