資水大橋巖溶區深水基樁施工方法與承載力驗算

龍曙東，駱宏勛

(湖南省婁新高速公路建設開發有限公司，湖南婁底 417000)

1 工程概況

資水大橋是湖南省婁底至新化高速公路第八合同的一座大型橋梁，起點樁號為k75+351，終點樁號為k76+293，大橋總長942 m。本橋引橋:婁底側為4×30 m預應力混凝土T梁，新化側為16×30 m預應力混凝土T梁。主橋為48 m+3×80 m+48 m預應力混凝土變截面懸澆連續箱梁，單箱單室箱型截面，跨度為(48+3×80+48)m。主橋按5～8號墩四個“T”構對稱懸臂現澆施工，0號梁段長6.0 m，其余1～9號梁段長為4.0 m，0號梁段采用搭設托架澆注完成，其余梁段采用掛籃懸澆，懸澆最重梁段為1 553 kN，兩岸邊跨端部有6.84 m現澆梁段，須搭設支架澆注，單幅五個合攏段每段長為2.0 m。

1.1 樁基礎概況

主橋5～8號橋墩位于資江河道中，下部結構為單樁(φ300 cm)單柱(六棱形)，單幅主墩為1排2根鉆孔灌注樁基礎，樁頂設過渡段(φ 380 cm，高650～1 000 cm)和系梁(高400 cm)，鉆孔灌注樁樁徑為φ 300 cm，地系梁設計均位于河床之上、施工水位之下。鉆孔為嵌巖樁，過渡段嵌入河床3～7 m。

1.2 地質條件

資水大橋施工前及施工過程中，先后對橋址地層進行了3次地質勘查，形成了較為詳細的地質勘查報告。

橋址地層由第四紀沖積層、殘積層和灰巖組成，屬溶洞區。該橋主橋橋墩位于資江河道中，地基以灰巖為主，溶蝕裂隙及溶洞發育。橋位區灰巖、泥質灰巖中溶洞相當發育，發育有深大溶溝及溶洞;而泥灰巖中巖溶發育相對稍少，巖溶要以淺層溶溝為主，局部發育規模較小溶洞;溶溝中充填黏性土或砂卵石，溶洞中充填黏性土或無充填物。

資水大橋6#墩最具代表性，本文將以6#墩為例進行樁基施工方法的闡述，6－1#樁、6－2#樁鉆孔地質柱狀圖分別見圖1，圖2。

圖1 資水大橋6－1#樁鉆孔地質柱狀圖

圖2 資水大橋6－2#樁鉆孔地質柱狀圖

2 鉆孔樁施工

2.1 鉆孔平臺施工

鉆孔樁施工采用鋼管樁加型鋼平臺的施工方法。根據工期要求，搭設4個鉆孔樁作業平臺，6臺110 kW鉆機施工。鋼管樁直徑為426 mm，壁厚12 mm，圍籠由9根鋼管樁和鏈接角鋼等組成，為單壁鋼圍籠。圍籠鋼管樁的打入要求保證其垂直度，利用貫入度及入土深度控制其穩定性，單根承載力由貫入度控制，最大10 mm，最小3 mm。最后樁尖控制標高在161.0～165.0 m。樁頂標高175.5 m，平臺頂標高為177.5 m。

鋼管樁下部聯系結構焊接完成后，根據設計樁頂標高，測量放樣，切割鋼管樁，使鋼管樁樁頂位于同一水平面，并與設計樁頂標高一致。然后在鋼管樁切割完成后，在樁頂焊接一塊500 mm×500×10 mm鋼板，防止由于鋼管樁發生局部應力集中時導致樁體損壞。在鋼板焊接完成后開始搭設平臺面，平臺面由縱橫兩向工字鋼焊接完成，底層橫向工字鋼為2×I40b，上層縱向工字鋼為10×I40b工字鋼，上層再鋪5×I40b，形成井字結構，層間工字鋼及鋼圍籠之間全部采用滿焊鏈接。

鋼管樁圍籠全部施工完畢后，進行鉆孔樁鋼護筒的埋設。用全站儀進行樁位放樣，放樣后即進行鋼護筒埋設、打入、護筒下方順序為:先下大護筒(3.8 m)，再下小護筒(3.3 m)。

2.2 鉆孔施工

鉆孔施工中需要注意的是，在開孔前須由質檢工程師檢查驗收合格后，才可開孔沖進。開始沖孔時應以小沖程在護筒內造漿(制漿前應先把粘土塊打碎，使其在攪拌中易于成漿，提高泥漿質量)，并開動泥漿泵進行循環，待泥漿均勻后開始鉆進。若無法形成較理想的泥漿時，加入膨潤土或優質粘土進行攪拌造漿，待泥漿性能符合要求后方可鉆進。在上部位置應以小沖程沖進，避免影響護筒位置的正確性，保證護筒不致發生偏移，正常鉆進時，應合理調整和掌握沖進沖程，防止發生卡鉆或者打空錘現象，確保鉆孔安全。為了使泥漿得到充分利用，泥漿循環系統充分發揮鋼護筒的作用。鋼護筒埋設結束后，在護筒頂向下約1 m處開一圓孔，用300 mm的鋼管將各樁的護筒串聯起來，用作泥漿池和沉淀箱，泥漿經泥漿泵抽進孔內后利用泥漿泵的水頭壓力將孔底沉渣沖出，經沉淀池沉淀后流進泥漿池，循環使用。所有多余泥漿通過DX－250型泥漿凈化器處理，鉆渣和廢漿外運至指定位置，以免造成環境污染。

