平潭海峽公鐵大橋鉆孔樁漏漿機(jī)理研究

范發(fā)財(cái)

(中國(guó)鐵建大橋工程局集團(tuán)有限公司 天津 300308)

1 工程概況

平潭海峽公鐵大橋平潭段位于福建省平潭縣，全長(zhǎng)5.28 km(跨北東口水道部分長(zhǎng)3.7 km)，其中淺水區(qū)部分1.49 km、深水區(qū)部分2.222 km，公鐵主跨為92 m+2×168 m+92 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋；引橋上層公路部分為連續(xù)箱梁，下層鐵路部分為簡(jiǎn)支梁。基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁，樁徑有4種，分別為φ2.0 m、φ2.5 m、φ2.8 m、φ3.0 m，樁長(zhǎng)12～90 m，嵌固深度5.2～15 m。以B41號(hào)墩為代表的深水區(qū)鉆孔灌注樁，施工時(shí)最大水深42 m，最大潮差為7.0 m，最大浪高達(dá)6.3 m，最大流速3.09 m/s；同時(shí)海床面起伏較大，單墩最大高差11 m，單樁最大高差2.8 m，并分布有0～5 m厚度不等的粉砂、粉質(zhì)黏土覆蓋層，部分區(qū)域含有大塊孤石，其下為強(qiáng)度、硬度較高的凝灰?guī)r及花崗巖基巖，抗壓強(qiáng)度f(wàn)cu＝180 MPa。

該工程橋址區(qū)域地質(zhì)、水文條件復(fù)雜惡劣，考慮施工技術(shù)及設(shè)計(jì)要求，并參考已有工程[1-2]，樁基施工時(shí)采用海上鉆孔平臺(tái)，沖擊鉆反循環(huán)法成孔，利用相鄰鋼護(hù)筒作為泥漿池。由于橋址深水區(qū)海床面傾斜度大、覆蓋層厚度不均、高強(qiáng)度孤石(多為凝灰?guī)r)較多，導(dǎo)致鋼護(hù)筒難以插入巖層內(nèi)；同時(shí)，該海域最大潮差達(dá)7 m，鋼護(hù)筒內(nèi)泥漿壓力與外部水壓力、土壓力平衡控制難，導(dǎo)致施工時(shí)易出現(xiàn)泥漿滲漏現(xiàn)象，影響施工進(jìn)度及效率，并對(duì)周?chē)Ｓ颦h(huán)境造成污染。本文以最具代表性的B41號(hào)墩為例，從理論分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)現(xiàn)象綜合分析鉆孔樁施工過(guò)程中的漏漿機(jī)理，并根據(jù)該機(jī)理提出相應(yīng)處理措施，為類(lèi)似工程問(wèn)題提供處理依據(jù)。

2 漏漿現(xiàn)象

鉆孔灌注樁施工時(shí)，該工程深水區(qū)內(nèi)鋼護(hù)筒內(nèi)部泥漿壓力與外部水壓力較難保持平衡，出現(xiàn)較為嚴(yán)重的漏漿現(xiàn)象。主跨B41號(hào)墩區(qū)域覆蓋層厚度約5 m，且含有大量孤石及塊石土，其地質(zhì)情況見(jiàn)圖1。施工時(shí)，鋼護(hù)筒遇到孤石及塊石土后無(wú)法繼續(xù)打入，導(dǎo)致其埋入深度較?。煌瑫r(shí)，鋼護(hù)筒和傾斜巖面接觸處存在較大的縫隙，出現(xiàn)漏漿且漿面下降較快(約50 cm/min)的現(xiàn)象；在鉆至孤石下方砂土層后，由于鋼護(hù)筒內(nèi)水壓力較大，導(dǎo)致下方砂土層發(fā)生漏漿，漏漿速度較為緩慢(約30 cm/min)。

圖1 B41號(hào)墩地質(zhì)情況

以B41號(hào)墩為代表，該工程出現(xiàn)的漏漿現(xiàn)象有以下特點(diǎn):(1)施工中突然出現(xiàn)漏漿，鋼護(hù)筒內(nèi)泥漿液面下降速度較快，達(dá)到40～60 cm/min；(2)鋼護(hù)筒內(nèi)部泥漿下降4～6 m后，泥漿液面保持穩(wěn)定；(3)泥漿從海床面滲漏而出；(4)堵漏處理后漏漿即停止，若繼續(xù)鉆進(jìn)一定深度后可能在其他位置再次出現(xiàn)漏漿。

