深水裸巖海洋環(huán)境鉆孔樁漏漿機(jī)理分析及方案研究

張亞鋒

中國鐵建大橋工程局集團(tuán)有限公司 天津 300300

1 工程概述

1.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

福平鐵路平潭海峽公鐵兩用大橋跨越北東口水道區(qū)段全長(zhǎng)3.7km，橋梁基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)，樁徑為φ2m、φ2.5m、φ2.8m、φ3.0m，設(shè)計(jì)最大樁長(zhǎng)102m。

1.2 施工條件

1.2.1 氣象條件

工程所在區(qū)域?yàn)榈湫偷暮Ｑ笮约撅L(fēng)氣候區(qū)，熱帶氣旋(臺(tái)風(fēng))是影響大橋的主要災(zāi)害性天氣，每年影響施工區(qū)域臺(tái)風(fēng)約4個(gè)。

1.2.2 水文條件

屬正規(guī)半日潮，橋址處最大水深42m，最大潮差7m，平均浪高1.5m。

1.2.2 地質(zhì)條件

橋址處為凝灰?guī)r和花崗巖，風(fēng)化程度低，完整性好、強(qiáng)度高，經(jīng)對(duì)海床面掃海顯示基巖風(fēng)化不均，球狀凸起、軟硬交替變化現(xiàn)象普遍，海床高差變化大，大部分墩位基巖裸露，部分墩位覆蓋層薄厚不均。

1.3 鉆孔樁施工難點(diǎn)

橋址處裸露基巖、斜巖面、孤石普遍及海床面巖石風(fēng)化程度不均造成鋼護(hù)筒無法打入海床或打入深度不足，受潮差影響，護(hù)筒內(nèi)泥漿與外部水頭差時(shí)刻處于變化中，鉆孔過程中護(hù)筒內(nèi)泥漿滲漏現(xiàn)象普遍。

2. 鉆孔樁漏漿機(jī)理的理論與數(shù)值模擬分析

2.1 泥漿滲漏分析

結(jié)合工程實(shí)際鉆孔樁在成孔過程中泥漿滲漏現(xiàn)象實(shí)際情況分析，漏漿原因是鋼護(hù)筒打入海床深度不足，當(dāng)潮落時(shí)，鋼護(hù)筒內(nèi)泥漿水頭高、壓力大，將顯著增加泥漿的滲透壓力，通過對(duì)典型滲透變形破壞模式的分析，判定是流土（流砂）問題或管涌問題。

2.2 鋼護(hù)筒附近土體滲流場(chǎng)數(shù)值模擬

為便于分析，采用二維平面滲流理論對(duì)單根鋼護(hù)筒底部滲流場(chǎng)進(jìn)行模擬，模擬護(hù)筒周邊覆蓋層隨潮漲落變化而隨之變化的滲流場(chǎng)，計(jì)算不同位置水力坡降，確定漏漿的主要部位。

2.2.1 計(jì)算模型

（1）分析模型

分析軟件采用Comsol Multiphysics，已單墩地質(zhì)條件為例，建立寬度為60m，高度20m的分析模型，計(jì)算域單元為三角形單元，地質(zhì)為粉細(xì)砂層、塊石土層、淤泥質(zhì)土層、全風(fēng)化化凝灰?guī)r層，覆蓋地層中局部有孤石。

（2）計(jì)算參數(shù)

計(jì)算中采用的土性參數(shù)來源于地質(zhì)勘查報(bào)告及補(bǔ)充勘查報(bào)告。

（3）邊界條件

模型邊界條件設(shè)置如下：海床覆蓋層表面設(shè)置為自由排水，水頭差為0m，模型兩側(cè)邊界約束水平方向位移并設(shè)置為非排水邊界，模型底部邊界約束豎直方向位移并設(shè)置為非排水邊界，覆蓋層中的孤石簡(jiǎn)化為非排水邊界，鋼護(hù)筒為非排水邊界，鋼護(hù)筒周圍土層表面設(shè)置為自由排水邊界，在覆蓋層表面施加周期荷載(m)模擬潮汐產(chǎn)生的水頭差。

