曹贤发，张家生，刘之葵，徐 进

（1. 中南大学 土木工程学院，长沙 410075；2. 桂林理工大学 土木与建筑工程学院，广西 桂林，541004；3. 马克菲尔（长沙）新型支档科技开发有限公司，长沙 410001）

1 引 言

《建筑桩基技术规范》[1]根据经验规定了人工挖孔桩施工技术的最低要求，但未提出其桩间土稳定性的评价方法和标准，以致桩间土失稳事故时有发生。人工挖孔桩桩间土失稳，工程上俗称窜孔，会导致桩孔内混凝土废弃，桩孔必须重新开挖、护壁必须重新施工、桩体必须重新浇筑，使工程造价增加、工期延误。因此，有必要对人工挖孔桩桩间土稳定性进行研究。

目前，关于桩间土土拱效应[2－4]、桩间土受力特性[5－7]和沉降[8]等方面已有较多研究，其成果对复合地基[9－11]和复合桩基[12－13]设计具有重要意义。然而，关于人工挖孔桩桩间土稳定性的研究仍不多见。尽管赵秀绍[14]、孙瑞民[15]等研究了长螺旋 CFG桩的窜孔机制，指出抽吸作用是其窜孔的直接原因，但人工挖孔桩施工对桩周土不存在明显地抽吸作用，其失稳机制和稳定性分析方法仍有待研究。

本文探讨了施工期间人工挖孔桩桩间土失稳机制，用FLAC3D模拟分析了桩间土失稳时的位移特征，建立了桩间土失稳的力学模型，推导了桩间土稳定系数及安全桩净距的计算公式，探讨了各主要因素对桩间土稳定性的影响规律，提出了窜孔防治的有效措施，最后以工程实例验证了该方法的合理性。

2 桩间土的失稳机制

人工挖孔桩灌注期间，桩间土失稳主要经历灌注孔护壁破坏、桩间土压缩变形、邻近空桩混凝土护壁脱节或砌体护壁掉块等3个阶段。

灌注孔护壁的破坏是桩间土失稳的前提。混凝土护壁一般较薄，浇筑质量较难保证。受随深度线性增大的流动混凝土压力作用时，护壁较容易受拉破坏。护壁破坏后，桩孔受混凝土压力挤压而扩大。受邻桩护壁限制，桩间土会产生较大的压缩变形，同时，邻桩护壁所受压力也随桩间土压缩变形量增大而增大。

邻桩护壁在桩间土一侧的压力大于另一侧压力，所受压力不均匀。此时，混凝土护壁将向桩间土另一侧同时发生平动及转动位移，导致护壁脱节；砌体护壁抗弯能力较弱，过大的水平位移使砌块掉落。混凝土护壁脱节或砌块掉落处，桩间土很快滑入孔内，窜孔通道形成并很快扩大，桩间土失稳由此发生。实践也证明，桩间土失稳时，砌体护壁以砌体掉块为主，而混凝土护壁主要发生脱节，而破坏的情况较少见。

3 滑动土体的空间分布

为建立桩间土稳定性力学分析模型，先用FLAC3D有限差分软件模拟分析桩间土失稳时的位移特征以确定滑动土体的空间分布。在水平面内，桩心连线为对称面，可按对称问题建模，如图1所示。注意凝聚力较大是为预防模型在开挖阶段就达到失稳状态。模型开挖和灌注一次瞬时完成，混凝土对孔壁的作用通过向孔壁施加随深度线性增加的法向压力完成。按照灌注孔直径和空桩直径的3种不同组合分为3种工况，如图2所示。各工况计算约 400时步后，最大不平衡力不再收敛，维持在4.5 kPa左右，模型已经处于不稳定状态，此刻25 m深处的桩间土平面位移特征及桩心连线方向的位移关系见图2。