3 漏漿機(jī)理分析

3.1 鋼護(hù)筒埋置深度計(jì)算

漏漿現(xiàn)象本質(zhì)上為土顆粒所受內(nèi)部泥漿壓力大于外部水壓力及土壓力時(shí)的滲流問(wèn)題[3]。確定鋼護(hù)筒理論埋置深度計(jì)算模型時(shí)，由于海底覆蓋層土體處于飽和狀態(tài)，假設(shè)土內(nèi)孔隙完全由水填充，并將滲流過(guò)程簡(jiǎn)化為3個(gè)階段:(1)高潮位時(shí)未出現(xiàn)泥漿滲流現(xiàn)象，假設(shè)鋼護(hù)筒埋置深度范圍內(nèi)均未有泥漿滲透(見(jiàn)圖2a)；(2)低潮位時(shí)，泥漿恰好滲透至海床面，但未進(jìn)入海水(見(jiàn)圖2b)，此時(shí)鋼護(hù)筒內(nèi)泥漿液面尚未發(fā)生變化，由于孔隙較小，故在泥漿向覆蓋層滲透過(guò)程中存在摩擦及粘滯阻力等作用；(3)低潮位時(shí)，當(dāng)泥漿滲透至海面，其液面下降至某一穩(wěn)定高度后(見(jiàn)圖2c)，忽略泥漿滲流速度的影響，由此損失的壓力差完全平衡其滲透過(guò)程中孔隙內(nèi)的阻力作用，由此得到鋼護(hù)筒埋置深度L計(jì)算公式[4]:

圖2 鉆孔灌注樁泥漿滲透示意

式中:γm為泥漿重度，取13 kN/m3；γw為海水重度，取10 kN/m3；ΔH為潮差，該工程為7 m；Δh為泥漿下降高度，該工程取4～6 m。

發(fā)生漏漿時(shí)測(cè)得鋼護(hù)筒內(nèi)漿面下降高度Δh＝4 m時(shí)，由式(1)得到鋼護(hù)筒埋置深度L＝6 m。B41號(hào)墩部分鋼護(hù)筒實(shí)際埋置深度見(jiàn)表1?？梢钥闯觯摱珍撟o(hù)筒的實(shí)際埋置深度均小于或等于理論計(jì)算值(6 m)，由此導(dǎo)致內(nèi)部泥漿壓力超過(guò)外部水壓力及土壓力，故施工時(shí)出現(xiàn)較為嚴(yán)重的漏漿現(xiàn)象。

表1 B41號(hào)墩1～4號(hào)鋼護(hù)筒埋置深度

3.2 滲流場(chǎng)數(shù)值模擬

計(jì)算鋼護(hù)筒埋置深度時(shí)隱含土層均勻性、一致性、各向同性等假定，實(shí)際上B41號(hào)墩區(qū)域土層分布不均勻且存在較大孤石，會(huì)影響埋置深度計(jì)算結(jié)果的精度。為進(jìn)一步揭示其漏漿機(jī)理，采用流體分析軟件Comsol Multiphysics建立滲流場(chǎng)分析模型，計(jì)算該區(qū)域海床內(nèi)孔隙水壓及水力坡降。

針對(duì)漏漿嚴(yán)重的B41號(hào)墩1～4號(hào)鋼護(hù)筒區(qū)域，采用平面滲流理論分析[5-6]，基于達(dá)西定律，同一土層位置水頭H滿(mǎn)足Laplace方程，不同土層滲透系數(shù)滿(mǎn)足連續(xù)性方程。

Laplace方程:

連續(xù)性方程:

式中:k1、k2為相鄰?fù)翆拥臐B透系數(shù)；α1、α2為流線(xiàn)與相鄰?fù)翆臃ň€(xiàn)的夾角；H為位置水頭；x、y分別為水平及豎直方向坐標(biāo)。

滲流場(chǎng)模型寬度取60 m，高度取17 m(底部不透水邊界至海床表面)，單元最大尺寸0.91 m，單元最小尺寸0.133 m。海床面設(shè)為自由排水邊界，壓力水頭H0＝0 m；兩側(cè)邊界為非排水邊界并約束水平方向位移；底部邊界為非排水邊界并約束豎直方向的位移；地基中的孤石和鋼護(hù)筒壁簡(jiǎn)化為非排水邊界條件；鋼護(hù)筒底部土層表面簡(jiǎn)化為自由排水邊界，為考慮潮汐作用產(chǎn)生的水頭差，在該表面上施加壓力水頭H＝4sin+6，即最大水頭Hmax＝10 m，最小水頭Hmin＝2 m。B41號(hào)橋墩區(qū)域內(nèi)土層分布見(jiàn)表2。

表2 B41號(hào)橋墩區(qū)域內(nèi)土層分布及參數(shù)