3 穿越溶洞處理

巖溶地質條件下灌注水下混凝土，需要特別注意，首先通過設計地質資料以及鉆孔原始記錄，掌握溶洞分布情況，部位、大小以及灌注過程中可能出現的問題。在混凝土灌注快接近溶洞部位處，應隨時監測混凝土灌注的深度，掌握導管的埋深，防止隨著混凝土灌注上升產生的壓力壓垮溶洞部位堵漏的混合物，從而使混凝土流入溶洞造成導管埋深不夠，出現斷樁現象。當灌注至溶洞附近需放慢灌注速度，當穿越溶洞5 m以上再進入正常灌注。

3.1 護筒跟進

鋼護筒采用16 mm鋼板卷制，直徑比孔徑大20 cm，護筒外壁焊接［10槽鋼，確保護筒中心跟樁基中心重合，當溶洞較深較大時，采用護筒跟進的原則。先下兩節鋼護筒后進行小沖程鉆孔，當孔深超過2 m時，繼續接長護筒下沉到位，在護筒接頭部位進行滿焊，盡量使護筒插打至密實土層，并最大限度插打至巖面。護筒與護壁之間回填粘土及小片石，固定護筒，確保護筒平面位置的準確。

3.2 鉆孔過程中的漏漿、塌孔處理

在巖溶發育地區，溶洞相互交錯貫通，一旦鉆孔與其相連通，孔內的泥漿將大量流失，造成塌孔，當鉆孔穿透溶洞頂板時，鉆孔內的泥漿急劇下降，地下水對孔壁產生壓力，造成孔壁受地下水滲透，造成塌孔。對其處理方法需及時得當，否則將產生嚴重后果，直接影響工期。施工過程中，6－2#樁進入20 m時由于漏漿而發生塌孔，采取的主要處理措施有:

1)要求鉆機操作人員對照設計地質資料，隨時檢查孔內的水位，泥漿稠度，當護筒內的水位急劇下降時，表明遇到溶洞，須及時進行處理，適當的拋填小碎石加粘土片石，或用袋裝粘土直接投入孔內，對其進行注水保持孔內水頭，再用鉆錘進行反復沖砸，鉆進過程應用小沖程。

2)拋填的準備工作。當遇到大溶洞緊急情況下泥漿涌出護筒口后急劇下降，表明遇到了大溶洞，為保證能及時對孔內溶洞進行回填，在新化岸碼頭泊有三艘裝滿片石、粘土、水泥的駁船;同時，為了提高回填速度，特別定做了一艘60 t的自卸船，可以在短時間內對孔內不斷投入整袋的水泥、粘土以及30 cm以上的片石，確保遇見溶洞時能及時回填。

在具體的回填施工中，應分層拋填，對于6－2#樁，采用袋裝的水泥、粘土、片石按順序分層拋填。

3.3 偏孔處理

由于溶洞發育溝槽凹凸不平，鉆孔過程中經常出現斜面巖，偶有孤石，孔底地質軟弱不均等導致鉆頭持力不均，往往容易造成偏孔現象。糾偏是巖溶地質鉆孔最常見的內容，貫穿整個鉆孔過程，處理是否得當直接影響鉆孔的質量和進度。

鉆孔施工中，每3～5 m測一次垂直度，隨時進行糾偏。施工中6－2#樁進入巖溶發育層之后出現了塌孔，隨后采用3.2 m護筒跟進，但偏孔現象不斷產生，需要隨時進行糾偏及調整。

要求鉆孔操作工人一遇到鉆頭持力不均異常現象，就及時進行處理，對孔內回填堅硬片石和粘土，片石和粘土的比例為3∶1，回填片石的硬度須滿足要求，比基巖高一等級。將孔內回填1.5～2.0 m，以保證鉆頭平穩垂直，以50 cm的小沖程沖孔，沖擊至原偏孔位置再次拋入一定比例的混合物1 m左右，以1.0 m沖程鉆孔直至滿足規范要求再停止糾偏。對于偏孔須及時處理，以免產生累積偏差造成斜孔。

3.4 卡鉆處理

在石灰巖地質沖擊鉆卡錘現象較頻繁出現。6－2#樁施工中15 m深度處出現卡鉆現象，處理時先用其它備用沖錘沖打鉆頭幾下，使鉆頭脫離卡點后再拉起。為了更好的防止卡鉆事故發生，鉆機操作手必須熟悉樁基地質資料，在接近容易卡鉆巖層時應以小沖程反復沖進，禁止利用大沖程猛砸。

