超深橋梁人工挖孔群樁基礎混凝土施工安全性分析*

龍立敦，李少方，張 凱，林文凱

(貴州省公路工程集團有限公司，貴州 貴陽 550008)

1 工程概況

1.1 工程簡介

甕開高速公路是貴州省“678”高速公路網規劃第三橫江都高速公路組成部分，開州湖特大橋為甕開高速公路控制性工程，位于K35—K37段，全長1 257m，雙向4車道，設計速度80km/h。大橋橫跨洛旺河峽谷，橋跨布置為3×30m(現澆箱梁橋)+1 100m(單跨鋼桁梁懸索橋)+2×30m(預制T梁橋)，主纜計算跨徑為302m+1 100m+143m，3，4號主塔高度分別為139，141m，建成后將成為貴州省第三大鋼桁梁懸索橋。

1.2 樁基工程概況

開州湖特大橋4號主塔位于洛旺河峽谷開陽岸岸坡上，主塔高141m，基礎為40根樁徑2.5m、長度65m的群樁基礎，分2幅承臺布置，左、右幅承臺各20根，樁中心距6.3m，凈距3.8m(見圖1)。

圖1 樁基平面布置(單位:m)

4號主塔場區自然坡度40°～50°，上覆殘坡積層含碎石黏土、崩塌堆積層塊石土，巖質為白云質灰巖，粒徑0.2～1m，含量60%，剩余部分黏土填充，厚度0～33m；下伏基巖為寒武系清虛洞組白云巖、白云質灰巖，寒武系金頂山組頁巖、泥質粉砂巖、泥巖、泥質灰巖；寒武系明心寺組粉砂質泥巖夾泥巖，寒武系牛蹄塘組炭質泥巖，各層厚度不等，最大層厚26.9m，均為Ⅳ級軟石。以左幅承臺中部樁孔為例，樁孔深度60.1m，按地質勘察報告，巖(土)層分布及各層厚度(h)、重度(γ)、黏聚力(c)及內摩擦角(φ)如表1所示。

表1 巖(土)層分布及物理力學指標

1.3 施工安全難點

1)工期壓力大 按項目總工期策劃，4號主塔樁基總工期為5個月，根據以往工程經驗，采用間隔跳挖施工將極大地突破目標工期，后經專家論證，群樁基礎采用同步開挖方式施工，且因樁底土體多為泥巖等軟弱巖體，遇水易軟化，影響樁基承載力，樁基挖孔完畢后即需灌注樁芯混凝土。在面積僅為1 568m2的狹窄場地內存在挖孔與灌注混凝土交叉作業，施工組織協調難度大，安全隱患多。

2)護壁破壞風險高 護壁是人工挖孔樁施工中保障施工安全和質量的主要構件，4號主塔樁基施工時雖按JGJ 94—2008《建筑樁基技術規范》中要求進行了護壁設計，但目前的護壁設計多為以經驗為主，主要目的是防止挖孔期間孔壁坍塌，設計時僅考慮護壁在土壓力作用下的安全性，未充分考慮樁芯混凝土灌注時在混凝土壓力作用下護壁出現破壞引發竄孔事故的可能性。

3)樁間巖土體失穩風險大 4號主塔群樁基礎挖孔施工孔間凈距極小，僅為3.4m，遠小于3倍樁徑；同時，按地質勘察報告和樁基挖孔揭露數據，上覆塊石土層土體結構松散，下伏基巖均為軟巖，物理力學指標差。在樁芯混凝土灌注過程中，一旦護壁出現破壞，松散、軟弱且厚度較小的樁間巖土體在巨大混凝土壓力作用下，存在較大失穩風險和竄孔隱患。

2 安全性分析方法

2.1 護壁安全性分析

2.1.1護壁受力情況分析

澆筑樁芯混凝土階段護壁破壞是發生竄孔事故的前提。護壁在破壞前，受土壓力與混凝土壓力共同作用(見圖2)。

圖2 護壁破壞前受力狀態

1)混凝土壓力

目前護壁設計與受力分析中，一般都將混凝土看作均勻流體，混凝土對護壁的側壓力隨著混凝土澆筑高度增加而線性增大。然而，在超深超大直徑樁基施工中，樁芯混凝土灌注是一個持續時間較長的過程，當灌注時間超過混凝土初凝時間后，底部混凝土會進入初凝狀態，該狀態下的部分樁芯混凝土形成整體，可視為對護壁不產生側壓力。因此，超深超大直徑樁基樁芯混凝土灌注時對護壁產生的最大側壓力從孔底至孔口是一個先維持恒定最大值，然后線性遞減直至孔口為0的折線變化過程。

