巖溶地區(qū)鉆孔灌注樁施工技術(shù)研究

趙春生

(中鐵十六局集團路橋工程有限公司，北京 101500)

1 引 言

巖溶是一種廣泛存在的不良地質(zhì)，地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，溶洞內(nèi)可能存在軟、流塑填充或者無填充等，給路橋樁基工程施工帶來較大危害。樁基在巖溶區(qū)域施工時有很多不可預(yù)見因素，如果施工措施選擇不合理會導(dǎo)致掉鉆、卡鉆、斷樁、地面塌陷等病害，嚴(yán)重的還會危機現(xiàn)場施工技術(shù)人員的生命安全。如何降低巖溶危害、確保樁基的安全施工已經(jīng)成武亟待解決的難題。鑒于此，國內(nèi)外很多學(xué)者和工程師對巖溶的發(fā)育特點及其對樁基施工的影響開展了許多研究，如向成恩[1]總結(jié)了巖溶地質(zhì)在國內(nèi)的分布情況及發(fā)育特點，分析了橋梁鉆孔灌注樁施工注意事項；張斌等[2]以陽寶山特大橋為研究對象，對灌注樁在巖溶地區(qū)施工可能遇到的問題提出了合理的解決方案。但是尚未形成統(tǒng)一的理論和規(guī)范來指導(dǎo)巖溶區(qū)的樁基施工，因此很有必要進一步研究巖溶地區(qū)鉆孔灌注樁施工技術(shù)。

2 巖溶地區(qū)灌注樁受力機理分析

相關(guān)研究表明，巖溶地區(qū)的鉆孔灌注樁受力特性屬摩擦端承樁，主要由樁端阻力來承擔(dān)上部荷載，必須對基樁持力頂板穩(wěn)定性進行驗算，避免溶洞頂板因基樁沉降過大而開裂。如果樁長大于溶洞埋深，基樁直接穿越溶洞即可，無需分析溶洞頂板穩(wěn)定性[4]。

2.1 溶洞頂板厚度計算

(1)溶洞塌落確定頂板厚度

當(dāng)樁基持力頂板為薄層、裂隙發(fā)育、易風(fēng)化軟弱巖層，且頂板坍塌可能性較大，坍塌后填充物會填滿溶洞時，塌落高度H可按公式(1)計算

(1)

式中：K為巖石松散系數(shù)，無量綱，K>1；H0為溶洞最大高度，m。

為了確?；鶚妒┕さ陌踩?，溶洞頂板厚度應(yīng)大于其塌落厚度H。

(2)溶洞抗彎強度確定頂板厚度

根據(jù)溶洞頂板的形態(tài)、厚度及裂隙分布特征，可將頂板簡化成懸臂梁(頂板跨中有裂隙，兩端支座處巖層堅固完整)、簡支梁(頂板完整，裂隙位于某一側(cè)支座處)等進行抗彎計算，頂板厚度H計算見公式(2)～(4)。

懸臂梁彎矩：M=0.5PL2

(2)

簡支梁彎矩：M=0.125PL2

(3)

(4)

式中：M為梁板彎矩，kN·m；P為頂板所受荷載，kN；L為溶洞寬度，m；b為計算梁板寬度，m；σ為巖體抗彎強度，MPa，可取單軸飽和抗壓強度的1/8。

(3)溶洞抗沖切強度確定頂板厚度

對于完整性好、強度高的頂板圍巖，在樁基應(yīng)力作用下一般呈脆性破壞，可按靜力平衡條件和錐體沖切理論進行驗算，見公式(5)

KP≥0.75Rtπ(d+H)H

(5)

式中：K為抗沖切安全系數(shù)，可取3；Rt為巖體極限抗拉強度，可取1 000 kPa；d為基樁樁徑，m。

2.2 灌注樁樁徑對頂板厚度影響

在相同荷載作用下，樁基直徑不同，保持穩(wěn)定所需要的頂板厚度也不同。本文利用抗沖切公式，驗算了不同樁徑下(0.8 m、1 m、1.2 m、1.5 m)的溶洞頂板臨界厚度變化規(guī)律，見圖1。