高潮位及低潮位時(shí)海床內(nèi)的孔隙水壓(以壓力水頭H表示)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3。由圖3可知，潮差作用導(dǎo)致鋼護(hù)筒內(nèi)外壓力差發(fā)生變化，低潮位時(shí)壓力差明顯大于高潮位，從而易發(fā)生漏漿。高潮位時(shí)，鋼護(hù)筒內(nèi)外水頭差最小，海床孔隙水壓較小，滲流速度較慢；低潮位時(shí)，鋼護(hù)筒內(nèi)外水頭差最大，海床孔隙水壓較大，滲流速度較快。此外，由于地基土層分布不均勻并存在孤石，對(duì)海床內(nèi)滲流場(chǎng)分布產(chǎn)生影響，泥漿滲流方向在土層交界處以及孤石邊界處發(fā)生偏轉(zhuǎn)；在接近海床地基表面時(shí)，滲透方向變?yōu)樨Q直向上。

圖3 高潮位和低潮位時(shí)海床孔隙水壓計(jì)算結(jié)果

海床內(nèi)不同位置處水力坡降計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4。由圖4可知，鋼護(hù)筒底部及孤石附近水力坡降較大，由此導(dǎo)致的滲透力較大，是發(fā)生泥漿滲流的主要原因。參考陸高明等提出的臨界水力坡降icr計(jì)算公式[7]，經(jīng)計(jì)算可知，該工程icr＝0.57。海床水力坡降計(jì)算結(jié)果與圖1中實(shí)際漏漿位置對(duì)比，可知該處水力坡降計(jì)算結(jié)果均大于臨界值，說(shuō)明本文建立的滲流場(chǎng)分析模型正確。

圖4 海床水力坡降計(jì)算結(jié)果

4 漏漿處理措施

該工程B41號(hào)墩區(qū)域漏漿現(xiàn)象出現(xiàn)在兩個(gè)位置:(1)鋼護(hù)筒與孤石接觸處；(2)存在孤石分布滲透性較強(qiáng)的塊石土層。針對(duì)該工程特點(diǎn)，并參考已有經(jīng)驗(yàn)[8-9]，選用回填片石及黏土處理漏漿問(wèn)題，即在漏漿位置采用夯實(shí)的碎石及黏土，形成具有一定抗剪強(qiáng)度且滲透較低的人工護(hù)壁，回填片石及黏土方案見(jiàn)圖5。

圖5 回填片石及黏土方案示意

對(duì)于鋼護(hù)筒底部遇有孤石而埋深不足(圖1中漏漿位置1)的漏漿位置，每次采用30 m3片石、15 m3黏土及15 t水泥進(jìn)行換填，分3次進(jìn)行，換填高度距離漏漿位置5 m[10]；對(duì)于孤石下方塊石土層孔隙率大而透水能力較強(qiáng)(圖2中漏漿位置2)的漏漿位置，每次采用10 m3片石、10 m3黏土進(jìn)行換填，換填2次，換填高度距離漏漿位置1.5 m[11-12]。實(shí)際采用此方案后，漏漿現(xiàn)象明顯減弱，低潮位時(shí)已無(wú)漏漿痕跡。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)平潭海峽公鐵大橋鉆孔灌注樁施工時(shí)鋼護(hù)筒發(fā)生的漏漿問(wèn)題進(jìn)行理論分析，并考慮土層不均勻性和孤石影響對(duì)滲流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，最后參考類(lèi)似工程的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)提出處理措施，主要結(jié)論如下:

(1)結(jié)合工程特點(diǎn)對(duì)漏漿現(xiàn)象進(jìn)行理論分析，采用基于鋼護(hù)筒內(nèi)外壓力平衡原理得到的鋼護(hù)筒埋置深度計(jì)算公式，計(jì)算本工程鋼護(hù)筒的最小埋置深度。計(jì)算結(jié)果表明，鋼護(hù)筒埋置深度不足是漏漿的主要原因。

(2)針對(duì)該工程土層不均勻及埋有大量孤石等地質(zhì)條件，采用流體分析軟件Comsol Multiphysics對(duì)B41號(hào)墩區(qū)域內(nèi)滲流場(chǎng)進(jìn)行分析，簡(jiǎn)化邊界條件并考慮潮差作用，得到了相應(yīng)的孔隙水壓及滲流場(chǎng)分布情況，數(shù)值結(jié)果與實(shí)際情況吻合較好。

(3)參考已有工程處理經(jīng)驗(yàn)，選擇回填片石及黏土方案對(duì)漏漿位置進(jìn)行處理，實(shí)施后堵漏效果較為理想。