混凝土未初凝時，可視為均質流體，其對護壁的側壓力可根據帕斯卡定律計算：

pc=γchc

(1)

式中：pc為某一深度處混凝土對護壁的側壓力(kPa)；γc為混凝土重度(kN/m3)；hc為未初凝混凝土深度(m)。

未初凝混凝土深度受澆筑速度和混凝土初凝時間控制：

(2)

式中：V為混凝土灌注速度(m/h)；T為混凝土初凝時間(h)；z為從孔口往下的計算深度(m)。

2)土壓力

土壓力在人工挖孔樁施工過程中是一個隨施工階段不斷變化的力，在挖孔階段未施工護壁前為主動土壓力，隨著混凝土灌注高度不斷增加，護壁環向應力由壓應力逐漸變為拉應力，護壁逐漸向外側擠壓樁側土，外側土壓力由主動土壓力逐漸變為被動土壓力，但在護壁進入極限狀態破壞前，由于混凝土特性，護壁變形極小，為方便計算，此時可認為護壁外擴造成的土體擠壓與開挖時應力松弛造成的土體變形位移相同，即土壓力取值為靜止土壓力；此外，人工挖孔樁施工時地層一般無水，地表一般也不存在堆載，可不考慮地下水壓力和附加應力作用。因此，護壁外側徑向靜止土壓力為：

p0=K0γsh

(3)

式中：p0為護壁外側靜止土壓力(kPa)；K0為靜止土壓力系數，按JGJ 120—2012《建筑基坑支護技術規程》規定，K0宜由試驗確定，無試驗條件時，K0=1-sinφ；γs為土體重度(kN/m3)；h為土層深度(m)。

地層通常由多個物理力學性質各異的巖土層構成，靜止土壓力計算式可統一為：

(4)

式中：p0為計算深度處護壁外側土體靜止土壓力(kPa)；n為土層數；φi為第i層土層內摩擦角(°)；γsi為第i層土層重度(kN/m3)；hsi為第i層土層厚度(m)。

2.1.2護壁內力計算

樁芯混凝土灌注時，護壁同時承受內側混凝土側壓力和外側土壓力作用，內側混凝土側壓力使護壁環向表現為受拉，外側土壓力使護壁環向表現為受壓。護壁受力分析需計算護壁在內部壓力共同作用下的受力狀態，根據彈性力學理論，護壁環向應力為：

(5)

式中：σ為計算深度處護壁環向應力(kPa)；a為護壁內徑(m)；b為護壁外徑(m)；ρ為護壁上點的徑向坐標(m)。

樁基施工中，護壁通常分節澆筑，取1節護壁進行內力計算，護壁截面受力合力為：

(6)

式中：T為單節護壁豎截面所受內力(kN)；l為單節護壁長度(m)；h為計算深度(m)。

積分并簡化得單節護壁截面上內力為：

T=aPc-bP0

(7)

式中：Pc為混凝土壓力在豎直方向合力(kN/m)；P0為土壓力在豎直方向合力(kN/m)。

為便于分析，設護壁分節處位于同一巖土層內，土壓力均勻變化，則有：

(8)

式中：p0h，p0(h-1)分別為深度h與(h-l)處的土壓力(kPa)，可由式(4)計算，當護壁跨越2個不同土層時，計算方法類似。

混凝土側壓力計算如下：

(9)

式中：pch，pc(h-1)分別為深度h與(h-l)處的混凝土側壓力(kPa)，可由式(1)計算。

2.1.3護壁安全判別

鋼筋混凝土護壁受拉破壞時，混凝土通常先破壞，然后鋼筋才屈服，因此護壁安全計算僅考慮護壁環向配筋設計。護壁澆筑樁芯混凝土安全控制條件為：

T≤fyAs/1 000

(10)

