防洪護(hù)岸工程施工旋挖樁效果及孔壁穩(wěn)定性分析

高能新

(三明市聯(lián)盛工程咨詢監(jiān)理有限公司,福建 三明 365000)

0 引 言

洪澇災(zāi)害嚴(yán)重威脅人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全,應(yīng)加強(qiáng)各類防洪工程建設(shè),維護(hù)防洪堤壩的穩(wěn)固。傳統(tǒng)防洪措施大多通過(guò)堆疊防汛沙袋、吸水膨脹袋等來(lái)筑高堤壩,這種方式耗費(fèi)大量的人力物力,且加高堤壩的速度遠(yuǎn)不及水位的上漲速度,而面對(duì)特大洪水災(zāi)害時(shí),河堤的加高加固穩(wěn)定性較差。近年來(lái),采用防洪墻來(lái)抵御洪災(zāi)泛濫所造成的災(zāi)害,防洪墻替代了傳統(tǒng)的沙袋堆疊擋水的方式,減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度,確保了防洪減災(zāi)的可靠性。

福建省三明市三元區(qū)屬于中亞熱帶濕潤(rùn)氣候,該地區(qū)降雨充沛,暴雨頻發(fā)。黃砂園污水處理廠沿三元區(qū)沙溪支流漁塘溪而建,地勢(shì)呈兩端高中間低的淺U形,上下游兩端的地面高程分別為149.80和149.83m,中間段布置的濃縮池和機(jī)電房最低地面高程僅145.50m,地勢(shì)相對(duì)較低,易受洪水侵害。洪水和污水處理池的有害物質(zhì)對(duì)河道水環(huán)境的生態(tài)環(huán)境以及下游及城區(qū)居民的生產(chǎn)生活用水造成威脅。為了提高廠區(qū)的防災(zāi)減災(zāi)能力,對(duì)黃砂園污水廠河段進(jìn)行了長(zhǎng)度252.6m的防洪墻工程建設(shè)。但該地區(qū)土層軟土分布較廣,軟土土層具有含水量較高、透水性較差、壓縮性較高、流變性強(qiáng)的特點(diǎn)。受土層影響,該防洪墻工程的旋挖灌注樁基礎(chǔ)施工項(xiàng)目面臨著較大的不確定性,常用泥漿護(hù)壁也較難保持孔壁的穩(wěn)定,容易造成塌孔或縮頸,對(duì)鉆孔設(shè)備、作業(yè)人員等構(gòu)成威脅。

因此,在本工程施工中,采用水泥土和鋼筋籠對(duì)樁孔周邊進(jìn)行預(yù)加固處理,并對(duì)工程的施工效果及孔壁穩(wěn)定性進(jìn)行分析,研究成果可為旋挖灌注樁基礎(chǔ)在特殊土層和地區(qū)的施工提供理論基礎(chǔ)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1 旋挖鉆孔灌注樁施工質(zhì)量控制及數(shù)值模擬模型設(shè)計(jì)

1.1 防洪墻工程建設(shè)質(zhì)量控制與旋挖鉆孔灌注樁施工技術(shù)管理

為了保證防洪墻工程建設(shè)優(yōu)質(zhì)工程的目標(biāo),通過(guò)施工進(jìn)度計(jì)劃的落實(shí)、保證技術(shù)人才、施工機(jī)械的投入、資源的合理配置與統(tǒng)籌管理等措施,保證進(jìn)度目標(biāo)。施工前,完成工作組織與計(jì)劃、技術(shù)、物質(zhì)、勞動(dòng)組織與施工現(xiàn)場(chǎng)的準(zhǔn)備。根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,結(jié)合安全生產(chǎn)、文明施工以及統(tǒng)籌兼顧的原則,布置交通、施工條件。施工過(guò)程嚴(yán)格落實(shí)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)布置、施工總平面圖的管理。防洪墻工程的建設(shè)按照土方工程、混凝土工程、模板工程、鋼筋工程、旋挖灌注樁施工的工序展開。在特殊施工條件下,如臺(tái)風(fēng)期、冬季、夏季高溫、雨季都需做好技術(shù)應(yīng)對(duì)和施工技術(shù)措施的準(zhǔn)備。選派施工經(jīng)驗(yàn)豐富的專業(yè)人員,確保工程全部達(dá)到國(guó)家現(xiàn)行的工程質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)要求。此外,整個(gè)工期堅(jiān)持“安全第一,預(yù)防為主”的施工方針,落實(shí)安全管理制度,確保安全、文明施工。

