超深橋梁人工挖孔群樁基礎(chǔ)混凝土施工安全性分析*

龍立敦，李少方，張 凱，林文凱

(貴州省公路工程集團有限公司，貴州 貴陽 550008)

1 工程概況

1.1 工程簡介

甕開高速公路是貴州省“678”高速公路網(wǎng)規(guī)劃第三橫江都高速公路組成部分，開州湖特大橋為甕開高速公路控制性工程，位于K35—K37段，全長1 257m，雙向4車道，設(shè)計速度80km/h。大橋橫跨洛旺河峽谷，橋跨布置為3×30m(現(xiàn)澆箱梁橋)+1 100m(單跨鋼桁梁懸索橋)+2×30m(預(yù)制T梁橋)，主纜計算跨徑為302m+1 100m+143m，3，4號主塔高度分別為139，141m，建成后將成為貴州省第三大鋼桁梁懸索橋。

1.2 樁基工程概況

開州湖特大橋4號主塔位于洛旺河峽谷開陽岸岸坡上，主塔高141m，基礎(chǔ)為40根樁徑2.5m、長度65m的群樁基礎(chǔ)，分2幅承臺布置，左、右幅承臺各20根，樁中心距6.3m，凈距3.8m(見圖1)。

圖1 樁基平面布置(單位:m)

4號主塔場區(qū)自然坡度40°～50°，上覆殘坡積層含碎石黏土、崩塌堆積層塊石土，巖質(zhì)為白云質(zhì)灰?guī)r，粒徑0.2～1m，含量60%，剩余部分黏土填充，厚度0～33m；下伏基巖為寒武系清虛洞組白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r，寒武系金頂山組頁巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥巖、泥質(zhì)灰?guī)r；寒武系明心寺組粉砂質(zhì)泥巖夾泥巖，寒武系牛蹄塘組炭質(zhì)泥巖，各層厚度不等，最大層厚26.9m，均為Ⅳ級軟石。以左幅承臺中部樁孔為例，樁孔深度60.1m，按地質(zhì)勘察報告，巖(土)層分布及各層厚度(h)、重度(γ)、黏聚力(c)及內(nèi)摩擦角(φ)如表1所示。

表1 巖(土)層分布及物理力學(xué)指標

1.3 施工安全難點

1)工期壓力大 按項目總工期策劃，4號主塔樁基總工期為5個月，根據(jù)以往工程經(jīng)驗，采用間隔跳挖施工將極大地突破目標工期，后經(jīng)專家論證，群樁基礎(chǔ)采用同步開挖方式施工，且因樁底土體多為泥巖等軟弱巖體，遇水易軟化，影響樁基承載力，樁基挖孔完畢后即需灌注樁芯混凝土。在面積僅為1 568m2的狹窄場地內(nèi)存在挖孔與灌注混凝土交叉作業(yè)，施工組織協(xié)調(diào)難度大，安全隱患多。

2)護壁破壞風險高 護壁是人工挖孔樁施工中保障施工安全和質(zhì)量的主要構(gòu)件，4號主塔樁基施工時雖按JGJ 94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》中要求進行了護壁設(shè)計，但目前的護壁設(shè)計多為以經(jīng)驗為主，主要目的是防止挖孔期間孔壁坍塌，設(shè)計時僅考慮護壁在土壓力作用下的安全性，未充分考慮樁芯混凝土灌注時在混凝土壓力作用下護壁出現(xiàn)破壞引發(fā)竄孔事故的可能性。

3)樁間巖土體失穩(wěn)風險大 4號主塔群樁基礎(chǔ)挖孔施工孔間凈距極小，僅為3.4m，遠小于3倍樁徑；同時，按地質(zhì)勘察報告和樁基挖孔揭露數(shù)據(jù)，上覆塊石土層土體結(jié)構(gòu)松散，下伏基巖均為軟巖，物理力學(xué)指標差。在樁芯混凝土灌注過程中，一旦護壁出現(xiàn)破壞，松散、軟弱且厚度較小的樁間巖土體在巨大混凝土壓力作用下，存在較大失穩(wěn)風險和竄孔隱患。