图1 数值仿真模型Fig.1 Numerical simulation model

图2 25 m深度处的平面位移矢量图Fig.2 Plane displacement vector diagram for depth of 25 m

从图2中可以看出:距灌注孔越远，土体位移越小；位移呈水平或近似水平方向的各点显然已处于滑动失稳状态，滑动土体宽度等于两桩桩径较小值；滑动土体的位移与桩心连线基本平行；滑动区以外，土体位移与灌注孔附近各点位移方向基本一致。将滑动的土体作为稳定性分析对象，孔壁处的边界简化为图2中的粗线所示，滑动土体空间分布见图3。

图3 滑动土体分布图Fig.3 Distribution of sliding soil

4 稳定性分析

设地面为z坐标轴原点，向下为正方向，如图3所示，取出滑动土体进行受力分析，则力的类型、分布特征及相互关系见图 4。作用于滑动土体上的混凝土压力的合力Pc为

式中:z1、z2分别为滑动土体顶面及底面埋深；d为滑动土体宽度，取两桩桩径较小值；Δz为滑动土体厚度；Hc为桩顶到滑动土体中点的距离；γc为混凝土重度；pcz为混凝土作用于滑动土体z深度处的压力大小。

桩孔开挖对桩周土体扰动较大，会向桩孔发生一定侧向位移，因此护壁所受外力为桩周土的主动土压力，其大小为

式中:eaz为z深度处的主动土压力大小，其值按下式计算。

式中:Ka为主动土压力系数；σzm为滑动土体中点深度处的土体竖向应力。

将式（3）代入式（2），整理后得

图4 滑动土体力学模型图Fig.4 Mechanical model of sliding soil

滑动土体顶面与底面的抗剪力为

式中:Qt、Qb分别为滑动土体顶面及底面抗剪力大小；SABEF、SCDGH为滑动土体顶面及底面的面积；s为桩净距；τt、τb为滑动土体顶面及底面抗剪应力大小，其值根据库仑定律由下式计算:

式中:cr、φr为滑动土体的黏聚力及内摩擦角，建议取原状土的残余抗剪强度；σz1、σz2分别为z1、z2处土体的竖向应力。

将式（6）代入式（5），整理可得

滑动土体两侧ABCD与EFGH面上的抗剪切力均为

式中:Qs为滑动土体侧面抗剪力大小；τsz为滑动土体侧面z深度处的抗剪应力大小；τsm为滑动土体侧面中点 zm处的抗剪应力大小，其值按下式计算:

式中:e0为滑动土体侧面中点 zm处的静止土压力强度；K0为滑动土层静止侧压力系数。将式（9）代入式（8）得

桩间土失稳时，混凝土护壁主要向另一侧挤压导致位移过大而发生脱节，砌体护壁以砌块掉为主，同时也对另一侧有挤压作用。为简化计算，假设混凝土灌注期间，护壁向桩间土另一侧的挤压位移与开挖期间土体向桩心的位移抵消，则护壁对滑动土体的抗力可视为滑动层的静止土压力:

式中:E0为滑动土体所受的静止土压力合力；e0z为滑动土体侧面中点z处的静止土压力。

设滑动土体的稳定系数K为

将式（1）、（4）、（7）、（10）、（11）代入式（12），整理后得

设临界稳定系数为Kcr。当 K≥Kcr时，判为稳定，反之则不稳定。 Kcr应根据经验确定，不宜小于1.00。

灌注孔周围有多个空桩时，可根据式（13）逐个验算灌注孔向任一空桩发生窜孔的可能性。为便于工程应用，可先确定 Kcr，然后求出各桩的安全桩净距 scr。当 s≥scr时，判为稳定，反之，则不稳定。根据式（13）移项变换可得