防洪墻工程的基礎(chǔ)建設(shè)選用旋挖鉆孔灌注樁施工工藝,流程圖見圖1。為了保證施工過(guò)程的質(zhì)量控制,首先引出樁位中心線并對(duì)樁位中心點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記,確保鉆孔機(jī)安裝位置地基穩(wěn)固,鉆機(jī)位置的偏差應(yīng)控制在2cm以內(nèi)。當(dāng)鉆孔深度較深時(shí),靜水壓力作用下,孔壁會(huì)向孔內(nèi)坍塌。對(duì)此,工程使用鋼護(hù)筒對(duì)地表水進(jìn)行隔離,并固定樁孔位置和鉆頭導(dǎo)向,護(hù)筒內(nèi)徑比鉆孔直徑大20cm。

圖1 旋挖灌注樁的施工工藝流程圖

該地區(qū)土層整體結(jié)構(gòu)較為松散,為了避免成孔過(guò)程中出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象,工程采用高壓旋噴樁,對(duì)樁孔周圍土層進(jìn)行預(yù)加固處理,通過(guò)高壓泵將水泥漿噴入土中,凝結(jié)硬化后形成水泥土加固體。在旋挖鉆進(jìn)的過(guò)程中,根據(jù)地層變化調(diào)整泥漿濃度和鉆進(jìn)速度,根據(jù)土層渣樣記錄土層變化情況,并始終保證孔內(nèi)水位高于地下水位0.5m。

鉆孔達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高之后,對(duì)孔徑、孔深和沉渣厚度進(jìn)行質(zhì)量核查,確保其符合摩擦樁或端承樁的設(shè)計(jì)要求。檢驗(yàn)達(dá)標(biāo)后進(jìn)行清孔,清孔時(shí)保持孔內(nèi)水頭,防止坍孔。清孔后,對(duì)水泥土試樣進(jìn)行性能指標(biāo)試驗(yàn),并采用吊車安放制作好的鋼筋籠,放置深度符合設(shè)計(jì)標(biāo)高,保證鋼筋籠保護(hù)層偏差為±20mm,籠頂?shù)讟?biāo)高偏差為±50mm。放置就位后,在鋼筋籠上部穿管,防止?jié)仓炷習(xí)r鋼筋籠上浮;在鋼筋籠安放后,放置直徑300mm的導(dǎo)管。該工程采用C25混凝土進(jìn)行水下混凝土澆筑,混凝土坍落度控制在18～22cm,初凝時(shí)間控制在6～8h,且澆筑混凝土?xí)r間需控制在清孔后30min內(nèi),確保混凝土澆筑的連續(xù)性。完成澆筑后,清洗導(dǎo)管、護(hù)筒,并對(duì)混凝土試樣進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。當(dāng)樁身混凝土超灌高度達(dá)到0.8m,用風(fēng)鎬鑿出樁頭,直至設(shè)計(jì)高程,保持鋼筋的完整性和樁頂?shù)钠秸蓛簟?/p>

水泥土預(yù)加固施工工藝根據(jù)水泥土強(qiáng)度來(lái)平衡孔壁外層的土壓力,工程將灌注樁樁孔視為理想的圓柱形孔,加固區(qū)視為圓形孔壁襯砌,水泥土為各向同性均質(zhì)彈塑性體。加固區(qū)的力學(xué)分析模型見圖2。

圖2 新型加固方式加固區(qū)的力學(xué)分析模型

孔壁的穩(wěn)定性與水泥土的強(qiáng)度關(guān)系密切,工程采用無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)和三軸壓縮試驗(yàn),對(duì)水泥土試樣強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試。無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)用于判斷水泥土試樣在沒有側(cè)向壓力的情況下抵抗軸向荷載的極限強(qiáng)度;三軸壓縮試驗(yàn)獲取貼合真實(shí)環(huán)境的三向應(yīng)力狀態(tài)下水泥土的力學(xué)特性和變形特征。