圖1 樁基直徑對溶洞頂板厚度的影響

由圖1可知：隨著外界荷載的提高，不同直徑基樁保持施工安全所需的溶洞頂板臨界厚度均有明顯增加，但頂板厚度增長速率逐漸變換。以直徑1.2 m的基樁為例，外界荷載從1 000 kN增長至6 000 kN，每級荷載下頂板厚度的增長幅度分別為140%、61%、35%、22%、13%。而在相同荷載作用下，隨著基樁直徑的增加，溶洞頂板厚度逐漸降低，這主要是因為[5]：基樁直徑越大，樁底受力面積越大，從樁頂傳遞至溶洞頂板的分布應(yīng)力越小，頂板的變形也越小，保持樁基施工穩(wěn)定所需的臨界厚度越小。

3 巖溶區(qū)鉆孔灌注樁施工實例分析

3.1 工程概況及施工難點分析

(1)工程概況

本文以貴陽樞紐鐵路項目雨露莊雙線特大橋樁基為研究對象，分析巖溶區(qū)樁基的施工要點及施工質(zhì)量檢驗。該橋梁所處區(qū)域覆蓋層較厚，厚度約4.5～8 m，由黏土、碎石質(zhì)黏土等組成；橋區(qū)巖溶中等至強烈發(fā)育，基巖為三疊系灰?guī)r，巖溶較發(fā)育，以溶槽、漏斗、小溶洞為主，且連通性好?？睖y區(qū)地下水豐富，并含少量第四系上層滯水、基層裂隙水及巖溶水，但不用考慮地下水對樁身混凝土的腐蝕性。

試驗選擇的工程樁編號為22#，采用鉆孔灌注法施工，設(shè)計樁徑1.2 m，樁長30 m，設(shè)計承載力4 700 kN，基樁穿越溶洞頂板，樁身采用C25混凝土和Φ20螺紋鋼筋。根據(jù)樁位處鉆孔勘探資料及工程地質(zhì)手冊，各層巖土體的力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。

(2)樁基施工難點分析

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，樁基施工有三大困難需解決：第一，巖溶發(fā)育強烈，溶洞未完全填充，且充填物以軟塑黏土為主，溶洞頂板穩(wěn)定性差，成樁期間溶洞可能坍塌；第二，地下水在土洞以下，抽取地下水可能導(dǎo)致地面塌陷；第三，樁基較長，鉆進、清渣、換漿難度大，易出現(xiàn)卡鉆、鉆孔偏斜等問題。

表1 不同地層力學(xué)指標(biāo)

3.2 鉆孔灌注樁施工要點分析

(1)鉆孔

試驗樁用Φ1.2鉆頭的沖擊鉆正循環(huán)法施工，泥漿護壁，空壓機清孔至設(shè)計文件所要求的樁底沉渣厚度，隨后放入鋼筋籠，通過垂直導(dǎo)管法灌注混凝土。為了避免樁基鉆孔偏位或破壞護筒，開孔時沖擊鉆應(yīng)以較小沖程施工。當(dāng)樁基孔位基本定型后，再增大沖擊鉆沖程。同時，鉆孔期間孔內(nèi)水位不得下降過快，以免孔內(nèi)外水壓偏差過大引起塌孔。

(2)溶洞頂板鉆進

溶洞頂板破損：在沖擊鉆鉆頭接近溶洞頂板時，可應(yīng)用0.8～1.2 m的沖程將頂板擊穿。溶洞較小可用片石、黏土充填后再反復(fù)沖擊，直至頂板破除；溶洞過大，可直接改用大錘低沖程穿越頂板。

漏漿處理：如果鉆孔至溶洞頂板上0.3～0.5 m出現(xiàn)漏漿現(xiàn)象，應(yīng)適當(dāng)降低沖擊鉆沖程，提高泥漿比重，拋填片石、黏土進行堵漏。

溶洞內(nèi)鉆進：當(dāng)鉆孔速度明顯加快，無偏孔現(xiàn)象，表明鉆頭已進入溶洞。在溶洞內(nèi)升降鉆頭要慢一些，不得過快過猛，以免擾動或破壞片石形成的臨時護壁。

(3)灌注水下混凝土

灌注水下混凝土前需嚴(yán)格檢查鉆孔孔底的沉渣厚度、泥漿性能等，經(jīng)監(jiān)理工程師確認(rèn)合格后方能澆筑。同時，為了應(yīng)對溶洞漏漿問題，混凝土應(yīng)準(zhǔn)備足夠的儲存量[6]，儲存量V計算見式(6)

(6)

