砂卵石地層大直徑橋樁成孔防坍技術

劉敬楊

(四川省交通建設集團股份有限公司,四川成都 610093)

0 引言

G0512成都至樂山高速公路擴容建設項目新建復線長約41.5 km,投資138億元,線路起于成都市三環路川藏立交,沿成都市規劃預留廊道布線,沿途上跨成都繞城高速公路、成綿樂城際高速鐵路、成都雙流機場高速,止于眉山市彭山區青龍場樞紐互通,并與已竣工使用的改建段聯通。新建復線位移成都平原核心區域,岷江水系二級階地上部為第四系上更新統沖洪積層(Q3al+pl),為有二元結構[1],線路走廊范圍內城市道路與高速公路相互交織,線路以高架橋梁結構為主,基礎以鉆孔樁為主,樁徑φ=2.2 m,長度在L=18～33 m不等,工程地質特征見表1。從表1中可知中層為中密卵石地層,成孔防坍是項目高效施工的關鍵工序,為此需要結合樁基施工生產強度、卵石地層工程特征,開展成孔防坍技術措施研究,不同成孔方法與護壁措施的技術經濟比較,常用護壁泥漿參數與孔壁穩定關系分析、成孔設備及方法比選等,據此指導施工生產。

表1 工程地層特征

1 砂卵石地層大直徑橋樁防坍機理分析

地層在未挖孔前,初始地應力處于平衡狀態,成孔后地應力平衡受到破壞,地層強度高、穩定性好,在地層卸荷后,通過地應力調整可重新平衡,不會出現坍塌;對于散粒地層,本身強度低、膠結差,成孔卸荷后若不對其采用技術干預,則地應力在調整過程中難于實現平衡,只能在變形、坍塌過程中實現再平衡,而采用合適的技術措施,確保成孔后不坍塌,是施工方法或工藝技術需要解決的問題。

基于經典土力學的土體滑移理論,圖1為孔壁某處,處于極限穩定平衡狀態高度為H的OAB楔形體的力學模型圖,PM為孔內泥漿或其它填充物對孔壁側壓力,W為具有下滑趨勢的滑體自重,R為滑移面對下滑體的阻滑力,θ為滑移面與水平面夾角,α為下滑阻力合理與下滑面法線夾角。

圖1 卵石地層孔壁極限穩定平衡示意

圖2 孔壁膠泥微單元穩定平衡示意

由此,當PM=0,其產生的下滑摩阻力為0,坍滑風險高。當地層為卵石類散粒體,其粘結力C=0,下滑阻力R減小,孔壁穩定性差。因此提高孔壁穩定途徑是增加孔內徑向壓力PM,提高卵石類散粒體的粘結力既抗剪強度[2]。

2 提高卵石地層橋樁成孔孔壁穩定的技術措施

維持卵石地層樁孔內徑向壓力、提高其粘結力的最佳技術措施是采用全孔泥漿護壁,沖擊鉆機成孔,沖擊鉆機沖擊能可將黏土擠入卵石層,形成泥皮和卵石固結圈,提高孔壁抗剪能力。在機械鉆孔過程中,泥漿具有主要具有3項功能:①提供徑向壓力,形成孔壁膠泥層,發揮防坍作用;②潤滑鉆具,降低鉆具磨耗或損壞;③非旋挖設備成孔浮碴。

2.1泥漿對孔壁的徑向作用

在散粒體地層垂直成孔,由于散粒體C值很小或為0,沒有護壁措施則坍孔可能性極高,以圖1處于極限狀態的楔形土塊分析,根據靜力平衡理論得式(1)。

PM=Wtan(θ-α)

(1)

式中:PM=0.5γmH2;W=0.5γH2tan(90°-θ);θ=45°+0.5α。

式中:γm為不計砂率的泥漿密度;γ為土體密度。

由式(1)可得式(2)。

(2)

孔壁安全系數與泥漿密度的本構關系為式(3)。

(3)

式中:Fs為孔壁安全穩定系數;φ0為散粒土體內摩擦角。由式(3)可知,當特定土體在成孔過程中,若采用泥漿護壁,其穩定安全系數與泥漿密度(濃度)是正相關,也不是泥漿濃度越大越好,還需要考慮是否適應鉆孔、浮碴工藝要求。

