破碎巖層鉆孔灌注樁小導(dǎo)管預(yù)注漿加固方案分析

■謝仁遷

（三明市路橋集團(tuán)昌盛公路工程有限公司，三明 365001）

工程中遭遇不良地質(zhì)特別是破碎帶等，會(huì)極大地影響施工的進(jìn)度，嚴(yán)重時(shí)將造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失[1]。破碎巖層是一種常見(jiàn)的不良地質(zhì)，由于其強(qiáng)度較低、變形較大的特點(diǎn)，往往是施工中最受關(guān)注的區(qū)域[2]；通常工程中會(huì)采用注漿加固[3]、錨桿[4]等手段進(jìn)行處置，其目的是為了提高巖體的整體性和穩(wěn)定性，確保在后續(xù)施工中不產(chǎn)生大變形、漏漿等不良現(xiàn)象[5-6]。對(duì)此已有諸多學(xué)者進(jìn)行了研究[7-9]。其中，小導(dǎo)管預(yù)注漿加固由于其較好的支護(hù)效益被工程人員所青睞[9-11]，但該方法常用于隧道工程中，對(duì)于破碎巖層中的鉆孔灌注樁施工的加固方案研究較少。采用泥漿護(hù)壁鉆孔灌注樁進(jìn)行成孔作業(yè)易造成漏漿、塌孔等一系列問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)會(huì)阻礙后續(xù)施工的進(jìn)行，同時(shí)較難把握施工質(zhì)量。因此有必要對(duì)破碎巖層段鉆孔灌注樁小導(dǎo)管預(yù)注漿加固處理方案開(kāi)展研究。本文基于某橋梁工程，建立小導(dǎo)管預(yù)注漿加固三維數(shù)值模型，通過(guò)與現(xiàn)場(chǎng)預(yù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證模型的合理性；并考慮不同小導(dǎo)管間距，對(duì)比不同方案的加固效果，最終得到最優(yōu)方案，以期為日后類似工程提供思路。

1 工程概況

根據(jù)詳勘發(fā)現(xiàn)，擬建場(chǎng)地不良地層主要為：中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖（破碎）、中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖（破碎）、中風(fēng)化泥巖（破碎）、中微風(fēng)化泥巖（破碎），如圖1所示。

圖1 地勘芯樣

該項(xiàng)目采用泥漿護(hù)壁鉆孔灌注樁進(jìn)行成孔作業(yè)，當(dāng)樁基鉆進(jìn)至中風(fēng)化泥巖（破碎）、中微風(fēng)化泥巖（破碎）、中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖（破碎）等破碎帶地層，普遍出現(xiàn)了塌孔問(wèn)題，并存在嚴(yán)重灌注砼超方；其中某些樁基施工過(guò)程中，出現(xiàn)大范圍持續(xù)塌孔，導(dǎo)致鋼護(hù)筒掉入孔內(nèi)無(wú)法取出，嚴(yán)重影響樁基施工安全問(wèn)題，如圖2 所示。針對(duì)上述問(wèn)題提出小導(dǎo)管預(yù)注漿加固的處理方案。

圖2 樁基施工過(guò)程塌孔掉鉆示意圖

2 小導(dǎo)管預(yù)注漿加固處理效果分析

2.1 數(shù)值模型建立

為探究“小導(dǎo)管預(yù)注漿加固法”加固效果，選取現(xiàn)場(chǎng)處于中風(fēng)化泥巖（破碎）、中微風(fēng)化泥巖（破碎）地層，破碎地層厚度33.5 m 的樁基作為“小導(dǎo)管預(yù)注漿加固法”的模擬對(duì)象，其設(shè)計(jì)樁徑和樁長(zhǎng)分別為1.8 m 和48 m。對(duì)此擬采取樁身范圍外小導(dǎo)管注漿進(jìn)行預(yù)加固，單孔布設(shè)32 根小導(dǎo)管（長(zhǎng)度0.4 m、雙層?48 mm、間距0.5 m），小導(dǎo)管鉆孔深度穿越破碎層厚3 m，共計(jì)鉆孔7755 m，小導(dǎo)管布置如圖3所示。

圖3 雙層小導(dǎo)管布設(shè)及加固范圍示意圖

針對(duì)上述試驗(yàn)樁建立三維數(shù)值模型，同時(shí)根據(jù)其所在地質(zhì)情況及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行簡(jiǎn)化并建模，對(duì)比加固前后孔壁徑向位移，各地層分布及相關(guān)參數(shù)如表1 所示。其數(shù)值模型如圖4 所示。

