橋梁鉆孔灌注樁施工風(fēng)險(xiǎn)評估與控制研究

馬聰

摘要：鉆孔灌注樁施工一直屬于高危風(fēng)險(xiǎn)工程，為了更好的做出風(fēng)險(xiǎn)評估和控制，通過建立風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)，并建立數(shù)值模型，分析鉆孔灌注樁施工過程護(hù)筒壁厚、錘擊能量以及橢圓度等因素，對過程進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)控制。得出以下結(jié)論：護(hù)筒壁厚與非彈性屈曲軸向臨界應(yīng)力呈負(fù)相關(guān)；錘擊能量與軸向應(yīng)變呈正相關(guān)，與打入深度也呈正相關(guān)；初始缺陷橢圓度數(shù)值越大，軸向臨界應(yīng)力越小，護(hù)筒越易發(fā)生變形；對于鉆孔灌注樁，應(yīng)選用壁厚超過74mm、錘擊能量應(yīng)在1800～2000kJ之間、橢圓度低于30mm的護(hù)筒。

關(guān)鍵詞：鉆孔樁；風(fēng)險(xiǎn)評估；風(fēng)險(xiǎn)控制；數(shù)值模擬

0? ?引言

鑒于鉆孔灌注樁施工存在的風(fēng)險(xiǎn)，近年來，許多專家學(xué)者針對該施工過程進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估和控制。張延豫等人[1]針對特有條件下鉆孔灌注樁施工過程的風(fēng)險(xiǎn)，制定相關(guān)應(yīng)對對策。馬永峰等人[2]針對鉆孔灌注樁塌孔現(xiàn)象，通過對其孔壁進(jìn)行分析與評價(jià)，并通過相應(yīng)軟件編制塌孔風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)和等級分區(qū)。陳安[3]結(jié)合鉆孔樁和地連墻的施工特點(diǎn)，從施工全過程分析施工方法的優(yōu)缺點(diǎn)。李仁強(qiáng)[4]基于數(shù)值模擬對道路施工進(jìn)行有限元分析，對施工全過程風(fēng)險(xiǎn)情況進(jìn)行評估和控制，以此確定風(fēng)險(xiǎn)事故發(fā)生概率、后果以及相應(yīng)的等級，由此提出降低風(fēng)險(xiǎn)的有效措施。

本文基于實(shí)際工況，通過建立風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)，對鉆孔灌注樁建立數(shù)值模型，分析風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)生概率和因素，并由此加以控制，為實(shí)際工況通過理論依據(jù)。

1? ?鉆孔樁灌注樁施工工藝要求

本研究以某橋梁工程為研究背景，結(jié)合當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)情況，樁基鉆孔通過旋挖鉆機(jī)。其工藝要求主要包括10點(diǎn)：

一是做好施工準(zhǔn)備，確定好地形地質(zhì)情況。二是進(jìn)行泥漿制備，使用膨潤土作為泥漿護(hù)壁。三是埋設(shè)護(hù)筒。鉆孔前設(shè)置直徑為0.2m護(hù)筒，確保其不漏水。四鉆機(jī)就位及鉆孔。向孔內(nèi)及時(shí)補(bǔ)充漿液，保持充值泥漿壓力。安裝前將底架墊平，鉆孔時(shí)孔內(nèi)水位需高于護(hù)筒底腳。鉆孔完成后，需要進(jìn)行檢孔。五是籠骨架制作。在加工車間下料，分節(jié)同槽制作。六是導(dǎo)管安裝。導(dǎo)管為鋼導(dǎo)管，要求其內(nèi)壁光滑、圓順、接口嚴(yán)密。七是二次清孔及灌注水下混凝土。清孔時(shí)孔內(nèi)水頭高程在1m和3m之間。水下混凝土要連續(xù)澆筑，不能停頓。八是鉆渣及廢漿處理。凈化處理后運(yùn)至棄土場。九是進(jìn)行超聲波檢測，并對質(zhì)量問題樁進(jìn)行混凝土鑒定。

2? ?評估指標(biāo)

2.1? ?風(fēng)險(xiǎn)評估步驟

通過調(diào)研、咨詢等手段建立風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)，步驟分別為體系構(gòu)建、指標(biāo)選取、等級劃分以及計(jì)算分析。其中體系構(gòu)建主要結(jié)合項(xiàng)目工程特點(diǎn)，整體構(gòu)建層次化指標(biāo)體系；指標(biāo)選取則根據(jù)施工地點(diǎn)地質(zhì)情況和施工特點(diǎn)來確定；等級反應(yīng)事故的發(fā)生概率和造成的損失大小，可以量化風(fēng)險(xiǎn)評估；計(jì)算分析則是對指標(biāo)體系進(jìn)行計(jì)算分析，使其精確量化。

2.2? ?評價(jià)準(zhǔn)則

施工風(fēng)險(xiǎn)評估需要評價(jià)準(zhǔn)則及專家組建立，其中評價(jià)準(zhǔn)則則是為防止因不同人態(tài)度不同產(chǎn)生歧義而建立的一套準(zhǔn)則，目的是使評估標(biāo)準(zhǔn)更加準(zhǔn)確統(tǒng)一。其基本函數(shù)如下所示：