2.2.2 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)計(jì)算模型進(jìn)行分析，漏漿處水力坡降大于臨界水力坡降是發(fā)生滲透變形破壞的主要條件，無覆蓋層、覆蓋層較淺或覆蓋層中孤石或塊石土的存在致使護(hù)筒無法打入足夠深度是發(fā)生漏漿的主要原因。

在有覆蓋層地段，塊石土的滲透系數(shù)較大，該層孔隙水壓變化不大，水力坡降的變化主要發(fā)生在水流通過上部的粘土層逸出時(shí)低滲透性土層內(nèi)水力坡降會(huì)快速下降，與現(xiàn)場(chǎng)護(hù)筒內(nèi)泥漿在某時(shí)快速下降，下降到一定高度水頭不再變化基本一致。

2.3 鉆孔樁漏漿分析

通過理論、數(shù)值模擬分析得出，海水潮差的迅速變化是鉆孔樁發(fā)生漏漿的水力條件，覆蓋層淺薄或無覆蓋層是發(fā)生漏漿的地質(zhì)原因，兩種原因綜合導(dǎo)致了本鉆孔樁出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的泥漿滲漏問題。通過對(duì)漏漿現(xiàn)象的深入觀察，并結(jié)合理論分析后可知，漏漿的本質(zhì)原因是由于滲透變形破壞導(dǎo)致的流土（流砂）現(xiàn)象。這種漏漿現(xiàn)象的具體特征為漏漿速度快，泥漿到一定深度后停止?jié)B漏。

3 鉆孔樁漏漿處理方案

根據(jù)鉆孔樁施工條件、漏漿機(jī)理理論分析以及數(shù)值模擬分析，現(xiàn)場(chǎng)采取“二防一補(bǔ)”的具體實(shí)施方案有針對(duì)性地解決漏漿問題。

3.1 “帷幕注漿法”堵漏

深水淺覆蓋層區(qū)，由于覆蓋層淺護(hù)筒打入深度不足，采用“人造覆蓋層”+“注漿帷幕”有效防止漏漿。利用吹砂設(shè)備在樁護(hù)筒周圍吹填海砂，人工制造一層覆蓋層，沿護(hù)筒一圈施做2排旋噴樁，旋噴樁之間互相咬合，形成一圈加固地質(zhì)的帷幕，實(shí)現(xiàn)改良護(hù)筒周邊土體，達(dá)到防漏效果。

3.2 “生根法”漏漿

在基巖裸露、海底高差起伏較大的區(qū)域，采用模袋圍堰+封底混凝土防止漏漿。利用鉆孔平臺(tái)兩側(cè)支棧橋?yàn)橐劳?，采用“釣魚法”設(shè)置導(dǎo)向裝置精確下放鋼護(hù)筒，下放到位后迅速將支棧橋鋼管樁與護(hù)筒連接防止傾倒，所有護(hù)筒下放、連接到位后，在距鋼護(hù)筒2-3m位置下放模袋，模袋下放過程潛水員周期性水下查看模袋擺放效果并堵漏，形成一個(gè)整體圍堰后，氣舉法清底，在圍堰內(nèi)澆筑水下不離散混凝土，使護(hù)筒與海床面生根，有效防止鉆孔過程漏漿。

3.3 “回填法”堵漏

“回填法”適用范圍廣，在鉆孔過程中局部出現(xiàn)漏漿，根據(jù)漏漿速度及原因在漏漿位置回填不同比例片石+黏土、鋸末、混凝土等材料，用沖擊鉆進(jìn)行反復(fù)夯擊，將漏漿處孔壁用片石混合物進(jìn)行夯實(shí)、擠密，通過有效置換形成具有低滲透系數(shù)和高抗剪強(qiáng)度的人造孔壁，有效防止鉆孔過程漏漿。

4.結(jié)束語

通過建立模型，理論分析發(fā)生漏漿條件及原因，理論結(jié)合實(shí)踐提出的三種改善樁周土體，“補(bǔ)強(qiáng)堵漏”的施工方法并應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，有效的解決了地質(zhì)復(fù)雜、深水、大潮差環(huán)境下鉆孔樁施工中的漏漿問題，應(yīng)用效果良好，對(duì)同類型工程具有很大的借鑒意義。