式中：fy為鋼筋強度設計值(N/mm2)；As為單節護壁環向配筋截面積(mm2)。

2.2 樁間土安全性分析

2.2.1滑體受力情況分析

護壁破壞后，樁間土體在樁芯混凝土壓力作用下剪切破壞，出現失穩，是竄孔事故發生的必要條件。根據現有研究，發生竄孔時，滑動土體寬度與樁徑一致，位移基本平行于兩樁樁芯連線，且當滑動土體處于失穩臨界狀態時，滑體各點位移方向和位移量基本一致，作用于滑體上的抗力大小相同。取滑體在樁芯混凝土壓力作用下達到的靜力平衡狀態建立力學模型，并對樁與滑體接觸面進行平面簡化，將混凝土壓力均勻作用在滑體端頭的豎向投影面上，同時為安全考慮，忽略相鄰樁護壁對滑體提供的抗力，由滑體頂面、底面及兩側面的剪力抵抗混凝土側壓力。滑體所受滑動力、四面剪力如圖3所示。

圖3 滑體受力簡圖

1)混凝土壓力

按前述分析，樁芯混凝土澆筑到一定高度后產生的側壓力因混凝土澆筑速度和初凝原因，混凝土側壓力在深度方向隨著深度線性增大至一定值后將趨于恒定，其值可按式(1)計算，則有：

Pc=γchcΔhd

(11)

式中：Δh為滑體高度(m)；d為樁徑(m)。

2)滑體抗剪力

滑體抗剪力分別由底面、頂面和2個側面分別提供。其中，頂面和底面抗剪力按下式計算：

(12)

式中：Qt，Qb分別為滑體頂面和底面抗剪力(kN)；τt，τb分別為滑體頂面和底面抗剪強度(kPa)；SADHE，SBCGF分別為滑體頂面和底面面積(m2)；s為樁間凈距(m)。

滑體側面抗剪力按下式計算：

(13)

式中：Qs1，Qs2分別為滑體兩側面抗剪力(kN)；SABFE，SDCGH分別為滑體兩側面面積(m2)；τsm為滑體側面中點處抗剪強度(kPa)。

滑體抗剪強度由作用在滑移面上的正應力提供，其值可按莫爾-庫侖定律計算：

τ=etanφ+c

(14)

式中：τ為滑體滑移面處的抗剪強度(kPa)；e為作用在滑移面上的正應力(kPa)。

針對滑體頂面和底面，正應力即為該深度處土體自重應力：

(15)

式中：et,p為滑體頂面和底面自重應力(kPa)。

針對滑體側面，正應力即為滑移面中點處靜止土壓力，可由式(4)計算。

2.2.2滑體安全判別

當滑體頂面、底面以及兩側面抗剪力合力不小于樁芯混凝土產生的側壓力時，可認為樁間土體不存在滑移風險：

Pc≤Qt+Qb+Qs1+Qs2

(16)

3 分析結果與建議

3.1 安全性分析結果

3.1.1護壁安全分析

為防止基底浸水軟化，影響樁基承載力，開州湖特大橋4號主塔樁基在樁孔開挖完成后即進行樁芯混凝土澆筑作業。因樁孔深度較大，混凝土采用導管進行澆筑，澆筑速度控制在5m/h以內，混凝土初凝時間經試驗為8h，混凝土重度取25kN/m3，各巖土層物理力學參數按表1取值，按式(1)與式(4)分別計算護壁內側樁芯混凝土壓力及外側土壓力，計算結果繪制成曲線，如圖4所示。

圖4 護壁內外壓力

由圖4可知，在深度方向，混凝土側壓力先是隨孔深線性遞增，至40m處，混凝土側壓力達最大值1 000kPa，后至孔底均維持該值；土壓力隨深度增大而增加，最大值為711kPa。護壁內側混凝土側壓力與外側土壓力最大差值位于深度40m處，此時內側混凝土側壓力pc為1 000kPa，外側土壓力p0為449kPa。取該深度處1節護壁(l=1m)進行分析，按式(8)、式(9)計算該節護壁內、外側豎向合力，得：Pc=1 000kN/m，P0=449kN/m。

按式(7)計算單節護壁內力，即T=1.25×1 000-1.45×449=598.9kN。

人工挖孔護壁采用鋼筋混凝土，厚20cm，強度等級與樁身相同，拌合站集中拌合，密實早強，護壁配筋為：豎向主筋采用φ12鋼筋，間距25cm均勻布置，圓形箍筋φ16鋼筋，間距20cm，鋼筋均為HPB300級。主筋制作成彎鉤并上下勾連形成整體(見圖5)。

