跨河公路大橋樁基礎鉆孔溶洞處置方案設計及數值模擬分析

李　榮, 王素群

(湖南省湘筑工程有限公司，湖南 長沙　410004)

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跨河公路大橋樁基礎鉆孔溶洞處置方案設計及數值模擬分析

李榮, 王素群

(湖南省湘筑工程有限公司，湖南 長沙410004)

摘要：以X大橋為實例，對樁基礎鉆孔溶洞處置方案進行了設計和闡述，采用大型三維有限元軟件Midas/GTS對數值進行模擬分析，對處置效果的做出了相應的評價分析。

關鍵詞：樁基鉆孔；處置方案；數值模擬

1工程概況

X大橋橋位所在地地震加速度值為 0.1 g，抗震設防烈度7°。橋處于地勢平坦地帶，橋軸線的地面標高在 793.70～802.24 m 之間浮動。左幅為3×20 m箱梁，右幅為 8×20 m箱梁，先簡支后連續，下部采用柱式墩臺，鉆孔灌注樁基礎。其中0#臺和3#臺按摩擦樁設計，1#墩和2#墩按端承樁設計。本橋位于直線上，墩臺平行布置，0#橋臺、3#橋臺處分別設置一道 D60型伸縮縫。橋所在區域地下水主要為巖隙水和孔隙水，分布范圍也比較小，水量貧乏，受季節的影響相對比較大，遇降水時排泄點較多，水量也會增加。

2處治方案設計

2.1溶洞處理方案

(1)小溶洞處理方案。

對于小溶洞，如果溶洞內是松散的的充填物，則在沖孔時，適時地把粘土塊等投入孔內，以避免泥漿流失。選擇慢速沖進的方法，使充填物擠入裂縫或孔壁，以達到防止塌孔等狀況的發生。此法對較小溶洞來說是首選。

(2)連通溶洞的處理方案。

可使相鄰的樁孔貫通樁身某個部位的溶洞稱為連通溶洞。在對一個樁進行沖孔的時候，會造成與之相鄰的樁孔內的泥漿發生翻動。因此，應該根據切實的地質資料進行處理，如果溶洞相對不是很大時，用適量的混凝土進行灌注，避免兩孔串通；如果溶洞相對比較大時，可用卵石、片石等來填充溶洞，使之形成護壁，避免漏漿和塌孔的情況出現。

(3)大溶洞的處理方案。

①針對大溶洞，溶洞之中是半填充或者沒有填充物的狀況。為了避免鉆孔打穿頂板之后，泥漿的下落速度過快，從而出現坍塌的局面，首先打設穿透砂層的鋼護筒，鋼護筒的深度盡量要到達巖層的表面。鋼護筒打設完成之后，再進行沖孔。打穿頂板后，立即向孔內填充粘土、片石等，泥漿灌注完成之后再繼續沖孔。如果泥漿漏得速度還是太快的話，則重復以上操作方法，直至泥漿不漏為止。

②對于溶洞較大，溶洞之中是全填充且填充物松散狀態的狀況。先用錘沖擊溶洞,在洞內形成圍護結構，用以確保泥漿面的高度；如果溶洞的填充物為硬塑態時，可以直接進行沖孔。

③如果溶洞不太深，可使用預制長鋼護筒，采取邊沖邊振的方式。為了防止混凝土流進溶洞之內，大多數情況下在溶洞處套上鋼套管。

2.2注漿法處理

(1)施工機具：回旋鉆機、灰漿攪拌機、注漿機、潛水泵等。

(2)施工流程。

①場地準備：平整作業場地，做好排水措施，在孔周圍挖排水溝，布置污水處理設備。

②測量定位：放樣地面孔位，誤差要符合規定。

③泥漿護壁成孔：用超前鉆孔作為一序孔進行排氣，間隔一段合適的距離再鉆一序孔。

④澆注套殼料：鉆孔完成后, 注漿時，為防止袖閥管變形，通過鉆桿注入封殼料。

⑤袖閥管安放：袖閥管到孔底，盡量保證使之位于孔中心。

⑥固管止漿：把水泥漿注在管下孔壁間，從套殼料的頂部至孔口。

⑦注漿：套殼料進行 5 d養護后，將注漿管下到注漿的位置，按位置分段注漿，每段1.0 m。漿液采用水泥漿，水泥用 32.5 級，水∶水泥=0.5∶1。注漿用注漿泵，注漿壓力保證在 0.2～1.0 MPa。速度控制在15～20 L/min。