R=?（p，l）（1）

式中，R為事態(tài)風(fēng)險(xiǎn)量、p為事態(tài)概率水平等級、l為事態(tài)損失水平等級。根據(jù)相關(guān)規(guī)范和研究成果對風(fēng)險(xiǎn)概率等級進(jìn)行劃分。風(fēng)險(xiǎn)事態(tài)概率等級如表1所示。風(fēng)險(xiǎn)事態(tài)損失等級如表2所示。各等級風(fēng)險(xiǎn)管理策略如表3所示。

而對于評價(jià)專家組建立，需要相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)豐富，專業(yè)素養(yǎng)較高的權(quán)威性群組組成。為減小主觀影響，提高評估可信度，需從專家類別以及決策權(quán)重建立合理專家組。為保證評價(jià)意見合理性，參考前人[5]研究成果得到權(quán)重，如表4所示。

確定對鉆孔樁評估指標(biāo)體系和運(yùn)算判別方法后，得出本工程施工風(fēng)險(xiǎn)等級，并對重大風(fēng)險(xiǎn)事故進(jìn)行篩查，以便做出正確決策。

3? ?實(shí)際應(yīng)用

3.1? ?建立模型

建立風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)后，由于部分風(fēng)險(xiǎn)存在隱蔽性和復(fù)雜性，因此需要對該風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行深入分析。依托該工程，對灌注過程通過數(shù)值模擬進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，為施工風(fēng)險(xiǎn)評估及控制提供理論依據(jù)。

基于數(shù)值模擬建立模型，量化風(fēng)險(xiǎn)參數(shù)，設(shè)定不同工況，分析鋼護(hù)筒在施工過程中發(fā)生變形規(guī)律。風(fēng)險(xiǎn)參數(shù)包括壁厚、錘擊能量等。其中護(hù)筒材料的基本參數(shù)為密度7800kg/m³，屈服強(qiáng)度為340MPa，切線模量為1000MPa，彈性模量為210GPa，泊松比為0.3。

鋼護(hù)筒總長超過50m，直徑超過6m，單元超過60萬個(gè)。碎石土層材料模型中，密度為2200kg/m³，內(nèi)摩擦角為40°，變形模量為45MPa，泊松比為0.25。碎石土層模型為圓柱體，厚度和直徑分別為5m和20m，單元超過90萬個(gè)。

基于風(fēng)險(xiǎn)事故易出現(xiàn)不同情況，通過數(shù)值模擬設(shè)置鋼護(hù)筒不同壁厚、橢圓度和液壓錘輸出能量三大風(fēng)險(xiǎn)因素，由此設(shè)置不同工況。具體情況如表5所示。

3.2? ?護(hù)筒壁厚分析

根據(jù)已建立的數(shù)值模型，對其護(hù)筒壁厚進(jìn)行分析，分析不同壁厚工況下最大軸向應(yīng)力，具體情況如圖1所示。

由圖1可知，壁厚與最大軸向應(yīng)力呈負(fù)相關(guān)，其中當(dāng)壁厚低于72mm時(shí)，產(chǎn)生的最大軸向應(yīng)力最大為370MPa，而最小為316MPa。根據(jù)非彈性屈曲軸向臨界應(yīng)力準(zhǔn)則可知，該壁厚都超過各自軸向臨界應(yīng)力，使護(hù)筒易產(chǎn)生較大變形。當(dāng)壁厚大于72mm時(shí)，最大軸向應(yīng)力遠(yuǎn)小于非彈性屈曲軸向臨界應(yīng)力。由此說明，在壁厚較大時(shí)，護(hù)筒不易發(fā)生變形。對于不同工況打入深度最值情況進(jìn)行分析，具體情況如圖2所示。

由圖2可知，當(dāng)護(hù)筒壁厚越來越大，打入深度越來越大。主要是由于壁厚不大，導(dǎo)致護(hù)筒本身質(zhì)量下降，質(zhì)量較小導(dǎo)致護(hù)筒沖擊慣性力降低。此外由于壁厚較小導(dǎo)致護(hù)筒剛度較低，使護(hù)筒受到的巖層阻力更大，打入深度較小。

總體而言，壁厚與非彈性屈曲軸向臨界應(yīng)力相關(guān)，且壁厚越大，非彈性屈曲軸向臨界應(yīng)力越小，越不容易發(fā)生屈曲變形。因此根據(jù)建模實(shí)際情況，在實(shí)踐工況中，應(yīng)選用壁厚較大的護(hù)筒壁，壁厚超過74mm。

3.3? ?錘擊作用分析

已知上述結(jié)論，壁厚74mm和76mm的效果較好，因此選用這2種壁厚工況進(jìn)行錘擊能量分析。在工況8～12和13～17中，以1200kJ、1600～2200kJ（間隔200kJ）的錘擊能量進(jìn)行計(jì)算分析，具體情況如圖3所示。