2.2 泥漿對孔壁的固結作用

GILL[3]通過研究認為,當泥漿徑向壓力小于孔壁主動土壓力的65%～80%時,孔壁是不穩定的,因此提高孔壁穩定性能,需要改善卵石地層的強度。其最佳方法是采用沖擊鉆機成孔,在泥漿護壁的同時,卵石地層厚度范圍直接往孔內投放黏土,通過沖擊錘的擠壓作用,將部分黏土往周邊擠壓填充卵石層空隙,形成一定厚度的泥結石層,該泥結石層具有較高的抗剪能力,能極大提高孔壁的穩定性。在項目早期,通過開展工藝試驗,測得其粘聚強度C=15～20 kPa,內摩擦角φk=38°～45°,護壁防坍效果明顯。膠泥層對孔壁的穩定作用分析如下, 取如圖 2所示的膠泥漿單元,建立受力平衡方程組見式(4)、式(5)。

(4)

(5)

當膠泥微單元應力處于屈服狀態,發生流塑變形時,則孔徑寬度范圍水平應力為式(6)。

(6)

式中:Y為微單元高度;γg為微單元密度;D為成孔半徑;τm為膠泥的抗剪強度。根據孔壁穩定條件PM-PA=0,可推導出孔壁穩定極限深度與卵石地層、泥漿膠結層之間的本構關系為式(7)。

Her=(4τ∪+πτm)/(γg-γm-τm/d)

(7)

其中:Her為孔壁穩定狀態極限深度[4];τ∪為卵石地層抗剪強度;τm為黏土護壁膠結層抗剪強度,PA為孔壁主動土壓力。由式(7)分析可知,對于特定地層,其密度、抗剪強度是確定的,Her是樁徑、泥結層抗剪強度的函數,對同一樁徑的成孔,其孔壁極限安全深度僅僅與泥結層抗剪強度相關,與開挖深度無關,當其它指標確定時,樁基越大其安全深度越小。顯然Her>0,4τ∪+πτm>0,則γg-γm-τm/d>0,由此可知:只有當τm

在卵石地層采用沖擊鉆機成孔過程中,直接往孔內投放黏土的目的是通過鉆頭沖擊作業,將泥土擠入孔壁卵石層空隙,膠結卵石并形成一定厚度的泥皮,因此孔壁抗剪強度主要為黏土膠泥皮抗剪強度,τm=c+σtanφ,由于φ與黏土密度是有關系的,故其抗剪強度與粘聚力、密度有關,而與泥漿密度無關,鑒于黏土投放過程中已充分水解,并經沖擊錘再次擠壓后在孔壁形成泥皮,回歸分析取值取τm=3～6 kPa。在成孔過程中,由于機械挖孔作業,孔壁周邊卵石地層已松動,其粘聚力C在孔壁穩定深度分析中可不予考慮,根據相關文獻,成都平原卵石地層基坑支護分析抗剪強度取設計應用值τ∪=10～15 kPa[5],在此取τ∪=5～8 kPa分析孔壁安全穩定深度。

當樁徑d、卵石土密度γg確定,安全開挖深度,可用指數函數分別表述其與τ∪、τm、γm變量間的關系見式(8)。

Her=AeBx

(8)

式中:A、B為回歸常數、x為變量。相關性指數R2>99%,強相關,見圖3、圖4。

圖3 泥漿濃度改變與穩孔壁深度關系

圖4 孔壁膠泥抗剪強度改變與穩定孔壁深度關系

2.3 沖擊錘對孔壁的負面作用

沖擊錘每次砸向孔底時,對卵石層四周擠密的同時,由于瞬間需要在有限的空間排開相同體積的泥漿,這些泥漿在沖擊四周孔壁同時帶著較大的沖擊能向上方沖刷孔壁,將不穩定砂礫沖刷,導致較大礫石懸空,形成不穩定因素。當鉆頭提起時,孔底瞬間形成負壓,孔內泥漿又沿鉆頭四周向孔底快速流動,同時沖刷孔壁,將不穩定的卵、礫石帶走。由此可知,對于大直徑鉆孔樁,即使采用沖擊鉆機成孔,若僅僅控制鉆頭升降速度,優化泥漿性能指標[6],很難于使孔壁形成膠結泥層的,需同時向孔內投放優質黏土,通過沖擊擠壓作用,在孔壁形成穩定的膠結層、孔內形成高濃度泥漿,則難于提高孔壁穩定能力,并潛伏較高坍孔風險。