⑧結果評價：施工完結3 d后，沖鉆觀察漏漿否，保證沒有塌孔現象。成樁后檢測樁基。

3數值模擬分析

3.1荷載工況

計算過程中，需考慮到的荷載分為施工荷載和行車荷載，但在正常情況下不用考慮。因為相比較之下它們都很小；在天然情形下，溶洞穩定性也比較好，對穩定性方面的影響無需考慮自重的變化情況。所以，在進行有限元計算之時，只考慮外加荷重對圍巖的應力及穩定性的影響，而將自重取一個固定值；施工荷載簡化為一次性施加荷載。

3.2模型的建立

大多數巖土有關的問題一般都會無限域或半無限域有關，有限元法就是在有限的區域內離散和進行相應的計算。依照其他有關工程的理論分析和計算經驗，模型的計算范圍為水平四邊各取4～5 倍的洞跨，底邊取的2倍的洞高。本模型在底邊向下取18.2 m，四邊各取12.5 m，見圖1。建模則是根據鉆孔得到的數據以及大量的原始資料擬合而成的，其高度達到18 m，最大跨度為12 m。

圖1　模型圖

邊界條件為固定巖體的四面和底面。樁底距溶洞頂面的距離為4 m。計樁長30 m，樁長范圍內巖體和樁基以均布荷載的形式作用于模型頂面。建模采用RMR=59。樁底面荷載等價于 7 000 kN 的樁基設計承載力。

3.3結果及分析

計算過程中，假定的前提條件是頂板巖體為連續的、均勻的介質，并且地形變化會受結構面影響。綜合頂板壓、拉應力和位移計算結果以及塑性區的情況可以得出，頂板厚度不小于5 m時是穩定的狀態。采用數值模擬、定性、半定量的方法分析頂板穩定性。圍巖地質情況經過定性分析，很難對頂板穩定性進行初步判斷。通過力學半定量和有限元定量分析得到頂板狀態是穩定的。巖體中沒有塑性區域的出現，拉應力區出現在頂板的下邊緣，從數值計算結果可見，最大位移在8.1 mm 左右，其余位移量相對都比較小。《公路路基設計規范》(JTJ013-95)中指出，當頂板厚大于10 m且洞跨小于5 m時，頂板如果完整的話可不進行處理。但是通過模擬分析，厚度為4 m時仍在穩定狀態情形之下，與規定是不同，只是表明了在對多層高大的溶洞進行處置設計時更靈活了，頂板厚度設計值也更有據可循了。

4處治效果評價

由于樁基已加荷，只能用間接法揭示樁底下面的狀態。因此，本次檢測采用鉆孔抽芯、室內抗壓強度測試等方式，綜合運用各類的成果，對注漿效果進行準確的判斷。

在巖溶區樁基施工時，如何處理溶洞是個極為復雜的問題，其會對工期、質量、經濟等各方面都帶來嚴重的影響，如果不能妥當處理，還會導致人員傷亡、安全事故等。

參考文獻：

[1]楊文淵.橋梁施工工程師手冊[M].北京:人民交通出版社,2003.

[2]任銳,謝永利,來弘鵬. 長短樁在濕陷性黃土中作用機理的數值分析[J]. 鄭州大學學報(工學版) ,2010，(1).

[3]劉云禎.工程物探新技術[M].北京:地質出版社，2006.

Analysis of the disposal scheme and numerical simulation of pile foundation drilling on karst cavecross-river bridge

LI Rong, WANG Su-qun

(Hunan Xiangzhu Engineering Co., Ltd.,Changsha，Hunan 410004,China)

Abstract:Taking X Bridge as an example, the disposal scheme of pile foundation drilling on karst cave is designed and discussed. The FEM 3-dimensionalfinite-element software-Midas/GTS is employed to simulate the numerical value, and to evaluate the disposal effect.

Keywords:pile foundation drill-hole; disposal scheme; numerical simulation

中圖分類號：U441

文獻標識碼：C

文章編號：1008-3383(2016)01-0087-02

作者簡介：李榮(1978-)，女，湖南常德人，工程師，研究方向：橋梁施工控制欲樁基礎處理方案；王素群(1981-)，女，湖南邵陽人，工程師，研究方向：橋梁施工控制與現場管理。

收稿日期：2016-01-11