基于雙液高壓旋噴注漿處理后樁基持力層安全厚度分析

唐明裴，王如寒，寧平華

(廣州市市政工程設(shè)計研究總院有限公司，廣州 510060)

橋梁樁基在巖溶發(fā)育地區(qū)的設(shè)計與施工一直是工程的重點(diǎn)與難點(diǎn)，目前國內(nèi)外學(xué)者針對樁基持力層(即溶洞頂板)安全厚度展開了一系列研究，文獻(xiàn)[1]將溶洞頂板模擬為混凝土梁或板，簡單直觀地分析了初等梁板理論下的溶洞頂板安全厚度.文獻(xiàn)[2]采用溶洞頂板固結(jié)梁力學(xué)模型，分析了溶洞頂板的穩(wěn)定性.文獻(xiàn)[3]采用有限單元法對溶洞頂板進(jìn)行了受力與穩(wěn)定分析.文獻(xiàn)[4-5]分析了基于臨界破壞和莫爾破壞的溶洞頂板安全厚度.文獻(xiàn)[6]對溶洞地區(qū)嵌巖樁承載力進(jìn)行了相關(guān)試驗，得出了其破壞模式及相關(guān)計算公式.

以上文獻(xiàn)從理論到試驗，從初等梁板力學(xué)模型破壞到失穩(wěn)破壞等，得出的結(jié)論與JGJ 94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[7]中的相關(guān)規(guī)定相吻合：樁端以下硬持力層厚度不宜小于3d(d為樁徑)，對于小直徑橋梁樁基易滿足.對于大跨度橋梁樁基，其設(shè)計上一般采用大直徑嵌巖樁，若嵌巖深度取1d(若上覆蓋較深淤泥層還需增加)，則總持力層厚度需為4d.按此設(shè)計準(zhǔn)則，當(dāng)樁徑為2 m時，所需持力層厚度達(dá)8 m，樁徑越大所需的持力層厚度越大，對于巖面起伏較大的巖溶發(fā)育地區(qū)很難滿足.此時加長樁基穿過溶洞，會大大增加投資而不經(jīng)濟(jì)，同時繼續(xù)往下有可能使得溶洞不滿足完整持力層厚度.如廣東清遠(yuǎn)市某在建大跨度橋梁因遇到連續(xù)串珠狀溶洞，部分樁基的樁長設(shè)計超過100 m，大大增加了施工難度、施工風(fēng)險和工程造價.因此，本文作者針對巖溶發(fā)育地區(qū)樁基，提出采用雙液高壓旋噴注漿法形成有效的人造持力層，使得樁端下溶洞頂板可小于3d而仍具有可靠的安全性.

1 雙液高壓旋噴注漿法

雙液高壓旋噴注漿法采用水泥、水與水玻璃混合液按一定比例配合，利用高壓泥漿泵把漿液從噴嘴中噴射出去形成高壓噴射流，沖擊破壞巖土體，同時借助注漿管的旋轉(zhuǎn)和提升，使?jié){液與從土體崩落(切割)下來的土粒、砂粒攪拌混合，經(jīng)凝固后，便在巖土體中形成水泥、砂、土體混合的一定強(qiáng)度的固結(jié)體，極大地提高了溶洞的處理效率.

文獻(xiàn)[8-10]研究了水泥-水玻璃雙液注漿的力學(xué)特性，根據(jù)水灰比及水泥-水玻璃的比例不同，水泥-水玻璃漿液凝固3d強(qiáng)度均可達(dá)到 4～17 MPa，強(qiáng)度指標(biāo)可滿足持力層要求.由文獻(xiàn)[11-13]可知，大多數(shù)理論研究和實際工程將雙液高壓旋噴注漿法用于加固處理，很少用于橋梁樁基持力層，一方面是缺少理論分析，另一方面是對雙液高壓旋噴注漿法施工工藝難以把控.

本文作者經(jīng)過理論分析和工程實踐研究，將雙液漿配合比(質(zhì)量比)為水泥∶水∶水玻璃=1∶0.8∶0.12，注漿前宜由試驗試配確定，以滿足旋噴注漿施工對漿液流動性和固結(jié)體抗壓強(qiáng)度指標(biāo)的要求，即水泥土固結(jié)體28 d齡期單軸抗壓強(qiáng)度不小于15 MPa.施工參數(shù)如下：壓力為20～25 MPa，流量為60～70 L/min，提升速度為8～10 cm/min，旋轉(zhuǎn)速度為8～10 r/min，噴射段為洞頂上延0.5 m，洞底下延0.5 m.這樣保證溶洞頂?shù)装褰佑|面整齊，溶洞空間由注漿液完全填充，水泥土固結(jié)體與巖體充分接觸，巖層溶洞頂板范圍內(nèi)無縫隙，解決溶洞頂板裂隙和空隙問題.