2 安全性分析方法

2.1 護壁安全性分析

2.1.1護壁受力情況分析

澆筑樁芯混凝土階段護壁破壞是發(fā)生竄孔事故的前提。護壁在破壞前，受土壓力與混凝土壓力共同作用(見圖2)。

圖2 護壁破壞前受力狀態(tài)

1)混凝土壓力

目前護壁設(shè)計與受力分析中，一般都將混凝土看作均勻流體，混凝土對護壁的側(cè)壓力隨著混凝土澆筑高度增加而線性增大。然而，在超深超大直徑樁基施工中，樁芯混凝土灌注是一個持續(xù)時間較長的過程，當灌注時間超過混凝土初凝時間后，底部混凝土?xí)M入初凝狀態(tài)，該狀態(tài)下的部分樁芯混凝土形成整體，可視為對護壁不產(chǎn)生側(cè)壓力。因此，超深超大直徑樁基樁芯混凝土灌注時對護壁產(chǎn)生的最大側(cè)壓力從孔底至孔口是一個先維持恒定最大值，然后線性遞減直至孔口為0的折線變化過程。

混凝土未初凝時，可視為均質(zhì)流體，其對護壁的側(cè)壓力可根據(jù)帕斯卡定律計算：

pc=γchc

(1)

式中：pc為某一深度處混凝土對護壁的側(cè)壓力(kPa)；γc為混凝土重度(kN/m3)；hc為未初凝混凝土深度(m)。

未初凝混凝土深度受澆筑速度和混凝土初凝時間控制：

(2)

式中：V為混凝土灌注速度(m/h)；T為混凝土初凝時間(h)；z為從孔口往下的計算深度(m)。

2)土壓力

土壓力在人工挖孔樁施工過程中是一個隨施工階段不斷變化的力，在挖孔階段未施工護壁前為主動土壓力，隨著混凝土灌注高度不斷增加，護壁環(huán)向應(yīng)力由壓應(yīng)力逐漸變?yōu)槔瓚?yīng)力，護壁逐漸向外側(cè)擠壓樁側(cè)土，外側(cè)土壓力由主動土壓力逐漸變?yōu)楸粍油翂毫Γ谧o壁進入極限狀態(tài)破壞前，由于混凝土特性，護壁變形極小，為方便計算，此時可認為護壁外擴造成的土體擠壓與開挖時應(yīng)力松弛造成的土體變形位移相同，即土壓力取值為靜止土壓力；此外，人工挖孔樁施工時地層一般無水，地表一般也不存在堆載，可不考慮地下水壓力和附加應(yīng)力作用。因此，護壁外側(cè)徑向靜止土壓力為：

p0=K0γsh

(3)

式中：p0為護壁外側(cè)靜止土壓力(kPa)；K0為靜止土壓力系數(shù)，按JGJ 120—2012《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，K0宜由試驗確定，無試驗條件時，K0=1-sinφ；γs為土體重度(kN/m3)；h為土層深度(m)。

地層通常由多個物理力學(xué)性質(zhì)各異的巖土層構(gòu)成，靜止土壓力計算式可統(tǒng)一為：

(4)

式中：p0為計算深度處護壁外側(cè)土體靜止土壓力(kPa)；n為土層數(shù)；φi為第i層土層內(nèi)摩擦角(°)；γsi為第i層土層重度(kN/m3)；hsi為第i層土層厚度(m)。

2.1.2護壁內(nèi)力計算

樁芯混凝土灌注時，護壁同時承受內(nèi)側(cè)混凝土側(cè)壓力和外側(cè)土壓力作用，內(nèi)側(cè)混凝土側(cè)壓力使護壁環(huán)向表現(xiàn)為受拉，外側(cè)土壓力使護壁環(huán)向表現(xiàn)為受壓。護壁受力分析需計算護壁在內(nèi)部壓力共同作用下的受力狀態(tài)，根據(jù)彈性力學(xué)理論，護壁環(huán)向應(yīng)力為：