式中：d1為鉆孔直徑，m；d2為導(dǎo)管內(nèi)徑，m；H2為導(dǎo)管內(nèi)外混凝土高差，m；t1、t2為分別為灌注前后孔底沉渣厚度，m。

灌注混凝土的速度不宜過快，以免導(dǎo)管內(nèi)產(chǎn)生高壓氣囊，使得樁身混凝土出現(xiàn)疏松、蜂窩等病害。同時，技術(shù)人員要隨時記錄混凝土澆筑液面的高度，嚴(yán)格控制導(dǎo)管埋入深度。如果導(dǎo)管埋深過大，應(yīng)充分振搗混凝土，避免其液面降低形成長短樁。

3.3 鉆孔灌注樁成樁質(zhì)量檢驗

巖溶地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，樁基施工質(zhì)量影響因素眾多。在鉆孔灌注完成之后，需加強對樁身質(zhì)量的檢測。傳統(tǒng)的樁基承載力檢測是采用靜載試驗法，試驗周期長，成本高。隨著有限元理論的成熟和計算機技術(shù)的提升，越來越多的項目開始應(yīng)用有限元軟件模擬樁基施工過程。本文利用有限元軟件Midas/GTS建立樁土模型，模擬巖溶區(qū)鉆孔灌注樁施工工序，并計算出樁基承載力，以此評價成樁質(zhì)量。

(1)樁-土模型建立

為了提高計算效率，在建立模型之前應(yīng)對巖溶區(qū)樁基的受力狀態(tài)適當(dāng)簡化，即假定基樁為變形協(xié)調(diào)的線彈性材料，不發(fā)生塑形變形。隨后利用Midas/GTS軟件中內(nèi)置的pile單元模擬樁基，solid單元模擬土體，interface單元模擬樁土接觸面，模型共劃分出2 866個節(jié)點，2 278個單元，如圖2所示。

圖2 樁-土計算模型示意

模型的初始應(yīng)力只考慮土體的有效自重應(yīng)力，自重應(yīng)力加速度取-10 m/s2。

模型的底面采用固定約束，x/y/z三個方面均不發(fā)生任何位移；在模型前后兩側(cè)施加Y方向約束，模型左右兩側(cè)施加X方向約束，以限制土體的側(cè)向變形；模型頂面處設(shè)置為自由邊界，變形不受任何約束。

(2)樁基承載力計算

樁-土模型建立后，通過分級加載模擬單樁靜荷載試驗。1#樁基的最大加載量=2×設(shè)計荷載=9 400 kN，分9級進行加載，分級荷載為最大加載量的1/10(940 kN)，第1級荷載=2×分級荷載=1 880 kN。利用Midas/GTS導(dǎo)出了不同加載階段的位移如圖3所示。

圖3 不同加載階段的樁基沉降

由圖3可知：隨著樁頂施加荷載的提高，1#基樁沉降逐漸增大，但變化速率并不是恒定的。同時，Q-s曲線較平緩，無明顯的陡降段。

荷載Q從0增加至9 400 kN，基樁總沉降量僅為3.1 mm，沉降變形較小，樁側(cè)摩阻力基本沒有發(fā)揮。根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94-2008)，1#樁基的極限承載力可取9 400 kN，符合設(shè)計文件要求。

4 結(jié) 論

本文分析了巖溶對樁基施工的影響、鉆孔灌注樁的受力機理，并結(jié)合貴陽樞紐鐵路某特大橋項目，分析了巖溶區(qū)樁基施工要點、單樁靜載試驗數(shù)值模擬方法等，主要得出以下結(jié)論：(1)巖溶區(qū)樁基施工前，需明確樁基下臥溶洞的特點，并考慮巖溶水、溶洞連通性、溶洞填充物等因素的影響；(2)巖溶區(qū)鉆孔灌注樁是利用樁端阻力來承擔(dān)上部荷載，可通過溶洞塌落厚度、頂板抗彎強度和抗沖切強度等方法對施工安全性進行驗算；(3)樁基施工的沖擊鉆接近溶洞頂板時，可提高沖程擊穿頂板，但是鉆頭進入溶洞后，沖程不宜過快；(4)巖溶區(qū)樁基的單樁靜載試驗可通過數(shù)值軟件分級模擬，但應(yīng)注意邊界條件、單元網(wǎng)格劃分等參數(shù)的標(biāo)定。