由圖3可知，軸向應(yīng)力隨錘擊能量增大而增大。當(dāng)錘擊能量為1200kJ時(shí)，74mm、76mm壁厚護(hù)筒軸向應(yīng)力相差不大，且壁厚76mm的護(hù)筒在相同錘擊能量下，其軸向應(yīng)力始終小于74mm的護(hù)筒。當(dāng)錘擊能量增加至1600kJ及以上時(shí)，軸向應(yīng)力都超過巖層抗壓強(qiáng)度，導(dǎo)致模型軸向應(yīng)力增大。因此錘擊能量越大，護(hù)筒破巖能力越強(qiáng)；壁厚越大，產(chǎn)生的最大軸向應(yīng)力越小。對于不同工況打入深度最值情況進(jìn)行分析，具體情況如圖4所示。

由圖4可知，不同壁厚的護(hù)筒在相同錘擊能量下的變形不同，其中76mm壁厚護(hù)筒的打入深度要高于74mm的護(hù)筒，但總體相差不大。當(dāng)錘擊能量大于1600kJ時(shí)，護(hù)筒都能被打入巖層，且能量越大，打入深度就越大，但相較于1600kJ之前，打入深度的速率再減小。

總而言之，錘擊能量與軸向應(yīng)變呈正比，與打入深度呈正比。結(jié)合工程實(shí)踐，設(shè)置的錘擊能量輸出設(shè)置應(yīng)超過1800KJ，但不應(yīng)超過2000KJ。

3.4? ?橢圓度分析

根據(jù)上述模型情況可知，由于模型初始缺陷會對工程產(chǎn)生影響，因此選用壁厚74mm、76mm護(hù)筒、錘擊能量1800kJ情況下，設(shè)置初始缺陷橢圓度分別為30mm、76mm以及152mm，具體情況如圖5所示。

由圖5可知，各工況產(chǎn)生的軸向應(yīng)力最值無明顯變化，但由于模型接觸面積減小，導(dǎo)致應(yīng)力小幅度增加。而74mm護(hù)筒的初始缺陷橢圓度始終大于76mm護(hù)筒。對于不同工況打入深度最值情況進(jìn)行分析，具體情況如圖6所示。

由圖6可知，護(hù)筒初始缺陷橢圓度越大，打入深度越小，其中當(dāng)橢圓度達(dá)到30mm時(shí)，無論壁厚情況如何，其打入深度都急速下降，且30mm橢圓度工況插打過程中易發(fā)生變形。

總之，初始缺陷橢圓度數(shù)值越大，軸向臨界應(yīng)力越小，護(hù)筒越易發(fā)生變形。因此在實(shí)際工況中，護(hù)筒橢圓度不應(yīng)大于30mm。

4? ?風(fēng)險(xiǎn)控制

基于上述分析的風(fēng)險(xiǎn)，對相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)需要進(jìn)行控制，以此減少不應(yīng)該出現(xiàn)的損失。對于一般事故，風(fēng)險(xiǎn)等級處于三級以下，一般為漏漿風(fēng)險(xiǎn)事故控制以及卡管、堵管風(fēng)險(xiǎn)事故控制。

漏漿風(fēng)險(xiǎn)事故控制主要通過高壓旋噴法施工，并在施工過程中使用特制報(bào)警自控儀來進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)控制。而對于卡管、堵管風(fēng)險(xiǎn)事故控制如下：在灌注混凝土的坍落度保持適宜距離；施工前做足準(zhǔn)備工作；灌注期間，及時(shí)排放導(dǎo)管內(nèi)空氣等控制方法。

重大風(fēng)險(xiǎn)事故的風(fēng)險(xiǎn)等級在三級以上，存在護(hù)筒變形、灌注質(zhì)量差、塌孔和卡鉆等事故。對于本工程，為防止實(shí)際變形，需要對風(fēng)險(xiǎn)因素精準(zhǔn)分析。對于鉆孔樁灌注樁，應(yīng)選用壁厚超過74mm、錘擊能量應(yīng)在1800～2000kJ之間、橢圓度低于30mm的護(hù)筒。

5? ?結(jié)束語

本文基于某橋梁工程為背景，通過建立風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)，對鉆孔灌注樁建立數(shù)值模型，分析風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)生概率和因素，并由此加以控制，得出以下結(jié)論：

護(hù)筒壁厚與非彈性屈曲軸向臨界應(yīng)力相關(guān)，且壁厚越大，非彈性屈曲軸向臨界應(yīng)力越小，越不容易發(fā)生屈曲變形。錘擊能量與軸向應(yīng)變呈正比，與打入深度呈正比；初始缺陷橢圓度數(shù)值越大，軸向臨界應(yīng)力越小，護(hù)筒越易發(fā)生變形。施工前夕必須對施工過程進(jìn)行評估，并在對存在風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行控制。對于鉆孔灌注樁，應(yīng)選用壁厚超過74mm、錘擊能量應(yīng)在1800～2000kJ之間、橢圓度低于30mm的護(hù)筒。

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