圖5 護壁配筋設計

單節1m護壁水平向設置6道環向鋼筋，鋼筋總截面面積As為1 205.8mm2，鋼筋抗拉強度設計值fy取270N/mm2，按式(10)，則有：T=598.9kN>270×1 205.8/1 000=325.6kN。

因此，護壁在樁芯混凝土澆筑過程中，護壁環向拉力大于環向鋼筋的屈服拉力，護壁處于不安全狀態。

3.1.2樁間土安全性分析

樁間土體在樁孔護壁破壞后以抗剪力抵抗來自樁芯混凝土的壓力。為使計算簡便，分別取位于每一巖土層頂面、底面且高度為1m的2個滑體進行計算分析，即滑體高度Δh為1m，寬度d為2.5m，長度s為3.4m，各巖土層物理力學參數按表1取值，按式(11)～式(13)計算各滑體滑動力Pc與滑體4個面的抗剪力Q，并根據兩者大小進行樁間土體安全性判定。計算結果如表2所示。

表2 樁間巖土層穩定性分析結果 kN

由表2所示可知，樁芯混凝土澆筑產生的壓力受澆筑速度和混凝土初凝時間影響，在深度方向，壓力值隨深度線性增大至2 500kN后趨于不再增加；各巖土層抗剪力受各自物理力學產生的影響，抗剪力并非一遞增值，但各巖土層頂、底面抗剪力均大于樁芯混凝土產生的側壓力，表明即使在護壁破壞情況下，僅依靠樁間巖土體也可確保樁芯混凝土澆筑安全，不會發生竄孔事故。將表2計算結果繪制成折線圖(見圖6)，由圖可知混凝土側壓力折線始終位于各巖土層抗剪合力包絡線內，樁間土穩定、安全。

圖6 滑體滑動力與抗力

3.2 施工安全建議

1)控制混凝土灌注速度和初凝時間 樁芯混凝土澆筑速度過大或初凝時間過長，將使混凝土有效壓頭高度增大，并最終導致混凝土側壓力過大，護壁和樁間土體在巨大的混凝土側壓力下易發生破壞和失穩風險，造成竄孔等事故。

2)加強護壁配筋 在超深群樁基礎采用人工挖孔樁施工時，護壁必須采用鋼筋混凝土，護壁配筋與厚度計算不僅需考慮挖孔階段在土壓力作用下的安全性，也要考慮在灌注樁芯混凝土階段在混凝土壓力作用下的安全性。同時，要嚴格控制護壁施工質量，做好節段間連接。

3)做好樁間土體保護 樁孔開挖階段，要尤其注意研究爆破作業對樁周土體影響，采取減小藥量及分段爆破等措施，減小振動波速；同時，加強孔口地面排水和孔口遮擋，防止地面水流、雨水流入樁孔浸泡土體，避免樁間土體在爆破和水作用下出現松散、軟化。此外，開挖施工中需注意檢查孔壁是否存在局部軟弱或貫穿空洞等，若存在需進行處理。

4)間隔交錯施工 在工期允許時，橋梁超深群樁基礎需間隔交錯施工，以增加樁間土體厚度，提高樁間滑體抗剪面積，提高抗剪力；在進行穩定性分析時，若樁間土體厚度不足，則需加大護壁厚度、增加護壁配筋，確保僅依靠護壁即能保障混凝土施工安全。

4 結語

本文在對目前國內山區高速公路項目高墩與高塔超深群樁基礎采用人工挖孔樁工藝施工時，在樁芯混凝土灌注階段存在的問題與困難進行簡要分析的基礎上，以開州湖特大橋4號主塔超深群樁基礎為例，分析了該類工程在安全控制上的重點與難點，并針對保障樁芯混凝土施工安全的護壁安全性和樁間土體穩定性理論分析方法進行系統介紹，并在4號主塔群樁基礎混凝土灌注施工安全分析中進行了具體應用，得出護壁在樁芯混凝土壓力作用下將出現破壞但僅依靠樁間土體仍可保障施工安全的結論，可為工程安全施工提供理論支持。