基于传感系统的人工挖孔桩孔壁变形监测应用

CONSTRUCTIONANDBUDGET

DOI:10.13993/j.cnki.jzyys.2018.08.013

2018年第8期

基于传感系统的人工挖孔桩孔壁变形监测应用王代兵1，2，张学伟2，姜化强2，于航2

（1.沈阳建筑大学，辽宁沈阳100168；2.中建八局天津公司，天津300000）

摘要：研究在人工挖孔桩开挖深度较深的情况下，孔壁承受土体压力后所发生的变形，为类似工程设计提供参考依据。本文以沈阳建筑大学基础实验中心B座部分人工挖孔桩工程为例，采用位移传感器监测泥浆护壁在开挖过程中所产生的变形，采用应变片监测孔壁的应力应变。并采用通用有限元软件ABAQUS对承受土压后的孔壁模拟，并分析了护壁顶点水平位移和竖向位移及其自身应力应变的变化过程。通过对实测数据和有限元数值分析可知，在开挖较深时孔壁顶端位移会较大，应当采取加固措施。关键词：人工挖孔桩；变形监测；桩壁支护；数值分析中图分类号：TU17

文献标志码：B

文章编号：1673-0402（2018）08-0058-03

人工挖孔灌注桩（简称人工挖孔桩或挖孔桩）利用人力在工程施工过程中边挖孔边采取护壁措施，在挖到设计深度以后，清孔并安放钢筋笼，最后灌注混凝土并养护成型。人工挖孔桩具有施工简便、经济适用、单桩承载力高的优点［1］。人工挖孔桩适宜在地下水位低于标高的地区施工，主要在人工填土层、黏土层、粉土、砂土、碎石土以及风化岩层中采用，在采取一定的措施之后，也可以在复杂地质环境如黄土、膨胀土和地下水位较高的软土地区中使用［2］。随着我国城市建设的发展，人工挖孔桩必将被大量的应用，如何保证其在复杂地质环境中施工的安全性有待进一步的研究。

土层自上而下依次为：

（1）杂填土：局部为素填土，主要由粘性土、建筑垃圾等组成，稍湿，结构松散，该层分布连续，层厚0.6～2.3m。

（2）粉质粘土：黄褐色，硬可塑，见铁锰质结核，干强度中，韧性中，无摇震反应，切面光滑，局部为粘土。该层分布较连续，状态不均匀，下部偏软，层厚1.8～5.2m。

（3）中砂：黄褐色-灰褐色，稍湿，中密-密实状态。矿物成分以石英、长石为主，含少量粘性土，局部夹砾砂或圆砾薄层。该层分布较连续，层厚0.5～2.4m。

（4）圆砾：湿饱和，中密状态,局部为密实状态，母岩成分主要为结晶岩类岩石，含粘性土。大于2mm颗粒占总重的55%～65%，大于20.0mm颗粒占总重的10%～20%，一般粒径2～20mm，最大粒径100mm，磨圆度较

1工程概况

本工程为地上五层框架结构，场地内基岩

收稿日期：2018-03-22

作者简介：王代兵（1988-），男，研究生，主要从事BIM技术与信息化管理、项目管理工作。

E-mail：707513939@qq.com

好，卵、砾石呈亚圆形，颗粒不均，级配较好；充填约30%左右的混粒砂。该层局部见砾砂薄夹层；该层分布连续，层厚4.2～10.1m。

5）砾砂：黄褐色，饱和，中密，局部密实状态；矿物成分以石英、长石为主，含少量粘性土。一般粒径2～20mm，最大粒径80mm左右，磨圆度较好，卵、砾石呈亚圆形，颗粒不均，级配较好；该层仅局部出现，层厚1.40～7.09m。

基础设计为人工挖孔桩，人工挖孔桩设计桩体砼强度等级为:桩芯和护壁混凝土强度等级为C30，持力层为圆砂层，桩端阻力特征值qPa=2400Kpa,桩端进入持力层不小于1.0m。

2桩体监测

2.1监测准备工作

在施工过程中应注意桩体垂直度、桩位以及成桩直径的校核，具体原则如下：一、基桩轴线的基准点和控制点应布置在不受影响之处，并妥善保护，在施工过程中要经常复测。二、在浇筑第一节混凝土护壁之前应按桩中心校正护壁模板。三、应在挖孔进程中随时用呈垂直并焊接在一起的两根钢筋，在十字交叉中心处挂一线缀，用钢尺测量中心线至孔壁的距离，以及时控制挖孔时的垂直度。