(5)

式中：σ為計算深度處護壁環(huán)向應(yīng)力(kPa)；a為護壁內(nèi)徑(m)；b為護壁外徑(m)；ρ為護壁上點的徑向坐標(m)。

樁基施工中，護壁通常分節(jié)澆筑，取1節(jié)護壁進行內(nèi)力計算，護壁截面受力合力為：

(6)

式中：T為單節(jié)護壁豎截面所受內(nèi)力(kN)；l為單節(jié)護壁長度(m)；h為計算深度(m)。

積分并簡化得單節(jié)護壁截面上內(nèi)力為：

T=aPc-bP0

(7)

式中：Pc為混凝土壓力在豎直方向合力(kN/m)；P0為土壓力在豎直方向合力(kN/m)。

為便于分析，設(shè)護壁分節(jié)處位于同一巖土層內(nèi)，土壓力均勻變化，則有：

(8)

式中：p0h，p0(h-1)分別為深度h與(h-l)處的土壓力(kPa)，可由式(4)計算，當護壁跨越2個不同土層時，計算方法類似。

混凝土側(cè)壓力計算如下：

(9)

式中：pch，pc(h-1)分別為深度h與(h-l)處的混凝土側(cè)壓力(kPa)，可由式(1)計算。

2.1.3護壁安全判別

鋼筋混凝土護壁受拉破壞時，混凝土通常先破壞，然后鋼筋才屈服，因此護壁安全計算僅考慮護壁環(huán)向配筋設(shè)計。護壁澆筑樁芯混凝土安全控制條件為：

T≤fyAs/1 000

(10)

式中：fy為鋼筋強度設(shè)計值(N/mm2)；As為單節(jié)護壁環(huán)向配筋截面積(mm2)。

2.2 樁間土安全性分析

2.2.1滑體受力情況分析

護壁破壞后，樁間土體在樁芯混凝土壓力作用下剪切破壞，出現(xiàn)失穩(wěn)，是竄孔事故發(fā)生的必要條件。根據(jù)現(xiàn)有研究，發(fā)生竄孔時，滑動土體寬度與樁徑一致，位移基本平行于兩樁樁芯連線，且當滑動土體處于失穩(wěn)臨界狀態(tài)時，滑體各點位移方向和位移量基本一致，作用于滑體上的抗力大小相同。取滑體在樁芯混凝土壓力作用下達到的靜力平衡狀態(tài)建立力學(xué)模型，并對樁與滑體接觸面進行平面簡化，將混凝土壓力均勻作用在滑體端頭的豎向投影面上，同時為安全考慮，忽略相鄰樁護壁對滑體提供的抗力，由滑體頂面、底面及兩側(cè)面的剪力抵抗混凝土側(cè)壓力?；w所受滑動力、四面剪力如圖3所示。

圖3 滑體受力簡圖

1)混凝土壓力

按前述分析，樁芯混凝土澆筑到一定高度后產(chǎn)生的側(cè)壓力因混凝土澆筑速度和初凝原因，混凝土側(cè)壓力在深度方向隨著深度線性增大至一定值后將趨于恒定，其值可按式(1)計算，則有：

Pc=γchcΔhd

(11)

式中：Δh為滑體高度(m)；d為樁徑(m)。

2)滑體抗剪力

滑體抗剪力分別由底面、頂面和2個側(cè)面分別提供。其中，頂面和底面抗剪力按下式計算：

(12)

式中：Qt，Qb分別為滑體頂面和底面抗剪力(kN)；τt，τb分別為滑體頂面和底面抗剪強度(kPa)；SADHE，SBCGF分別為滑體頂面和底面面積(m2)；s為樁間凈距(m)。