1.2 旋挖鉆孔灌注樁孔壁穩(wěn)定性數(shù)值分析模型的構(gòu)建

影響旋挖鉆孔灌注樁的孔壁穩(wěn)定性因素較為復(fù)雜,理論力學(xué)模型求解能夠初步判斷孔壁的穩(wěn)定性和受力破壞形態(tài),現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)也可真實(shí)反映預(yù)加固處理的灌注樁孔壁的變形規(guī)律,但原位試驗(yàn)的經(jīng)濟(jì)和時(shí)間成本過(guò)高。數(shù)值模擬是指利用控制方程來(lái)描述參數(shù)的變化關(guān)系,采用數(shù)值計(jì)算對(duì)問(wèn)題進(jìn)行求解,可獲得該問(wèn)題的定量認(rèn)識(shí)和動(dòng)態(tài)模擬分析,進(jìn)而根據(jù)不同的數(shù)值模擬軟件和本構(gòu)方程解決復(fù)雜的工程問(wèn)題。

研究使用巖土工程三維分析軟件FLAC3D,對(duì)灌注樁旋挖施工過(guò)程中預(yù)加固孔壁的穩(wěn)定性進(jìn)行建模分析。FLAC3D軟件的分析方法基于離散元素法,將地質(zhì)體或者結(jié)構(gòu)物體分解成小的離散元素,再求解它們之間的相互作用。FLAC3D功能強(qiáng)大,擁有大位移的數(shù)值穩(wěn)定性、便捷的輸入操作模式和多樣式的本構(gòu)模型,可適用于多種復(fù)雜條件下的巖土工程問(wèn)題,模擬各種結(jié)構(gòu)單元、實(shí)體單元以及人工結(jié)構(gòu)單元,包括樁基、襯砌或錨索等。因此,研究使用FLAC 3D仿真軟件,建立水泥土加固區(qū)的數(shù)值模型。

首先以該地區(qū)的地層地貌條件為背景,計(jì)算數(shù)值模擬所需的土層力學(xué)參數(shù),確定地下水位深度,模擬實(shí)際工程的水文地質(zhì)條件。建立模型時(shí),僅考慮地下水對(duì)土體自重產(chǎn)生的應(yīng)力影響和土體應(yīng)力重分布,忽略施工荷載的擾動(dòng)影響。研究采用摩爾-庫(kù)倫彈塑性本構(gòu)模型,模型包括剪切破壞和拉伸破壞,破壞準(zhǔn)則見圖3。

圖3 摩爾-庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則示意圖

剪切包線滿足f(σ1,σ3)=0,根據(jù)摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則,可得到剪切破壞函數(shù),公式如下:

(3)?(1): 對(duì)任意x ∈ X,由定義1.1和命題1.1知，x ≤ (x → 1) → 1.由引理2.2得， ?另一方面，由(3)知，

(1)

式中:c為土體黏聚力;φ為內(nèi)摩擦角;σ3、σ1為大、小主應(yīng)力;fs為剪切破壞函數(shù)。

拉伸破壞函數(shù)公式如下:

ft=σt-σ3

(2)

式中:σt為抗拉強(qiáng)度,σt不應(yīng)超過(guò)大小主應(yīng)力之差;ft為拉伸破壞函數(shù)。

根據(jù)漁塘溪地貌土層信息,建立三維實(shí)體單元模型,模型總共包括水泥土加固、鉆孔灌注樁開挖和其他區(qū)域3個(gè)部分。模型的左右、前后、底部均設(shè)有邊界約束條件,左右為ux=0,uy≠0,uz≠0;前后為ux≠0,uy=0,uz≠0;底部為ux≠0,uy≠0,uz=0,模型頂部不設(shè)置邊界約束條件。為了消除邊界約束對(duì)孔壁變形及穩(wěn)定性的影響,考慮到孔壁的塑性擴(kuò)散范圍約為孔徑的15倍,因此建模時(shí)水平與深度方向、樁下土層均按15倍孔徑大小擴(kuò)增。

2 旋挖鉆孔灌注樁水泥土預(yù)加固效果與數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 旋挖鉆孔灌注樁水泥土強(qiáng)度試驗(yàn)分析