4 基樁荷載－沉降數值驗算

首先，根據地質勘查資料獲取了該兩根樁的樁周及樁端巖層的分布情況;其次，通過現場監測及原位取樣試驗獲得了基樁受力的初步特征及樁周、樁端巖土層的力學參數;再次，使用荷載傳遞法［1，2］，結合樁身能量平衡方程［3～6］，構建基樁工作性狀的數值計算模型;最后，通過計算得到了6－2#樁的荷載－沉降曲線。

基于地質勘查資料和施工監測數據，可知6－2#樁的地層及計算模型可擬定為如圖3所示。6－2#樁樁周依次為漂石層、溶洞、中風化灰巖、泥質灰巖和灰巖。計算中，溶洞及溶溝地層不考慮與樁身的接觸，其它地層計算參數根據地質勘查資料或取樣試驗數據對極限摩阻力及端阻力取估值。計算中采用的各巖土層工程特性指標見表1。

表1 巖土層工程特性指標

4.1 計算模型簡介

為考慮多層地基及溶洞條件下樁側阻的計算特點，將地層根據巖體類別離散為層單元，并使之與相同深度處樁身單元對應。層單元的力學性能按該深度處的所屬的巖體取值。地層單元與樁身單元的接觸利用非線性三折線荷載傳遞函數計算，溶洞處接觸參數取零，僅考慮樁身的壓縮;樁端阻力按非線性材料強化模型計算。見圖3。

4.2 計算結果

經初步計算，6－2#樁的荷載－沉降曲線如圖4所示。顯示當荷載小于2 000 t時，6－1#、6－2#樁的剛性系數基本相等，但是當荷載超過2 000 t時，僅從兩根樁的計算結果看，既有可能出現6－1#樁的沉降大于6－2#樁的情況，監測時應注意兩根樁的沉降發展情況。從圖3還可大致判斷出6－1#、6－2#樁的極限承載力分別在3 000 t和3 500 t左右。

綜上所述，6－1#、6－2#樁穿越溶洞，其承載性能與普通超長大直徑樁雖然有某些共同點(如樁頂荷載主要由側阻力承擔)，但不可否認兩者之間有較大的差異。其側阻力組成，端阻力發揮模式，樁身變形及承載模式等均具有鮮明的特點。計算時應注意區分巖溶地基與普通巖土地基的區別及承載機理上的差異。

圖3 6－2#樁計算模型

圖4 6－2#樁荷載－沉降曲線

以上計算均基于實測地勘資料及巖土體取樣試驗實測參數完成，但由于在計算中使用的模型及接觸計算方法與實際情況仍有差異，且巖溶地區樁基礎的設計計算理論還極不完善，因此更為準確、合理的計算模型及接觸處理方法仍有待進一步探討。

5 結論

本文主要介紹了資水大橋部分基樁穿越溶洞時的施工方法及基樁承載力驗算過程。得出的主要結論有:

1)對于存在溶溝或溶洞的地基，應通過地質勘測報告充分了解溶溝或溶洞的分布情況，并在施工時盡量采用小沖程鉆進，避免大錘重砸。

2)施工時應時刻注意鉆孔內泥漿位置的變動，并在施工前做好拋填的準備，一旦出現漏漿現象立即進行拋填，防止出現塌孔。

3)對穿越溶洞的基樁承載力進行驗算不可采用與普通地基中基樁承載力驗算相同的方法，需要根據具體的地質情況，專門建立符合工程實際的計算模型進行驗算。

4)該工程基樁承載力驗算結果表明基樁承載力達到了設計要求，滿足工程需要，間接說明了施工方法的合理性和可行性。

［1］趙明華.橋梁樁基計算與檢測［M］.北京:人民交通出版社，2000.

［2］D.E.Ott，E.C.Observed and Predicted Skin Friction Capacity of Auger Cast-in-Place Piles［J］Drumm.Foundation Analysis and Design，2006:211 －217.

［3］趙明華，劉思思.多層地基單樁負摩阻力的數值模擬計算［J］.巖土工程學報，2008，30(3):336 －340.

［4］宰金珉.復合樁基理論與應用［M］.北京:知識產權出版社，中國水利水電出版社，2005.

［5］趙明華，賀 煒，曹文貴.基樁負摩阻力計算方法初探［J］.巖土力學，2004，25(9):1442 －1446.

［6］趙明華，劉思思，楊明輝.基于能量法的軟土地基中基樁負摩阻力計算方法［J］.水利學報，2010，41(5):581－587.

［7］JGJ 94－94，建筑樁基技術規范［S］.

［8］張建華.巖溶區橋梁樁基樁長確定方法研究［J］.公路工程，2009，34(4):1 －4.

［9］賀雄偉.橋梁超長樁基自平衡法承載力試驗應用研究［J］.公路工程，2009，34(3):106 －108.

［10］袁銅森，胡柏學，楊春林，等.錨桿橫梁反力裝置在巖溶地區樁基靜載試驗中的應用研究［J］.公路工程，2009，34(4):5 －10.

［11］楊建民，曾 革，曲 棟.赤山大橋基樁豎向承載力試驗研究［J］.公路工程，2008，33(1):39 －43.

［12］魏 剛.基于能量法差分方程的基樁承載力數值計算方法［J］.公路工程，2010，35(6):1 －4.