巖溶地區鉆孔灌注樁施工技術研究

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，地層結構復雜，溶洞內可能存在軟、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。樁基在巖溶區域施工時有很多不可預見因素，如果施工措施選擇不合理會導致掉鉆、卡鉆、斷樁、地面塌陷等病害，嚴重的還會危機現場施工技術人員的生命安全。如何降低巖溶危害、確保樁基的安全施工已經成武亟待解決的難題。鑒于此，國內外很多學者和工程師對巖溶的發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]總結了巖溶地質在國內的分布情況及發育特點，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。但是尚未形成統一的理論和規范來指導巖溶區的樁基施工，因此很有必要進一步研究巖溶地區鉆孔灌注樁施工技術。

2 巖溶地區灌注樁受力機理分析

相關研究表明，巖溶地區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上部荷載，必須對基樁持力頂板穩定性進行驗算，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

當樁基持力頂板為薄層、裂隙發育、易風化軟弱巖層，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，無量綱，K>1；H0為溶洞最大高度，m。

為了確保基樁施工的安全，溶洞頂板厚度應大于其塌落厚度H。

(2)溶洞抗彎強度確定頂板厚度

根據溶洞頂板的形態、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，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力越小，頂板的變形也越小，保持樁基施工穩定所需的臨界厚度越小。

3 巖溶區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，分析巖溶區樁基的施工要點及施工質量檢驗。該橋梁所處區域覆蓋層較厚，厚度約4.5～8 m，由黏土、碎石質黏土等組成；橋區巖溶中等至強烈發育，基巖為三疊系灰巖，巖溶較發育，以溶槽、漏斗、小溶洞為主，且連通性好。勘測區地下水豐富，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，設計樁徑1.2 m，樁長30 m，設計承載力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。根據樁位處鉆孔勘探資料及工程地質手冊，各層巖土體的力學性質指標見表1。

(2)樁基施工難點分析

經現場調查，樁基施工有三大困難需解決：第一，巖溶發育強烈，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，抽取地下水可能導致地面塌陷；第三，樁基較長，鉆進、清渣、換漿難度大，易出現卡鉆、鉆孔偏斜等問題。

表1 不同地層力學指標

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法施工，泥漿護壁，空壓機清孔至設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，開孔時沖擊鉆應以較小沖程施工。當樁基孔位基本定型后，再增大沖擊鉆沖程。同時，鉆孔期間孔內水位不得下降過快，以免孔內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出現漏漿現象，應適當降低沖擊鉆沖程，提高泥漿比重，拋填片石、黏土進行堵漏。

溶洞內鉆進：當鉆孔速度明顯加快，無偏孔現象，表明鉆頭已進入溶洞。在溶洞內升降鉆頭要慢一些，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格檢查鉆孔孔底的沉渣厚度、泥漿性能等，經監理工程師確認合格后方能澆筑。同時，為了應對溶洞漏漿問題，混凝土應準備足夠的儲存量[6]，儲存量V計算見式(6)

(6)

式中：d1為鉆孔直徑，m；d2為導管內徑，m；H2為導管內外混凝土高差，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，以免導管內產生高壓氣囊，使得樁身混凝土出現疏松、蜂窩等病害。同時，技術人員要隨時記錄混凝土澆筑液面的高度，嚴格控制導管埋入深度。如果導管埋深過大，應充分振搗混凝土，避免其液面降低形成長短樁。

3.3 鉆孔灌注樁成樁質量檢驗

巖溶地區地質條件復雜，樁基施工質量影響因素眾多。在鉆孔灌注完成之后，需加強對樁身質量的檢測。傳統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的提升，越來越多的項目開始應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，以此評價成樁質量。

(1)樁-土模型建立

為了提高計算效率，在建立模型之前應對巖溶區樁基的受力狀態適當簡化，即假定基樁為變形協調的線彈性材料，不發生塑形變形。隨后利用Midas/GTS軟件中內置的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

模型的初始應力只考慮土體的有效自重應力，自重應力加速度取-10 m/s2。

模型的底面采用固定約束，x/y/z三個方面均不發生任何位移；在模型前后兩側施加Y方向約束，模型左右兩側施加X方向約束，以限制土體的側向變形；模型頂面處設置為自由邊界，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，樁側摩阻力基本沒有發揮。根據《建筑樁基技術規范》(JGJ 94-2008)，1#樁基的極限承載力可取9 400 kN，符合設計文件要求。

4 結 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，并結合貴陽樞紐鐵路某特大橋項目，分析了巖溶區樁基施工要點、單樁靜載試驗數值模擬方法等，主要得出以下結論：(1)巖溶區樁基施工前，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)巖溶區鉆孔灌注樁是利用樁端阻力來承擔上部荷載，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)巖溶區樁基的單樁靜載試驗可通過數值軟件分級模擬，但應注意邊界條件、單元網格劃分等參數的標定。