表1 土體分布及參數(shù)設(shè)置

圖4 模型示意圖

2.2 無(wú)加固措施成孔數(shù)值模擬

對(duì)無(wú)加固措施的鉆孔施工進(jìn)行模擬，模擬時(shí)首先對(duì)模型進(jìn)行地應(yīng)力平衡，隨后進(jìn)行鉆孔工況。由于豎向位移分量較小可忽略不計(jì)，因此以最大位移近似代替徑向位移。計(jì)算結(jié)果表明，在無(wú)加固措施的情況下，成孔后中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖（破碎）等破碎帶地層的徑向位移較大，不同截面處徑向位移如圖5所示。圖6 為成孔范圍徑向變形示意圖，兩側(cè)孔壁位移絕對(duì)值相等方向相反，從圖中可以看出，在破碎帶所在范圍均有大變形出現(xiàn)，最大徑向位移達(dá)256 mm，認(rèn)為此時(shí)在該范圍內(nèi)將出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象，無(wú)法保證施工安全，因此需采取一定的加固措施。

圖5 小導(dǎo)管預(yù)注漿加固措施成孔后徑向位移

圖6 成孔范圍徑向變形示意圖

2.3 小導(dǎo)管預(yù)注漿加固施工數(shù)值模擬

針對(duì)上述問(wèn)題，通過(guò)三維數(shù)值模擬建立“小導(dǎo)管預(yù)注漿加固法”施工模型，內(nèi)側(cè)小導(dǎo)管距樁身0.4 m，兩層小導(dǎo)管間距0.5 m，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)注漿壓力為2 MPa 時(shí)，小導(dǎo)管注漿加固范圍為0.5 m，此時(shí)單根小導(dǎo)管混凝土用量約為2.1 t，最終模型如圖7 所示。模擬時(shí)首先進(jìn)行地應(yīng)力平衡，隨后對(duì)注漿范圍巖土體進(jìn)行加固，最后進(jìn)行鉆孔施工。

圖7 小導(dǎo)管注漿加固模擬示意圖

對(duì)比不同界面位置處的徑向位移發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采取了加固措施后，在鉆孔深度范圍內(nèi)其徑向位移均有不同程度的降低，如圖8 所示。圖9 顯示采用了小導(dǎo)管注漿加固措施成孔后加固區(qū)內(nèi)徑向變形示意圖，從圖中可以看出徑向位移顯著減小，最大值僅42.6 mm，同時(shí)相較于無(wú)加固時(shí)變形較大區(qū)域顯著減小，且僅出現(xiàn)在破碎帶底部位置，且其最大位移相對(duì)于無(wú)加固時(shí)減小84.3%。認(rèn)為采用小導(dǎo)管注漿加固可有效限制鉆孔孔洞的徑向位移，有效抑制塌孔的發(fā)生。

圖9 成孔范圍徑向變形示意圖

3 小導(dǎo)管預(yù)注漿加固方案對(duì)比

從上文可以發(fā)現(xiàn)采用的小導(dǎo)管預(yù)注漿加固效果較好，本節(jié)針對(duì)不同小導(dǎo)管間距加固方案進(jìn)行對(duì)比，選取小導(dǎo)管間距為0.4、0.6 和0.7 m 的情況，探究在此情況下的加固效果。

3.1 小導(dǎo)管間距0.4 m

對(duì)于0.4 m 間距的情況，由于小導(dǎo)管間距減小，注漿總量增大，因此整體強(qiáng)度相對(duì)于0.5 m 間距的情況有所升高，在數(shù)值模擬時(shí)采用對(duì)注漿體力學(xué)參數(shù)加強(qiáng)的方法進(jìn)行模擬；基于實(shí)測(cè)注漿范圍、注漿量、工程經(jīng)驗(yàn)及文獻(xiàn)分析，此時(shí)對(duì)內(nèi)摩擦角和黏聚力加強(qiáng)12%。圖10 為小導(dǎo)管間距0.4 m 時(shí)成孔范圍徑向變形示意圖，可以發(fā)現(xiàn)相較于0.5 m 間距方案徑向位移仍有降低，約24%。此時(shí)鉆孔深度范圍內(nèi)變形均被限制在安全范圍內(nèi)，且方案孔壁變形極小。

圖10 小導(dǎo)管間距0.4 m 成孔范圍徑向變形

3.2 小導(dǎo)管間距0.6 m

當(dāng)小導(dǎo)管間距為0.6 m 時(shí)，基于實(shí)測(cè)注漿范圍、注漿量、工程經(jīng)驗(yàn)及文獻(xiàn)分析，需對(duì)注漿體力學(xué)參數(shù)折減15%。由于小導(dǎo)管間距的增大，加固體強(qiáng)度下降，因此鉆孔后孔壁不同深度徑向位移均有顯著增加；最大變形發(fā)生在深46.5 m 處，最大值達(dá)71.8 mm，如圖11 所示。

