樁基孤石處理新方法

賀瑞峰

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

1 概述

由于勘探技術(shù)手段的局限，在公路項(xiàng)目橋梁工程的樁基鉆孔施工過(guò)程中，會(huì)遇到各種形狀各種巖性的孤石。樁基礎(chǔ)施工一旦遇到堅(jiān)硬的孤石，由于孤石外形不規(guī)則，導(dǎo)致掘進(jìn)受阻，而且鉆孔內(nèi)部情況復(fù)雜，使得穿透孤石成孔難度較大，鉆進(jìn)效率低，鉆具壽命短，不可避免地會(huì)產(chǎn)生斜孔、塌孔、卡鉆、掉鉆頭等事故，嚴(yán)重影響施工工期。有更為甚者，因無(wú)法施工而不得不變更設(shè)計(jì)，增加了施工成本，問(wèn)題非常棘手。如何處理樁基施工遇到的孤石，成為擺在工程技術(shù)人員面前的一個(gè)較大的技術(shù)難題，也是控制橋梁樁基施工成本、解決業(yè)主與施工單位報(bào)價(jià)爭(zhēng)議等問(wèn)題的關(guān)鍵所在。

2 孤石處理主要方法

含孤石地層常用的施工方法有：開(kāi)挖法、沖擊反循環(huán)鉆進(jìn)法、沖抓錐鉆進(jìn)法、回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)法、爆破法。比較有效的處理方法是采用爆破排石法，常見(jiàn)的爆破法有人工炸石法、鉆眼爆破法。但在采用爆破排石法時(shí)需要注意以下幾個(gè)問(wèn)題：爆破能量不能破壞已成孔的井壁穩(wěn)定性；爆破能量不能影響周?chē)┕ぶ袠犊拙诜€(wěn)定性；爆破能量不能影響周邊既有的構(gòu)筑物使用安全性。爆破法常和其他方法相結(jié)合使用。下面僅就爆破法分析利弊。

2.1 人工炸石法及其局限性

人工炸石的主要工藝是：開(kāi)挖（鉆孔）使孤石露出，然后人工進(jìn)入孔內(nèi)，在孤石上鉆孔爆破。如果地下水位比孤石高，且出現(xiàn)涌水，則應(yīng)進(jìn)行排水，這種方法對(duì)于涌水量大的地層，根本就難以實(shí)施，僅在地層穩(wěn)定而且地下水頭較低的情形下才能進(jìn)行。不僅如此，按照施工規(guī)范，工人進(jìn)入樁基底部施工還需要設(shè)置逃生軟梯，增加通風(fēng)和照明，成本較大，風(fēng)險(xiǎn)也較大。

2.2 鉆眼爆破法及其局限性

鉆眼爆破法的主要工藝是：遇到孤石時(shí)，先穩(wěn)步提鉆，再查明孤石的位置、大小、形狀、產(chǎn)狀并依此來(lái)確定爆破孔的數(shù)量、分布和裝藥量，使用小口徑鉆頭在孤石上鉆出爆破眼，然后在小孔內(nèi)按照計(jì)算好的藥量安裝炸藥對(duì)孤石進(jìn)行爆破。爆破后清除孔內(nèi)巖塊進(jìn)而順利向下鉆進(jìn)。這種處理方法雖然可適應(yīng)不同埋深的孤石、漂石、滾石，方便靈活，但是不適宜用于松散地層中的直徑相對(duì)較小、形狀近似圓形、表面光滑的孤石，尤其使用小口徑鉆頭鉆此類(lèi)巖石時(shí)，巖石會(huì)隨鉆頭一起旋轉(zhuǎn)，造成鉆進(jìn)困難。如果有地下水且水頭較高，樁孔內(nèi)泥水渾濁無(wú)法裝藥。

3 孤石處理新方法——注漿固結(jié)法

注漿技術(shù)就是利用送壓設(shè)備將能夠固化的漿液材料通過(guò)鉆孔注入地層中顆粒的間隙、土層的界面或巖層裂隙內(nèi),使其擴(kuò)張、膠結(jié)、固化,以降低地層的滲透性,增強(qiáng)地層強(qiáng)度,防止地基沉降、變形的處理技術(shù)[1]。