滑體側(cè)面抗剪力按下式計算：

(13)

式中：Qs1，Qs2分別為滑體兩側(cè)面抗剪力(kN)；SABFE，SDCGH分別為滑體兩側(cè)面面積(m2)；τsm為滑體側(cè)面中點處抗剪強度(kPa)。

滑體抗剪強度由作用在滑移面上的正應(yīng)力提供，其值可按莫爾-庫侖定律計算：

τ=etanφ+c

(14)

式中：τ為滑體滑移面處的抗剪強度(kPa)；e為作用在滑移面上的正應(yīng)力(kPa)。

針對滑體頂面和底面，正應(yīng)力即為該深度處土體自重應(yīng)力：

(15)

式中：et,p為滑體頂面和底面自重應(yīng)力(kPa)。

針對滑體側(cè)面，正應(yīng)力即為滑移面中點處靜止土壓力，可由式(4)計算。

2.2.2滑體安全判別

當滑體頂面、底面以及兩側(cè)面抗剪力合力不小于樁芯混凝土產(chǎn)生的側(cè)壓力時，可認為樁間土體不存在滑移風險：

Pc≤Qt+Qb+Qs1+Qs2

(16)

3 分析結(jié)果與建議

3.1 安全性分析結(jié)果

3.1.1護壁安全分析

為防止基底浸水軟化，影響樁基承載力，開州湖特大橋4號主塔樁基在樁孔開挖完成后即進行樁芯混凝土澆筑作業(yè)。因樁孔深度較大，混凝土采用導(dǎo)管進行澆筑，澆筑速度控制在5m/h以內(nèi)，混凝土初凝時間經(jīng)試驗為8h，混凝土重度取25kN/m3，各巖土層物理力學(xué)參數(shù)按表1取值，按式(1)與式(4)分別計算護壁內(nèi)側(cè)樁芯混凝土壓力及外側(cè)土壓力，計算結(jié)果繪制成曲線，如圖4所示。

圖4 護壁內(nèi)外壓力

由圖4可知，在深度方向，混凝土側(cè)壓力先是隨孔深線性遞增，至40m處，混凝土側(cè)壓力達最大值1 000kPa，后至孔底均維持該值；土壓力隨深度增大而增加，最大值為711kPa。護壁內(nèi)側(cè)混凝土側(cè)壓力與外側(cè)土壓力最大差值位于深度40m處，此時內(nèi)側(cè)混凝土側(cè)壓力pc為1 000kPa，外側(cè)土壓力p0為449kPa。取該深度處1節(jié)護壁(l=1m)進行分析，按式(8)、式(9)計算該節(jié)護壁內(nèi)、外側(cè)豎向合力，得：Pc=1 000kN/m，P0=449kN/m。

按式(7)計算單節(jié)護壁內(nèi)力，即T=1.25×1 000-1.45×449=598.9kN。

人工挖孔護壁采用鋼筋混凝土，厚20cm，強度等級與樁身相同，拌合站集中拌合，密實早強，護壁配筋為：豎向主筋采用φ12鋼筋，間距25cm均勻布置，圓形箍筋φ16鋼筋，間距20cm，鋼筋均為HPB300級。主筋制作成彎鉤并上下勾連形成整體(見圖5)。

圖5 護壁配筋設(shè)計

單節(jié)1m護壁水平向設(shè)置6道環(huán)向鋼筋，鋼筋總截面面積As為1 205.8mm2，鋼筋抗拉強度設(shè)計值fy取270N/mm2，按式(10)，則有：T=598.9kN>270×1 205.8/1 000=325.6kN。