3 成孔方法比選與防坍技術措施

項目橋樁涉及地層結構單一,表層為粉質黏土,最大厚度約5 m,第二層即為中密卵石層,厚度3～8 m,其下為全風化至中風化粉砂質泥巖。從地層特性看,出中部卵石層外,表層可采用原位土制漿護壁,下層泥巖穩定性較好,巖渣在機械沖擊作用和水解下可形成泥漿,需要強化護壁的是卵石側,特別是接近8 m的超厚中密卵石層的成孔,在成孔設備選擇,施工工藝及防坍技術措施研究,泥漿處理及技術經濟比較分析多方面開展研究,形成方法可行,環境影響最小,成本可控的成孔技術。

3.1 成孔方法比選

(1)采用適宜型號的正循環沖擊鉆機成孔,全孔護壁較好,設備資源充足,費用低,坍孔風險小,但不足的是泥漿處理量大,施工進度低。

(2)采用適應型號的旋挖鉆機成孔,施工進度快,泥漿處理量較沖擊鉆少,但適宜大孔徑成孔的鉆機資源相對較少,護壁質量差,卵石層坍有孔風險,設備使用費高。

(3)采用不同功能的鉆機分段成孔,上下層采用旋挖設備成孔,中間卵石層改用沖擊鉆機成孔,護壁質量好,坍孔風險小,泥漿處理比全孔采用沖擊鉆機少,但鉆孔過程中不但需要更換設備,而且要設置泥漿循環池等措施,施工進度不如旋挖鉆機快,而且費用高。進過調查分析后,形成成孔技術經濟比選指標見表2。

表2 成孔方法技術經濟比較表

3.2 成孔方法選定

通過3種不同成孔方法的技術經濟比較,采用旋挖鉆機成孔在進度、成本方面具有明顯的優勢,但其最大的不足是在中部卵石地層,因不具備沖擊作用導致護壁質量差,易發生探孔。其次是沖擊、旋挖鉆機組合成孔方法,探孔風險很低,但需要增加設備數量,方可確保工期,而且泥漿集中凈化處理費用尚需250萬元左右。沖擊成孔雖然技術可行,護壁質量好,但由于成本費用太高而被否決,因此項目課題組決定采用旋挖鉆機成孔并針對不同的樁長,制定相應技術措施。

(1)樁位處卵石層厚小于3 m,采用旋挖鉆機直接成孔,在卵石地層增加參入適量水泥的護壁泥漿,水∶黏土∶水泥=1∶0.5∶0.2,若工藝試驗仍存在坍孔現象,則考慮在樁位開展地表預注水泥漿,擴散半徑8 m,配比與護壁泥漿相同。

(2)樁位處卵石層厚大于3 m,采用旋挖鉆機成孔,鋼護筒跟進至卵石層底下0.5 m。樁身混凝土灌注初凝前,采用旋挖鉆機動力鉆頭反轉鋼護筒,將其分節扒出。采用鋼護筒跟進成孔法,開挖單價提高至380元/m3,不包括護筒成本費。

通過經濟成本分析,在全部考慮地面預注水泥漿情況下,成孔總費用大概為沖擊鉆機成孔費用的105%,但比沖擊鉆機成孔節約施工時間2個月,節約2個月現場管理經費月30萬元,通過增加防坍孔輔助技術措施后,采用旋挖鉆機成孔在技術、經濟方面是可行的。

4 結論

(1)在深厚層砂礫石地層成孔,強調孔壁的穩定,應首選沖擊鉆機成孔,并直接往孔內投放黏土,充分發揮錘頭沖擊作業擠密孔壁周邊卵石、形成膠泥穩定層。

(2)泥漿護壁主要發揮泥漿徑向壓力作用,孔壁泥沙膠結層的抗剪作用,安全孔深與泥漿濃度、抗剪強度呈指數函數關系,變量取值范圍與施工工藝要求相關,施工中需根據孔壁穩定情況,以此函數關系為基礎適時調整泥漿指標。通過分析得知,當護壁泥漿密度控制在13 kN/m3左右,安全深度達到10 m,本項目最厚層只有8 m,可確保施工需要。

(3)當樁基1.0 m≤d≤1.75 m時,安全開挖深度與樁徑關系可用冪函數表述。

(4)不同的項目應根據其主要需求,針對不同成孔設備存在的不足,經綜合分析后確定成孔方法,并針對其不足采取其他技術措施,確保實現重點關注的需求。