跨河公路大橋樁基礎(chǔ)鉆孔溶洞處置方案設(shè)計(jì)及數(shù)值模擬分析

李　榮, 王素群

(湖南省湘筑工程有限公司，湖南 長(zhǎng)沙　410004)

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跨河公路大橋樁基礎(chǔ)鉆孔溶洞處置方案設(shè)計(jì)及數(shù)值模擬分析

李榮, 王素群

(湖南省湘筑工程有限公司，湖南 長(zhǎng)沙410004)

摘要：以X大橋?yàn)閷?shí)例，對(duì)樁基礎(chǔ)鉆孔溶洞處置方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)和闡述，采用大型三維有限元軟件Midas/GTS對(duì)數(shù)值進(jìn)行模擬分析，對(duì)處置效果的做出了相應(yīng)的評(píng)價(jià)分析。

關(guān)鍵詞：樁基鉆孔；處置方案；數(shù)值模擬

1工程概況

X大橋橋位所在地地震加速度值為 0.1 g，抗震設(shè)防烈度7°。橋處于地勢(shì)平坦地帶，橋軸線的地面標(biāo)高在 793.70～802.24 m 之間浮動(dòng)。左幅為3×20 m箱梁，右幅為 8×20 m箱梁，先簡(jiǎn)支后連續(xù)，下部采用柱式墩臺(tái)，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。其中0#臺(tái)和3#臺(tái)按摩擦樁設(shè)計(jì)，1#墩和2#墩按端承樁設(shè)計(jì)。本橋位于直線上，墩臺(tái)平行布置，0#橋臺(tái)、3#橋臺(tái)處分別設(shè)置一道 D60型伸縮縫。橋所在區(qū)域地下水主要為巖隙水和孔隙水，分布范圍也比較小，水量貧乏，受季節(jié)的影響相對(duì)比較大，遇降水時(shí)排泄點(diǎn)較多，水量也會(huì)增加。

2處治方案設(shè)計(jì)

2.1溶洞處理方案

(1)小溶洞處理方案。

對(duì)于小溶洞，如果溶洞內(nèi)是松散的的充填物，則在沖孔時(shí)，適時(shí)地把粘土塊等投入孔內(nèi)，以避免泥漿流失。選擇慢速?zèng)_進(jìn)的方法，使充填物擠入裂縫或孔壁，以達(dá)到防止塌孔等狀況的發(fā)生。此法對(duì)較小溶洞來(lái)說(shuō)是首選。

(2)連通溶洞的處理方案。

可使相鄰的樁孔貫通樁身某個(gè)部位的溶洞稱為連通溶洞。在對(duì)一個(gè)樁進(jìn)行沖孔的時(shí)候，會(huì)造成與之相鄰的樁孔內(nèi)的泥漿發(fā)生翻動(dòng)。因此，應(yīng)該根據(jù)切實(shí)的地質(zhì)資料進(jìn)行處理，如果溶洞相對(duì)不是很大時(shí)，用適量的混凝土進(jìn)行灌注，避免兩孔串通；如果溶洞相對(duì)比較大時(shí)，可用卵石、片石等來(lái)填充溶洞，使之形成護(hù)壁，避免漏漿和塌孔的情況出現(xiàn)。

(3)大溶洞的處理方案。

①針對(duì)大溶洞，溶洞之中是半填充或者沒(méi)有填充物的狀況。為了避免鉆孔打穿頂板之后，泥漿的下落速度過(guò)快，從而出現(xiàn)坍塌的局面，首先打設(shè)穿透砂層的鋼護(hù)筒，鋼護(hù)筒的深度盡量要到達(dá)巖層的表面。鋼護(hù)筒打設(shè)完成之后，再進(jìn)行沖孔。打穿頂板后，立即向孔內(nèi)填充粘土、片石等，泥漿灌注完成之后再繼續(xù)沖孔。如果泥漿漏得速度還是太快的話，則重復(fù)以上操作方法，直至泥漿不漏為止。

②對(duì)于溶洞較大，溶洞之中是全填充且填充物松散狀態(tài)的狀況。先用錘沖擊溶洞,在洞內(nèi)形成圍護(hù)結(jié)構(gòu)，用以確保泥漿面的高度；如果溶洞的填充物為硬塑態(tài)時(shí)，可以直接進(jìn)行沖孔。

③如果溶洞不太深，可使用預(yù)制長(zhǎng)鋼護(hù)筒，采取邊沖邊振的方式。為了防止混凝土流進(jìn)溶洞之內(nèi)，大多數(shù)情況下在溶洞處套上鋼套管。

2.2注漿法處理

(1)施工機(jī)具：回旋鉆機(jī)、灰漿攪拌機(jī)、注漿機(jī)、潛水泵等。

(2)施工流程。

①場(chǎng)地準(zhǔn)備：平整作業(yè)場(chǎng)地，做好排水措施，在孔周圍挖排水溝，布置污水處理設(shè)備。

②測(cè)量定位：放樣地面孔位，誤差要符合規(guī)定。

③泥漿護(hù)壁成孔：用超前鉆孔作為一序孔進(jìn)行排氣，間隔一段合適的距離再鉆一序孔。

④澆注套殼料：鉆孔完成后, 注漿時(shí)，為防止袖閥管變形，通過(guò)鉆桿注入封殼料。

⑤袖閥管安放：袖閥管到孔底，盡量保證使之位于孔中心。

⑥固管止?jié){：把水泥漿注在管下孔壁間，從套殼料的頂部至孔口。

⑦注漿：套殼料進(jìn)行 5 d養(yǎng)護(hù)后，將注漿管下到注漿的位置，按位置分段注漿，每段1.0 m。漿液采用水泥漿，水泥用 32.5 級(jí)，水∶水泥=0.5∶1。注漿用注漿泵，注漿壓力保證在 0.2～1.0 MPa。速度控制在15～20 L/min。