為了對(duì)水泥土預(yù)加固效果進(jìn)行分析,設(shè)計(jì)水泥土強(qiáng)度分析試驗(yàn),研究不同水泥摻量和不同養(yǎng)護(hù)環(huán)境對(duì)水泥土的強(qiáng)度影響。采用環(huán)刀取土器對(duì)原狀土樣進(jìn)行取土,測(cè)試原狀土的物理特性,同時(shí)進(jìn)行顆粒篩分試驗(yàn)。將濕土樣晾干敲打擊碎后進(jìn)行風(fēng)干,按照配合比計(jì)算,制備水泥土制樣。之后將制作完成的水泥土試樣放置在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱或淤泥箱中進(jìn)行養(yǎng)護(hù),直至達(dá)到設(shè)定養(yǎng)護(hù)齡期,取出試樣進(jìn)行試驗(yàn)。

采用無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn),探究水泥摻量變化對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律。初始水泥摻量設(shè)置為7%,分別為養(yǎng)護(hù)齡期7、14、21、28d,試驗(yàn)結(jié)果見圖4。由圖4可知,不同養(yǎng)護(hù)齡期下,隨著水泥摻量增加,無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均呈上升趨勢(shì),且不同養(yǎng)護(hù)條件下的強(qiáng)度差值越來(lái)越大。水泥摻量為7%時(shí),在淤泥養(yǎng)護(hù)箱中水泥土抗壓強(qiáng)度為0.372MPa,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中水泥土抗壓強(qiáng)度為0.423MPa,強(qiáng)度差值為0.051MPa;當(dāng)水泥摻量增至13%時(shí),在淤泥養(yǎng)護(hù)箱中水泥土抗壓強(qiáng)度為0.594MPa,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中水泥土抗壓強(qiáng)度為0.657MPa,強(qiáng)度差值為0.063MPa;當(dāng)摻量繼續(xù)增長(zhǎng)至15%時(shí),二者差值達(dá)到0.324MPa。

圖4 水泥摻量變化對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律

水泥摻量的增加,導(dǎo)致參與水化反應(yīng)的水泥含量增加,此時(shí)水化膠結(jié)物填補(bǔ)了泥土空隙,減小了水泥土混合物的密度。另一方面,水泥水化物氫氧化鈣和空氣發(fā)生碳化反應(yīng),降低土體的分散度,物理作用與化學(xué)作用聯(lián)合提升了水泥土強(qiáng)度。但淤泥養(yǎng)護(hù)環(huán)境下,碳化反應(yīng)條件不足,因此兩種養(yǎng)護(hù)條件下無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度差值增大。最后,對(duì)強(qiáng)度與摻量進(jìn)行擬合,可得到二者的關(guān)系曲線。綜合經(jīng)濟(jì)成本,工程取最優(yōu)水泥摻量10%。

不同圍壓條件下,水泥土的標(biāo)準(zhǔn)齡期28d時(shí),不同水泥摻量下水泥土試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖5。由圖5可知,水泥土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線大致可分為4個(gè)階段,即彈性變形過(guò)程、塑性硬化過(guò)程、軟化破壞過(guò)程和殘余變形過(guò)程,可全面反映水泥土開始受力到破壞的全過(guò)程變形特征發(fā)展,并可分析水泥土不同應(yīng)力狀態(tài)下的強(qiáng)度大小和應(yīng)變情況。彈性變形過(guò)程在受力初期,應(yīng)力與應(yīng)變呈線性關(guān)系發(fā)展;隨著壓力增加,水泥土承受應(yīng)力變大,應(yīng)力-應(yīng)變曲線增長(zhǎng)速度放緩。軸向壓力的持續(xù)增長(zhǎng),土體之間的咬合力成為主要平衡破壞的支撐力,應(yīng)變繼續(xù)增長(zhǎng),但應(yīng)力開始下降。應(yīng)變持續(xù)變化,直到水泥土加固體進(jìn)入破壞之后的殘余變形階段 。