因此，護壁在樁芯混凝土澆筑過程中，護壁環(huán)向拉力大于環(huán)向鋼筋的屈服拉力，護壁處于不安全狀態(tài)。

3.1.2樁間土安全性分析

樁間土體在樁孔護壁破壞后以抗剪力抵抗來自樁芯混凝土的壓力。為使計算簡便，分別取位于每一巖土層頂面、底面且高度為1m的2個滑體進行計算分析，即滑體高度Δh為1m，寬度d為2.5m，長度s為3.4m，各巖土層物理力學(xué)參數(shù)按表1取值，按式(11)～式(13)計算各滑體滑動力Pc與滑體4個面的抗剪力Q，并根據(jù)兩者大小進行樁間土體安全性判定。計算結(jié)果如表2所示。

表2 樁間巖土層穩(wěn)定性分析結(jié)果 kN

由表2所示可知，樁芯混凝土澆筑產(chǎn)生的壓力受澆筑速度和混凝土初凝時間影響，在深度方向，壓力值隨深度線性增大至2 500kN后趨于不再增加；各巖土層抗剪力受各自物理力學(xué)產(chǎn)生的影響，抗剪力并非一遞增值，但各巖土層頂、底面抗剪力均大于樁芯混凝土產(chǎn)生的側(cè)壓力，表明即使在護壁破壞情況下，僅依靠樁間巖土體也可確保樁芯混凝土澆筑安全，不會發(fā)生竄孔事故。將表2計算結(jié)果繪制成折線圖(見圖6)，由圖可知混凝土側(cè)壓力折線始終位于各巖土層抗剪合力包絡(luò)線內(nèi)，樁間土穩(wěn)定、安全。

圖6 滑體滑動力與抗力

3.2 施工安全建議

1)控制混凝土灌注速度和初凝時間 樁芯混凝土澆筑速度過大或初凝時間過長，將使混凝土有效壓頭高度增大，并最終導(dǎo)致混凝土側(cè)壓力過大，護壁和樁間土體在巨大的混凝土側(cè)壓力下易發(fā)生破壞和失穩(wěn)風險，造成竄孔等事故。

2)加強護壁配筋 在超深群樁基礎(chǔ)采用人工挖孔樁施工時，護壁必須采用鋼筋混凝土，護壁配筋與厚度計算不僅需考慮挖孔階段在土壓力作用下的安全性，也要考慮在灌注樁芯混凝土階段在混凝土壓力作用下的安全性。同時，要嚴格控制護壁施工質(zhì)量，做好節(jié)段間連接。

3)做好樁間土體保護 樁孔開挖階段，要尤其注意研究爆破作業(yè)對樁周土體影響，采取減小藥量及分段爆破等措施，減小振動波速；同時，加強孔口地面排水和孔口遮擋，防止地面水流、雨水流入樁孔浸泡土體，避免樁間土體在爆破和水作用下出現(xiàn)松散、軟化。此外，開挖施工中需注意檢查孔壁是否存在局部軟弱或貫穿空洞等，若存在需進行處理。

4)間隔交錯施工 在工期允許時，橋梁超深群樁基礎(chǔ)需間隔交錯施工，以增加樁間土體厚度，提高樁間滑體抗剪面積，提高抗剪力；在進行穩(wěn)定性分析時，若樁間土體厚度不足，則需加大護壁厚度、增加護壁配筋，確保僅依靠護壁即能保障混凝土施工安全。

4 結(jié)語

本文在對目前國內(nèi)山區(qū)高速公路項目高墩與高塔超深群樁基礎(chǔ)采用人工挖孔樁工藝施工時，在樁芯混凝土灌注階段存在的問題與困難進行簡要分析的基礎(chǔ)上，以開州湖特大橋4號主塔超深群樁基礎(chǔ)為例，分析了該類工程在安全控制上的重點與難點，并針對保障樁芯混凝土施工安全的護壁安全性和樁間土體穩(wěn)定性理論分析方法進行系統(tǒng)介紹，并在4號主塔群樁基礎(chǔ)混凝土灌注施工安全分析中進行了具體應(yīng)用，得出護壁在樁芯混凝土壓力作用下將出現(xiàn)破壞但僅依靠樁間土體仍可保障施工安全的結(jié)論，可為工程安全施工提供理論支持。