⑧結(jié)果評(píng)價(jià)：施工完結(jié)3 d后，沖鉆觀察漏漿否，保證沒(méi)有塌孔現(xiàn)象。成樁后檢測(cè)樁基。

3數(shù)值模擬分析

3.1荷載工況

計(jì)算過(guò)程中，需考慮到的荷載分為施工荷載和行車荷載，但在正常情況下不用考慮。因?yàn)橄啾容^之下它們都很??；在天然情形下，溶洞穩(wěn)定性也比較好，對(duì)穩(wěn)定性方面的影響無(wú)需考慮自重的變化情況。所以，在進(jìn)行有限元計(jì)算之時(shí)，只考慮外加荷重對(duì)圍巖的應(yīng)力及穩(wěn)定性的影響，而將自重取一個(gè)固定值；施工荷載簡(jiǎn)化為一次性施加荷載。

3.2模型的建立

大多數(shù)巖土有關(guān)的問(wèn)題一般都會(huì)無(wú)限域或半無(wú)限域有關(guān)，有限元法就是在有限的區(qū)域內(nèi)離散和進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算。依照其他有關(guān)工程的理論分析和計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，模型的計(jì)算范圍為水平四邊各取4～5 倍的洞跨，底邊取的2倍的洞高。本模型在底邊向下取18.2 m，四邊各取12.5 m，見(jiàn)圖1。建模則是根據(jù)鉆孔得到的數(shù)據(jù)以及大量的原始資料擬合而成的，其高度達(dá)到18 m，最大跨度為12 m。

圖1　模型圖

邊界條件為固定巖體的四面和底面。樁底距溶洞頂面的距離為4 m。計(jì)樁長(zhǎng)30 m，樁長(zhǎng)范圍內(nèi)巖體和樁基以均布荷載的形式作用于模型頂面。建模采用RMR=59。樁底面荷載等價(jià)于 7 000 kN 的樁基設(shè)計(jì)承載力。

3.3結(jié)果及分析

計(jì)算過(guò)程中，假定的前提條件是頂板巖體為連續(xù)的、均勻的介質(zhì)，并且地形變化會(huì)受結(jié)構(gòu)面影響。綜合頂板壓、拉應(yīng)力和位移計(jì)算結(jié)果以及塑性區(qū)的情況可以得出，頂板厚度不小于5 m時(shí)是穩(wěn)定的狀態(tài)。采用數(shù)值模擬、定性、半定量的方法分析頂板穩(wěn)定性。圍巖地質(zhì)情況經(jīng)過(guò)定性分析，很難對(duì)頂板穩(wěn)定性進(jìn)行初步判斷。通過(guò)力學(xué)半定量和有限元定量分析得到頂板狀態(tài)是穩(wěn)定的。巖體中沒(méi)有塑性區(qū)域的出現(xiàn)，拉應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)在頂板的下邊緣，從數(shù)值計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，最大位移在8.1 mm 左右，其余位移量相對(duì)都比較小?！豆仿坊O(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ013-95)中指出，當(dāng)頂板厚大于10 m且洞跨小于5 m時(shí)，頂板如果完整的話可不進(jìn)行處理。但是通過(guò)模擬分析，厚度為4 m時(shí)仍在穩(wěn)定狀態(tài)情形之下，與規(guī)定是不同，只是表明了在對(duì)多層高大的溶洞進(jìn)行處置設(shè)計(jì)時(shí)更靈活了，頂板厚度設(shè)計(jì)值也更有據(jù)可循了。

4處治效果評(píng)價(jià)

由于樁基已加荷，只能用間接法揭示樁底下面的狀態(tài)。因此，本次檢測(cè)采用鉆孔抽芯、室內(nèi)抗壓強(qiáng)度測(cè)試等方式，綜合運(yùn)用各類的成果，對(duì)注漿效果進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷。

在巖溶區(qū)樁基施工時(shí)，如何處理溶洞是個(gè)極為復(fù)雜的問(wèn)題，其會(huì)對(duì)工期、質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)等各方面都帶來(lái)嚴(yán)重的影響，如果不能妥當(dāng)處理，還會(huì)導(dǎo)致人員傷亡、安全事故等。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊文淵.橋梁施工工程師手冊(cè)[M].北京:人民交通出版社,2003.

[2]任銳,謝永利,來(lái)弘鵬. 長(zhǎng)短樁在濕陷性黃土中作用機(jī)理的數(shù)值分析[J]. 鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版) ,2010，(1).

[3]劉云禎.工程物探新技術(shù)[M].北京:地質(zhì)出版社，2006.

Analysis of the disposal scheme and numerical simulation of pile foundation drilling on karst cavecross-river bridge

LI Rong, WANG Su-qun

(Hunan Xiangzhu Engineering Co., Ltd.,Changsha，Hunan 410004,China)

Abstract:Taking X Bridge as an example, the disposal scheme of pile foundation drilling on karst cave is designed and discussed. The FEM 3-dimensionalfinite-element software-Midas/GTS is employed to simulate the numerical value, and to evaluate the disposal effect.

Keywords:pile foundation drill-hole; disposal scheme; numerical simulation

中圖分類號(hào)：U441

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：C

文章編號(hào)：1008-3383(2016)01-0087-02

作者簡(jiǎn)介：李榮(1978-)，女，湖南常德人，工程師，研究方向：橋梁施工控制欲樁基礎(chǔ)處理方案；王素群(1981-)，女，湖南邵陽(yáng)人，工程師，研究方向：橋梁施工控制與現(xiàn)場(chǎng)管理。

收稿日期：2016-01-11