2 溶洞頂板受力分析

根據(jù)文獻(xiàn)[1-6]，溶洞頂板安全性分析從初等梁板力學(xué)模型得到的結(jié)果只要考慮足夠的安全系數(shù)，與失穩(wěn)分析和試驗得到的結(jié)果大致一致.本文先從初等梁板力學(xué)模型的角度推導(dǎo)出注漿形成人造持力層前后溶洞頂板彎曲破壞、沖切破壞的相關(guān)公式，再從工程試驗角度進(jìn)一步加以論證.

2.1 溶洞頂板彎曲破壞分析

頂板巖層較完整時可按兩端固定梁計算，其計算跨徑取為樁徑.注雙液漿前后剖面見圖1，對應(yīng)的簡化力學(xué)模型見圖2.其中：d為樁基直徑；h0為樁基嵌巖深度，h1為溶洞頂板厚度，h2為溶洞深度；q為樁底應(yīng)力；L為溶洞跨徑.

注漿前溶洞頂板單位寬度最大彎矩

(1)

對于嵌巖樁

(2)

式中：F為單樁極限承載力；A為樁底面積.

得到溶洞頂板應(yīng)力為

(3)

式中：W為溶洞頂板豎向截面抗彎截面系數(shù).

溶洞頂板安全應(yīng)滿足

(4)

式中：R為巖石抗拉強(qiáng)度；k為安全系數(shù)；frk為巖石的飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；擬定R=λfrk，一般λ取0.1～0.02[2].

將式(3)代入式(4)中，可得

(5)

若取q=5 MPa，L=d，frk=15 MPa，λ=0.05，k=2.5，可得h1≥2.9d，這與規(guī)范中規(guī)定的樁端以下硬持力層厚度不宜小于3d相吻合[1].

注漿后按組合材料單位寬度固定梁計算，溶洞頂板與人造持力層受力示意見圖3.上部為溶洞頂板，下部為注漿形成的人造持力層，兩者共同受力.采用截面分力法，將整體截面作用的彎矩M分解為作用于溶洞頂板、人造持力層截面上的彎矩M1，M2及其軸力N.

截面上分解作用力平衡式為

M1+M2+N·L1=M

(6)

截面轉(zhuǎn)角與軸向變形平衡式為

(7)

溶洞頂板最大應(yīng)力為

(8)

將式(6)、式(7)代入式(8)，可得

(9)

從式(9)可以看出，h1、h2的相互關(guān)系、巖層與人造持力層的彈性模量比對溶洞頂板受力有很大的影響.

當(dāng)h1=h2，n=2，L=d時，可得

h1≥1.3d

(10)

當(dāng)滿足式(10)時，采用雙液漿人造持力層能保證頂板不會發(fā)生彎曲破壞.實際工程中應(yīng)先做試驗得出人造持力層彈性模量，根據(jù)地質(zhì)探孔得出巖層彈性模量與樁端巖石抗拉強(qiáng)度，帶入式(9)中判斷是否滿足.

2.2 溶洞頂板沖切破壞分析

大量研究表明，溶洞頂板最易發(fā)生沖切破壞.本文沖切破壞錐體取到巖層底面，不考慮人造持力層的錐臺效應(yīng)，這樣沖切破壞錐底面積小，結(jié)果偏安全.形成人造持力層后，溶洞頂板沖切受力簡圖見圖4.

抗沖切需滿足

kPp≤Q1+Q2

(11)

式中：Pp為樁端垂直荷載；Q1為錐臺側(cè)面的巖層拉力；Q2為錐臺底人造持力層頂托力.

(12)

(13)

(14)

式中：fd為人造持力層頂托設(shè)計強(qiáng)度.

注漿前Q2=0，注漿后可考慮Q2的作用.若取fd=2 MPa，破壞錐體錐角φ=45°，其余取值同前.可得：

h1≥0.91d

(15)

當(dāng)滿足式(15)時，采用雙液漿人造持力層能保證頂板不會發(fā)生沖切破壞.

3 工程實例

3.1 工程概況

清遠(yuǎn)市某在建大跨度斜拉橋橋位場地地層自上而下為：含素填土、粉、細(xì)砂、圓礫中砂、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、卵石質(zhì)礫砂、卵石、礫砂、灰?guī)r等，基巖巖溶發(fā)育，巖石裂隙和方解石脈發(fā)育，多為1～11層不同高度的溶洞，部分鉆孔呈串珠狀小溶洞發(fā)育，厚度0.20～15.60 m，見洞率為81.25%，溶洞主要為全充填或無充填，少量為半充填，填充物主要為軟塑～可塑狀粉質(zhì)黏土，鉆進(jìn)時多發(fā)生漏水現(xiàn)象.