2.2主要监测内容

根据设计和规范要求人工挖孔桩在施工过程中，分段开挖，如果地下水位较高，应同步进行降水。本工程每挖深一米做一节护壁，护壁混凝土强度为C30。在开挖过程中对已做好的泥浆护壁进行监测，防止发生塌孔等严重的工程质量问题。人工挖孔桩主要监测内容如下：护壁水平位移和竖向位移监测、护壁后侧向土压力监测、护壁深层水平位移监测、护壁自身应力监测、周围建筑水平位移和竖向位移、如果地下水位较高的话还需要实时监测坑内、坑外地下水位。考虑到本工程土质条件良好，地下水位较低，采用泥浆护壁对临近建筑物影响较小，因此本工程主要监测项目包括：护壁水平位移和竖向位移监测，护壁

2018年第8期总第268期自身应力监测。

2.3监测过程

人工挖孔桩护壁顶部水平位移和竖向位移监测点设在护壁顶点，在该测点安装位移传感器，对护壁顶部位移实时监测。在3～5d应当重复测量不少于3次，并记录好数值。随着开挖深度的增加，孔壁结构背部所受土压力逐渐增大，需通过应变计监测护壁自身的应变变化，每个桩选择3个断面进行监测，每个应变计选择弯矩最大处（护壁中心位置）进行布设。将应变计靠近钢筋内侧并绑到钢筋笼上，将导线沿着测斜管顺出，并做好导线末端保护。待混凝土浇筑完成后，将导线末端进行处理，采集数据。应变布置见图一。

图一应变片粘贴位置

3数值计算分析

3.1计算模型

利用ABAQUS数值分析软件对本工程的人工挖孔灌注桩进行有限元分析。本文选取工程中的27号桩进行分析。本文土体本构模型选用ABAQUS自带的摩尔-库伦模型。混凝土护壁采用塑性模型。土体和护壁单元类型都选用CPE4平面应变单元［3］。每次开挖深度为1m，共挖深10.3m。模型尺寸示意如图所示。其中B为人工挖孔桩开挖范围的宽度；W为地表范围的宽度；D为人工挖孔的深度。H人工挖孔对孔底以下土体的影响深度。平面应变单元。每次开挖深度为1m，共挖深10.3m。

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2018年第8期总第268期3.2计算结果

（1）护壁水平位移。由图二可见，第一次开挖后，孔壁顶端水平位移有向坑内发展的趋势，随着开挖深度的不断增大，孔壁水平位移越来越大，当开挖至坑底时，护壁顶部水平位移最大，为14mm。（2）护壁竖向位移。第一次开挖后，孔壁会随着坑顶周围的土体一起向上隆起，随着开挖深度的增加，隆起量会逐渐增大，当开挖深度达到4.5m，土体竖向位移达到最大为1.45mm，之后随着开挖深度的增大，孔壁则和周围土体一起发生沉降，沉降量随开挖深度的增大而逐渐增大，当开挖至坑底时，孔壁沉降量达到最大，此时沉降量为1.5mm。（3）护壁自身应力分析。每次开挖都会导致孔壁应力发生变化，从整体上看孔壁应力随着开挖深度的增加而增大。

图二孔壁顶端水平位移

图三孔壁顶端竖向位移

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3.3结论

（1）孔壁变形监测中，发现孔壁水平变形发生在孔壁顶端处，并随着开挖深度而增加。竖向位移随着开挖深度先向上隆起尔后发生沉降。

（2）数值模拟与现场实测数据相差不大，表明ABAQUS在人工挖孔桩工程模拟计算中有较好的精度，对人工挖孔桩现场施工有较好的指导意义。

（3）要保证护壁的施工质量，特别是前两节护壁的施工质量，浇灌护壁混凝土时应振捣密实，保证模板拆卸后没有蜂窝或孔洞。

（4）软土地区人工挖孔桩在开挖的过程中，必须确保护壁的施工质量，尤其是大直径、深桩基的挖孔桩作业，必须严格控制每天开挖的深度，确保施工安全性。

（5）孔壁支护视土质和渗水情况而定。若桩孔在土层（粘土、粘砂土、卵石加砂、含有块石土层）、有渗水的地层中挖孔，采用钢筋混凝土薄壁支护，砼厚20cm。若桩孔在淤泥质土层，或渗水量较大的地层中，钢筋砼配筋加强护壁强度，混凝土厚度可适当调整，严禁防止塌孔。孔壁支护长度视地质情况，将准备支护一段的孔底四周挖成锲形沟槽，立模灌注混凝土后24h方可拆模，继续下挖。

参考文献：

1］刘金砺.桩基工程技术发展［M］.北京：知识产权

出版社，2005.

2］史广德，胡德均，等.深基础逆作法支撑柱的设置

及节点的技术处理［J］.施工技术，2002，31

（1）:28-30.

3］兰思静，李军.基于ABAQUS的某深基坑开挖过程

数值分析［J］.低温建筑技术，2015，37（12）：113-115.

4］潘俊.嵌岩扩底旋挖成孔灌注桩施工工法分析

［J］.施工技术，2017，31(5):38-42.

5］杨旭.浅析人工挖孔桩锚喷护壁施工工法［J］.科

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6］刘东文.人工挖孔桩在遇流砂的施工新方法［J］.

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