綜上所述，目前橋梁樁基工程遇到孤石的處理方法就是爆破和清除。筆者分析，爆破清除是有條件的，某些情況下無(wú)法實(shí)現(xiàn)，在這些情況下能否轉(zhuǎn)換方法，變爆破清除為利用。利用注漿技術(shù)實(shí)現(xiàn)樁基孤石的利用。

首先我們來(lái)分析含孤石地層的具體地形地質(zhì)分類(lèi)。孤石，顧名思義是指地層中獨(dú)立存在的外形或者巖性等特征明顯不同于本層內(nèi)其他巖土的石塊，它廣泛存在于海相沉積地層，河相沉積（除長(zhǎng)江黃河）地層分布較少。雖然埋藏深淺、直徑大小、硬度不一，但是無(wú)論如何其強(qiáng)度均比土質(zhì)地層承載力高。既然對(duì)于某些比較大（大于樁徑）的孤石處理比較困難，那么把它作為樁端一部分未嘗不可。這種方法不是將孤石單獨(dú)作為持力層，它獨(dú)自也承受不了太大的力，我們是要通過(guò)對(duì)孤石周?chē)牡貙幼{凝結(jié)，將孤石和周?chē)膸r土凝結(jié)為整體，提高樁端承載力占比。具體設(shè)計(jì)提高多少為限，我們以《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D63—2007）第 5.3.3條[2]作為基礎(chǔ)計(jì)算公式（因?yàn)槲吹皆O(shè)計(jì)深度默認(rèn)為摩擦樁），推導(dǎo)出如下公式：

式中：Ap為孤石注漿凝固體樁端所需支撐截面面積，m3；U為樁身周長(zhǎng)，m；R為單樁軸向受壓（拉）樁頂力計(jì)算值，kN；qik為與fi對(duì)應(yīng)的各土層與樁側(cè)的摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa，宜采用單樁摩阻力試驗(yàn)確定，當(dāng)無(wú)試驗(yàn)條件時(shí)按JTG D63—2007規(guī)范表5.3.3-1選用；Li為承臺(tái)底面或局部沖刷線以下各土層的厚度，m，擴(kuò)孔部分不計(jì)；qr為樁端處土的承載力容許值，kPa，當(dāng)持力層為砂土、碎石土?xí)r，若計(jì)算值超過(guò)下列值，宜按下列值采用：粉砂 1 000 kPa，細(xì)砂1 150 kPa，中砂、粗砂、礫砂 1 450 kPa，碎石土2 750 kPa；[fa0]為孤石所在處土的承載力基本容許值，kPa，按 JTG D63—2007規(guī)范第 3.3.3條確定；α為擴(kuò)底系數(shù),見(jiàn)表1，參考鐵路相關(guān)擴(kuò)底樁規(guī)范；h為樁端的埋置深度，m，對(duì)于有沖刷的樁基，埋深由一般沖刷線起算，對(duì)無(wú)沖刷的樁基，埋深由天然地面線或?qū)嶋H開(kāi)挖后的地面線起算；h的計(jì)算值不大于40 m，當(dāng)大于40 m時(shí)，按40 m計(jì)算；k2為容許承載力隨深度的修正系數(shù)，根據(jù)樁端處持力層土類(lèi)按JTG D63—2007規(guī)范表3.3.4選用；γ2為樁端以上各土層的加權(quán)平均重度（W0），若持力層在水位以下且不透水時(shí)，不論樁端以上土層的透水性如何，一律取飽和重度；當(dāng)持力層透水時(shí)則水中部分土層取浮重度；m0為清底系數(shù)，按JTG D63—2007規(guī)范表5.3.3-3選用；λ為修正系數(shù)，按 JTG D63—2007規(guī)范表5.3.3-2選用。

表1 擴(kuò)底系數(shù)取值表

4 注漿固結(jié)法的優(yōu)缺點(diǎn)

4.1 優(yōu)點(diǎn)

注漿固結(jié)法較其他的處理方法更為直接。爆破法需要用其他小型破石鉆孔設(shè)備鉆孔爆破，工藝繁瑣。爆破工藝設(shè)計(jì)還要考慮裝藥量不能太大，不能影響樁孔壁的穩(wěn)定性，不能影響鄰孔穩(wěn)定性。如遇底層水頭高，孔內(nèi)滲水嚴(yán)重，孔內(nèi)積水深，爆破孔鉆孔完畢后，抽出鉆頭，在泥水環(huán)境下，因?yàn)闊o(wú)法對(duì)準(zhǔn)裝藥孔而裝藥非常困難。而注漿固結(jié)法不需要繁瑣的孔內(nèi)爆破出渣工藝，省去了樁孔向下鉆進(jìn)的工程量。這樣在合理樁長(zhǎng)范圍內(nèi)可以抵消鉆孔注漿帶來(lái)的造價(jià)的提高。