15#主墩采用鉆孔灌注端承樁基礎(chǔ)，樁基直徑為2.2 m，單墩下有16根樁.樁頂標(biāo)高4.2 m，單樁樁頂豎向最大設(shè)計承載力為24 000 kN.設(shè)計嵌巖深度要求進(jìn)入微風(fēng)化巖層不小于d.以15#主墩超前鉆資料為例,見圖5，層底標(biāo)高-20.96 m時開始進(jìn)入巖層，連續(xù)遇到溶洞，標(biāo)高為-67.18～-72.58 m有厚度5.4 m的持力層，往下又遇到溶洞，標(biāo)高-82.58～-90.58 m有厚度8 m的持力層.此時超前鉆已打到108 m深度，仍未滿足規(guī)范的設(shè)計要求4d=8.8 m最小持力層厚度.同時，在實際施工中處理的溶洞越深越容易出現(xiàn)掉錘、塌孔等問題.為減小鉆孔深度，加快工期，保證溶洞處理安全性，降低工程造價，設(shè)計上決定不再繼續(xù)往下打，將-72.58～-82.58 m范圍內(nèi)的溶洞進(jìn)行雙液高壓注漿處理，形成有效的人造持力層，并以本文計算方法驗算標(biāo)高為-67.18～-72.58 m(厚度5.4 m)的溶洞頂板安全性.

3.2 溶洞頂板安全性驗算

計算參數(shù)：樁底應(yīng)力q=6.3 MPa，h1=5.4 m，h2=10 m，frk=50 MPa，fd=2 MPa，取安全系數(shù)k=3.5.微風(fēng)化灰?guī)r彈性模量E1=40 GPa，硬化雙液漿彈性模量根據(jù)現(xiàn)場試驗可取E2=20 GPa.

同理代入式(11)可得：kPp=83.8 MN

設(shè)計上將-72.58～-82.58 m范圍內(nèi)的溶洞進(jìn)行雙液高壓注漿，形成有效的人造持力層，此樁在標(biāo)高-69.38 m終孔，樁長73.58 m.之前設(shè)計樁長需要繼續(xù)穿過-82.58～-90.58 m，樁長至少94.78 m，樁長至少減少28.8%，大大減小施工難度，縮短工期，節(jié)約造價.成樁后經(jīng)過抽芯檢測為I類樁，注漿后無接縫.

4 三維有限元模型計算分析

4.1 建立三維有限元模型

為進(jìn)一步保證工程的安全性，驗算文中推導(dǎo)公式的可靠性，采用MIDAS/GTS建立15#主墩15-5-2樁基對應(yīng)的三維有限元，用樁基-溶洞-頂板-人造持力層相互作用力學(xué)模型模擬其實際受力，模型見圖6.樁基采用梁單元模擬，土層、溶洞頂板及人造持力層采用實體單元模擬.模型計算范圍取6d，土體、巖體及人造持力層均采用莫爾庫倫模型，樁身為混凝土線彈性模型.通過設(shè)置樁側(cè)巖土界面參數(shù)來模擬樁與巖土的接觸.由于樁基為嵌巖樁，為建模方便將樁身溶洞、灰?guī)r均按一層建立，保證其總厚度與實際鉆孔資料一致.計算中所需土體、灰?guī)r、溶洞、人造持力層的物理力學(xué)參數(shù)見表1.

表1 材料的物理力學(xué)參數(shù)

4.2 計算結(jié)果分析

計算結(jié)果提取樁底下溶洞頂板的剪應(yīng)力，其結(jié)果見圖8.由圖8可見，與樁底相接觸范圍的溶洞頂板所受的剪應(yīng)力最大，隨著深度的增加，剪應(yīng)力逐漸減小，范圍也逐漸擴(kuò)大.

根據(jù)計算結(jié)果，溶洞頂板受力安全可靠.

5 結(jié)論

1)串珠狀溶洞發(fā)育地區(qū)，采用雙液高壓旋噴注漿法形成溶洞人造持力層是可行的.

2)通過雙液高壓旋噴注漿法形成溶洞人造持力層參與溶洞頂板受力后，溶洞頂板安全厚度限值相對于注漿前可大幅減小，使得橋梁樁基長度得以減小，降低了巖溶地區(qū)樁基的施工難度，縮短了工期，節(jié)約了造價.

3)實際工程中應(yīng)先做試驗得出人造持力層彈性模量，根據(jù)地質(zhì)探孔得出巖層彈性模量與樁端巖石抗拉強(qiáng)度，再代入公式中判斷是否滿足.

4)將本文成果應(yīng)用于清遠(yuǎn)市某大跨度斜拉橋的樁基設(shè)計中，目前該工程全橋182根樁基已施工完畢，經(jīng)抽芯檢測全部為I類樁，安全可靠.