圖5 不同圍壓條件下水泥土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

不同摻量變化下水泥土試樣存在明顯的峰值,且隨著圍壓增大,水泥土破壞的極限應(yīng)力對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值越大。表明水泥土加固區(qū)隨著圍壓的增大,水泥土顆粒之間的咬合作用逐漸增大,軸向應(yīng)力不會(huì)發(fā)生陡降,而是隨著土顆粒的剪切破壞而逐漸降低,水泥土脆性特征不明顯,表現(xiàn)出一定的延性特征。圍壓較小時(shí),水泥土試樣破壞后會(huì)向周圍膨脹,咬合力不足以抵抗剪應(yīng)力而導(dǎo)致試樣發(fā)生突然性破壞,應(yīng)力-應(yīng)變曲線在軟化階段曲線下降陡峭。

2.2 旋挖鉆孔灌注樁數(shù)值模擬結(jié)果分析

首先建模分析未預(yù)先加固情況下的孔壁穩(wěn)定性,灌注樁孔壁水平位移與旋挖鉆孔深度的關(guān)系曲線見圖6。由圖6可知,隨著鉆孔深度的增加,水平位移先增大后減小,當(dāng)鉆孔深度為14.8m時(shí),孔壁水平最大位移為251.8mm?？芍?鉆孔深度在6～14m之間,孔壁邊緣處呈小范圍塑性狀態(tài)發(fā)展,灌注樁孔內(nèi)易發(fā)生擴(kuò)孔;當(dāng)鉆孔深度在15m以上,孔壁區(qū)域內(nèi)發(fā)生塌孔。表明傳統(tǒng)泥漿護(hù)壁的支撐力難以平衡孔壁土體應(yīng)力,孔壁穩(wěn)定性較差。

圖6 旋挖鉆孔深度與孔壁水平位移關(guān)系曲線

采用數(shù)值模擬分析方法,考察不同水泥土加固厚度對(duì)灌注樁孔壁穩(wěn)定性的影響。加固厚度分別設(shè)置為0.2、0.4、0.6、0.8m,孔壁水平位移與鉆孔深度的關(guān)系曲線見圖7,由孔壁的水平位移來(lái)確定最佳加固深度。由圖7可知,隨著旋挖樁的旋挖深度增加,不同加固厚度下的水泥土加固區(qū)的水平位移均呈增大趨勢(shì),灌注樁孔壁的最大水平位移在加固厚度為0.2、0.4、0.6、0.8m時(shí),分別達(dá)到84.7、13.2、11.8、10.1mm,最大位移出現(xiàn)在旋挖深度為15.8m附近。隨著加固厚度的不斷增加,水泥土加固區(qū)的孔壁水平位移在不斷減小,且加固厚度大于0.4m后,孔壁水平位移變化值減小,孔壁變形趨于穩(wěn)定。由此表明,當(dāng)加固厚度選擇0.2m時(shí),施工過(guò)程孔壁變形較大,易發(fā)生塌孔。因此,工程中水泥土的加固厚度選擇0.6m。

圖7 不同加固深度對(duì)孔壁水平位移的影響

綜上所述,在該工程地質(zhì)條件下進(jìn)行灌注樁的旋挖施工中,采用傳統(tǒng)的泥漿護(hù)壁已不能滿足孔壁的穩(wěn)定性需求。為了解決施工過(guò)程中孔壁易坍塌、縮孔的問(wèn)題,水泥土預(yù)加固的方式是工程順利推進(jìn)的有效保障。根據(jù)孔壁的水平位移大小,可推斷水泥土的最佳加固厚度。

3 結(jié) 論

為了有效解決旋挖鉆機(jī)在深厚軟弱土層條件下塌孔、縮頸等問(wèn)題,在工程施工中,對(duì)樁基孔壁進(jìn)行了預(yù)加固處理,并對(duì)孔壁的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。結(jié)果表明,隨著水泥摻量增加,水泥土加固區(qū)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不斷增加,且標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下強(qiáng)度增長(zhǎng)值更大。當(dāng)水泥摻量為10%時(shí),在一定圍壓下孔壁的加固區(qū)域呈延性破壞,水泥土加固方式有效維持了孔壁穩(wěn)定性。同時(shí),合理的加固厚度有利于維持孔壁穩(wěn)定性。水泥土和鋼筋籠聯(lián)合加固,有效解決了塌孔問(wèn)題,維持了灌注樁孔壁的穩(wěn)定性。但研究的數(shù)值模型未考慮成孔時(shí)間對(duì)穩(wěn)定性的影響,與實(shí)際工程仍存在一定差距。