全护筒跟管灌注桩护筒受力分析

王朝阳 孙文怀 郝彦超

(1.华北水利水电大学，河南 郑州 450046； 2.河南省建筑科学研究院有限公司，河南 郑州 450053)

1 概述

随着经济发展，我国大型基础工程施工越来越复杂，设计需要的桩径越来越大，面对的地质条件愈加复杂。需要在更复杂的地质条件下施工，如：穿越软土层、卵砾石层、地下水丰富地层、不稳定地层等。对于地质条件复杂的情况，钻孔灌注成桩施工难度大，存在塌孔、缩颈等现象，施工质量难以保障。

全护筒跟进工艺因简便有效的解决了塌孔、缩颈等困扰桩基施工的问题，正在我国被越来越多的使用，但同时面对复杂的施工条件也常常存在配套的护筒钻具在施工过程中损坏、断裂进而造成经济损失、影响工期的问题。由于相关研究资料较少[1]、施工过程监测难度大，直接研究护筒受力较为困难。如何从理论上解释护筒跟进过程中的受力情况，首先需要先建立护筒工作时的力学模型。

2 护筒力学分析

2.1 护筒钻进运动分析

护筒在动力连接设备驱动做向下的垂直直线运动和回转运动的复合运动，运动状态如图1所示。

护筒上任意一点的切向速度：

(1)

护筒下压速度：

vz=nh

(2)

其中，vt为切向速度,m/s；r为半径,m；ω为角速度,1/s；n为套管转速,r/min；vz为护筒下压速度，m/s；h为护筒每转钻进的深度，m。

护筒在动力驱动过程中承受一定驱动扭矩M，使护筒克服与土体之间的摩擦力逐渐深入土体内部，钻进过程中护筒的受力分别为重力G，由护筒尺寸、材料确定，钻进压力F，地层支持力N，土体给护筒内外壁的法向约束力FN1与FN2,土体给护筒内外表面的切向摩擦力Ft1和Ft2，土体给护筒轴向摩擦力Fz1和Fz2，靴齿切削土体阻力矩M2，力学模型如图2所示。

2.2 护筒钻进受力分析

护筒下钻时的运动形式为回转和下沉的复合运动，通过全回转钻进或搓管机对护筒施加扭矩使套管进行小角度或360°回转同时对套管向下加压，将荷载传递到护筒端部靴齿，对土体进行切割一部分土体涌入护筒内，形成土芯并与护筒内壁相互接触产生摩擦，由于护筒内部土体会随着施工进程不断被取出，钻进过程中护筒内只保留少量土体，因此护筒内部产生的摩擦阻力可以忽略，另一部分土体被挤向护筒外部，挤向四周的土体与护筒的外壁接触更加紧密法向应力更大，因而护筒外的侧摩阻力也更大。下沉过程中护筒在已经被扰动的土体中滑动，护筒受到滑动摩擦阻力。宋志彬[2]通过现场试验与理论数据对比分析，护筒受到的滑动摩擦阻力可以参照静压桩的沉桩阻力计算方法进行计算，同时护筒内部土体在施工时会及时取出，因此对于施工时护筒受力情况，重点分析护筒外壁与土体接触因相对滑移产生的摩擦力。

对于侧摩阻力计算，Chandler在1968年提出粘性土的经验公式:

Fs=K0γhtanδ

(3)

于是护筒与土体之间的摩擦阻力矩M1可表示为：

(4)

其中，R为护筒半径；Fs为侧摩阻力；h为护筒下钻深度；K0为桩侧压力系数；γ为土体重度；δ为桩与土的滑动外摩擦角；λ为折减系数(根据工程实践及理论推导λ取值0.38，护筒内部土体被连续取出，λ取值应该更小，按照0.38系数计算指导施工安全性更高)。

3 护筒受力模拟分析

3.1 护筒及土体模型建立及参数[3]选取

由于实际影响因素较为复杂,为简化计算突出主要因素的影响，计算时假定土体为单一均质弹塑性土体，通过以上分析全护筒施工过程影响扭矩大小的主要因素有两个:

1)护筒内外壁与土体接触面积(通过钻进深度体现)；

2)施工地层地质条件。陶友海[4]结合施工案例模拟了长护筒跟进中护筒受力情况，而护筒下钻过程中靴齿切削土体模拟模型出现变形大，计算不易收敛，模拟结果与实际情况差别较大的情况，对此王永健等[5]运用自适应运动网格的ALE方法，提高了模拟精度，与实际情况更为符合。取护筒长度为20 m，土体及基本参数选取如表1所示，模型见图3。

表1 土体及护筒参数

为使模拟条件更接近真实土体状态，应提前对土体进行地应力平衡，胡长明等[6]详细对比地应力平衡的四种方法各自适用条件，结合实际情况需要采用自动地应力平衡方法，地应力平衡的效果通过分析土体平衡时自身应力值及不同深度处护筒表面所受土压力与理论计算结果对比如图4所示，模拟结果与理论相符。

3.2 模拟结果分析

图5反映了:1)护筒回转下沉过程中静摩擦阻力逐渐增大，动力连接驱动护筒克服与土体间的静摩擦，护筒相对土体运动，两者之间摩擦转变为动摩擦，此时护筒外壁的摩擦力也趋于稳定；2)护筒与土体间的侧摩阻力随着接触深度的增加而增加。根据式(3)，式(4)分别选取R=1 000 mm，1 200 mm，1 500 mm。

护筒长度为15 m时，计算M1=165 kN·m;M2=198 kN·m;M3=248 kN·m。

护筒长度为20 m时，计算M1=293 kN·m;M2=352 kN·m;M3=440 kN·m。计算结果与实际施工情况是相符的。

4 结语

针对全护筒跟管灌注桩施工中护筒受力影响因素复杂、有效理论指导相对较少、护筒钻进过程中受力状态不明确，在施工时对设备的选取对经验依赖性大可能造成施工过程中出现设备选取不合适造成设备损坏施工无法正常进行及资源的浪费，通过对护筒钻进过程受力分析，建立了护筒的受力模型同时提出了护筒所受阻扭矩的计算公式，结合数值模拟计算了护筒钻进过程中不同深度处的侧摩阻力，选取不同半径及长度的护筒进行理论计算，与实际工程中情况相符，因此对全护筒跟管施工及设备选取都有一定参考价值。