4.2 缺點(diǎn)

任何施工工藝都有其合理的適用范圍，注漿固結(jié)法也一樣，對(duì)于埋深較淺的孤石就不太適用；對(duì)于摩擦樁且樁長(zhǎng)較長(zhǎng)，孤石埋深超過(guò)了樁深彎矩較大的區(qū)域，這樣穿過(guò)較多地層的樁基礎(chǔ)在孤石所在地層憑借較高的地基承載力，總能得到較好的處理。工藝本身需要在樁基灌注完之后再注漿，這樣存在風(fēng)險(xiǎn)需要在灌注樁基以前就評(píng)估并做好預(yù)案，承載力是否能達(dá)到要求。如果同一墩臺(tái)位置的兩根樁其中有一根遇到孤石，另一根沒(méi)有，這樣的情況處理起來(lái)也比較棘手，需要評(píng)估樁長(zhǎng)差引起的沉降差。

5 算例

5.1 工程概況

筆者以山西省某公路項(xiàng)目遇到的孤石為例分析試算。該項(xiàng)目的某橋是5-30 m裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，單幅12 m寬，橋墩采用柱距6.6 m雙柱式墩，直徑1.4 m柱接直徑1.5 m鉆孔灌注樁，樁頂埋深2.5 m，與局部沖刷線齊平，計(jì)算樁頂力6 800 kN,設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)34 m，地質(zhì)資料如表2。

橋址為古河道，于施工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)其中一樁3號(hào)地層有孤石存在，孤石埋深25.6 m，孤石外形尺寸達(dá)2 m。

5.2 注漿固結(jié)處置方法

由于孤石外徑大于樁徑1.5 m，分析成因，為史上上游遠(yuǎn)距水流搬運(yùn)。因河道為非季節(jié)性河道，常年有地表徑流，孔內(nèi)地下水頭高。人工爆破存在難度，只能用機(jī)械鉆孔裝藥爆破。所以施工方提出爆破方案,因?yàn)闆](méi)有更為合適的處置辦法，現(xiàn)場(chǎng)四方會(huì)議決定附議。因施工單位預(yù)案充分，處置結(jié)果較為理想，未出現(xiàn)塌孔縮頸事故，但過(guò)程異常艱難。

筆者現(xiàn)就以上注漿固結(jié)法試算如下：

表2 地質(zhì)資料簡(jiǎn)表

得Dp=2.5 m，Dp/d=1.7，擴(kuò)底系數(shù)α也偏于安全。

式（3）中，樁基本身重量所產(chǎn)生的荷載，如果考慮置換土重和水浮力，則樁本身重產(chǎn)生的荷載不足樁重一半，但是浮力在這里因?yàn)橥凉羌芎蜆兜子薪佑|，所以不能根據(jù)阿基米德定律計(jì)算，不宜采用，偏于安全取一半樁重0.25×3.14×0.75×0.75×12×24.1 kN。在計(jì)算加大樁樁底承載力時(shí),從設(shè)計(jì)安全角度出發(fā),不再考慮加大樁下部樁側(cè)摩阻力的作用,僅考慮其樁底阻力的作用[3]。

筆者注，限于篇幅，本論文單純從承載力角度分析，未考慮樁身彎矩等橫向力學(xué)計(jì)算，在此僅作參考，具體應(yīng)用有待下一步繼續(xù)深入研究。

6 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)以上實(shí)例試算，對(duì)于孤石的處理，采用注漿固結(jié)法是可行的，當(dāng)然這只是理論的計(jì)算。有幸的是，2012年山西交科公路勘察設(shè)計(jì)院關(guān)于晉蒙黃河大橋的方案咨詢論證會(huì)上請(qǐng)到的國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家，他們介紹了他們正在做的研究，深樁基的處理正在使用注漿技術(shù)，并取得可喜的效果,縮短了樁長(zhǎng)。這又為本文的技術(shù)可行性提供了較為可靠的佐證。