当桩孔全部或大部分充满水（泥浆）时，也可能发生窜孔，此时可将水（泥浆）重度替代式（13）、（14）中的混凝土重度γc进行稳定性验算。

根据式（13）或式（14），可知，影响桩间土稳定性的因素有滑动土体的宽度、桩净距、滑动层的抗剪强度及残余抗剪强度、滑动层的埋深及厚度等。其他条件一定时，桩间土稳定系数与滑动土体宽度及混凝土面高差成反比，与桩净距成正比，随滑动层的抗剪强度及残余抗剪强度增大而增大。因此，控制两桩孔之间的混凝土高度差、增加桩孔开挖净距、加强护壁、减少施工对桩间土的扰动等是防治窜孔的有效措施。

值得注意的是，当其他条件一定时，Δz存在一个最不利值。小于该值时，K随着滑动层厚度的减小而增大；大于该值时，K随着滑动层厚度增大而增大，如图5所示。该图根据金盛广场5#楼部分桩孔资料的分析结果绘制（图例中的11vs14是指场地11#桩与14#桩之间的桩间土稳定系数，下同）。因此，验算时，当滑动土体厚度较大时，最小的稳定系数宜根据不同的滑动土体厚度试算确定。

图5 K-Δz关系曲线图Fig.5 Relationships between K andΔz

5 工程实例

柳州市金盛广场位于柳州市原东环菜市，5#楼高28层，地下室1层，为框架结构，设计采用85根人工挖孔桩，桩径为0.8～2.2 m，桩净距为1.5～9.0 m。土层厚为11.1～24.0 m，主要为棕黄色硬塑～可塑状红黏土，天然重度γ=17.8 kN/m3，黏聚力c=50 kPa，内摩擦角φ=18°，残余抗剪强度为cr=12 kPa、φr=5°。所有桩孔在7 d全面开挖，采用预制混凝土护壁，厚度约为7～12 cm。根据Kcr=1.00绘制出不同土层厚度及桩径下的安全桩净距 scr曲线图（见图6）。从图中可以看出，滑动土层越厚，埋深越大，其安全桩间净距越大，桩间土的稳定系数就越小，其稳定性就越差。

图6 scr与土层厚度关系曲线Fig.6 Relationships between scrand soil thickness

根据图6可对桩间土稳定性进行快速分析。例如，在3#与4#桩的桩间土中，两桩桩径相同，滑动土层宽度取 0.8 m，土层厚度取两桩孔较小值，为13.9 m，据此查图6中的d=0.8 m曲线可得scr=2.5 m，两桩实际净距s =3.0 m，满足 s≥scr，故可判定3#与4#桩的桩间土是稳定的。同理，可根据上述方法对场地其他桩孔间的桩间土进行分析，部分桩间土的稳定性分析结果见表1。

表1 桩间土稳定性分析表Table 1 Stability analysis of soil between piles

实际施工时，3#与4#桩没有发生窜孔，而 11#和45#桩浇筑时，分别向14#及38#桩发生了窜孔，与表1分析结果基本相符。由此可知，安全桩净距不是固定值，它与土层分布及工程性质、桩的几何尺寸等因素有关，本文对桩间土稳定性的判定较合理、实用。

6 结 论

（1）桩间土失稳时，滑动土体位移平行于桩心连线，其宽度等于两桩桩径较小值。

（2）桩间土稳定系数和安全桩净距分别按本文式（13）、（14）计算。当桩间土的安全系数大于临界稳定系数或桩间净距大于安全桩净距时，桩间土应判为稳定，否则应判为不稳定。

（3）桩间土稳定系数与滑动土体宽度及埋深成反比，与桩净距成正比，随滑动层的抗剪强度及残余抗剪强度增大而增大，而滑动层厚度则存在一个最不利值，可通过试算确定。

（4）控制两桩孔之间的混凝土高度差、增大桩孔开挖净距、加强护壁、减少施工对桩间土的扰动等是防治窜孔的有效措施。

（5）工程实例表明，本文提出的桩间土稳定性评价方法简单、实用，计算结果与实际施工时所观察的结果基本相符，可用于以黏性土为主的人工挖孔桩场地。

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