圖11 小導(dǎo)管間距0.6 m 成孔范圍徑向變形

當(dāng)間距增大到0.6 m 時(shí)，最大徑向變形為小導(dǎo)管間距0.5 m 時(shí)的168%，且存在較大區(qū)域變形過(guò)大，因此采用0.6 m 的加固方案可能會(huì)出現(xiàn)塌孔的情況，存在一定的安全隱患，不利于后續(xù)施工。

3.3 小導(dǎo)管間距0.7 m

當(dāng)小導(dǎo)管間距為0.7 m 時(shí)，其內(nèi)摩擦角和黏聚力需折減25%。可以發(fā)現(xiàn)，相比于0.6 m 間距時(shí)其成孔后孔壁徑向位移仍有較大升高，最大值達(dá)99.3 mm，為小導(dǎo)管間距0.5 m 時(shí)的2.3 倍，如圖12 所示。同時(shí)，可以看出在破碎帶范圍均發(fā)現(xiàn)有較大變形出現(xiàn)，相比0.6 m 間距增大明顯。因此在該措施下無(wú)法有效抑制塌孔的出現(xiàn)，同時(shí)會(huì)伴隨較大的縮孔，已無(wú)法形成可靠的加固。根據(jù)地質(zhì)條件及工程經(jīng)驗(yàn)推測(cè)，對(duì)于間距大于0.6 m 時(shí)兩種方案均會(huì)發(fā)生塌孔現(xiàn)象，不滿足安全施工的要求。

3.4 不同小導(dǎo)管間距對(duì)比

圖13 為不同深度及最大值位置孔壁徑向位移，可以發(fā)現(xiàn)隨小導(dǎo)管間距的加大不同深度處的徑向變形量均不斷增加，且呈現(xiàn)間距較小時(shí)變形增加緩慢，間距較大時(shí)變形增加較快的發(fā)展規(guī)律；當(dāng)小導(dǎo)管間距小于0.5 m 時(shí)，鉆孔深度范圍孔壁的變形量均在安全限值內(nèi)，可保證其不發(fā)生塌孔和大變形；當(dāng)間距大于0.5 m 時(shí)，在鉆孔下部位置變形量較大，根據(jù)地質(zhì)條件及工程經(jīng)驗(yàn)推測(cè)，此時(shí)孔壁已坍塌，不滿足安全施工的要求。

圖13 不同深度截面及最大值位置處孔壁徑向位移曲線圖

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

針對(duì)模擬所選用的試驗(yàn)樁進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，通過(guò)上文研究得知，當(dāng)注漿壓力為2 MPa 時(shí)，小導(dǎo)管間距采用0.5 m 即可達(dá)到安全施工的要求，因此現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)選取該方案進(jìn)行。試驗(yàn)中小導(dǎo)管注漿共7135 m，水泥總用量270 t。根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，在打孔埋設(shè)小導(dǎo)管注漿后，成孔至澆筑砼過(guò)程中，未發(fā)生塌孔現(xiàn)象，施工進(jìn)展順利，澆筑后，混凝土充盈系數(shù)在1.18 以內(nèi)，樁檢質(zhì)量合格，如圖14 所示?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明該方案下小導(dǎo)管預(yù)注漿加固較好地避免了漏液和塌孔的發(fā)生，同時(shí)驗(yàn)證了本文研究的合理性。

圖14 “小導(dǎo)管預(yù)注漿加固法”現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)圖

5 結(jié)論

本文通過(guò)建立破碎巖層鉆孔灌注樁施工的三維數(shù)值模型，對(duì)比了小導(dǎo)管預(yù)注漿加固效果，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證，形成結(jié)論如下：（1）小導(dǎo)管預(yù)注漿加固可以有效減小破碎巖層鉆孔后孔壁的徑向變形，抑制塌孔的發(fā)生，為后續(xù)施工提供良好條件；（2）鉆孔孔壁變形量對(duì)小導(dǎo)管間距較敏感，對(duì)于雙層小導(dǎo)管，當(dāng)注漿壓力為2 MPa、間距為0.5 m 時(shí)，孔洞整體變形量較小，可有效防止塌孔的發(fā)生，其最大徑向位移為未加固時(shí)的15.7%；當(dāng)小導(dǎo)管間距為0.4 m 時(shí)，變形量小，但方案過(guò)于保守，成本較高；當(dāng)增加小導(dǎo)管的間距為0.6 m 和0.7 m 時(shí)，鉆孔后其孔壁變形量有較大增加，分別為間距為0.5 m 時(shí)的1.7和2.3 倍；（3）當(dāng)小導(dǎo)管間距較大時(shí)，減小間距可極大降低孔壁的徑向變形，但當(dāng)間距較小時(shí)，采用減小小導(dǎo)管間距的方法產(chǎn)生的效果減弱，此時(shí)可選用其他加固方案。