特殊海洋环境下钻孔灌注桩护筒底部防穿孔研究

2021-08-25孙丽琦谢友红

港工技术 2021年4期

强龙，孙丽琦，谢友红

（1.天津中北建设工程管理有限公司，天津 300222；2.天津铭睿管理咨询有限公司，天津 300450）

1 工程概况

1.1 工程主要内容

江苏沿海某跨海大桥全长10 km。桥梁上部采用3 榀30 m 或40 m 标准跨距的组合箱梁结构，下部结构包括承台、立柱及盖梁结构和桩基础，深水区桩基础采用打入式PHC 桩，浅水区桩基础采用钻孔灌注桩。其中，钻孔灌注桩总数为484 根，分为1.8 m 和1.6 m 两种直径，桩长从67.1 m～72.9 m 不等，桩顶标高+11.85 m～+6.1 m 不等。钻孔灌注桩在搭设的钢结构钻孔平台上采用回旋钻机施工，护筒顶标高与钻孔平台顶标高一致，从近岸侧最高处+15.5 m 向海域最低处+10.8 m 平缓过渡，护筒入土深度在普遍10 m～12 m 左右。

1.2 工程水文地质情况

1）工程水文情况

本工程施工区域属于规则的半日潮海区，浅海分潮作用比较显著。根据国家海洋局第二海洋研究所2008 年7 月～2009 年6 月实测资料统计，潮位情况如下（以当地理论最低潮面起算）：

最高高潮位7.74 m；最低低潮位0.00 m；平均高潮位6.02 m；平均低潮位1.58 m；平均潮差4.44 m；最大潮差7.27 m；最小潮差0.95 m；平均海面3.81 m。

2）工程地质情况

根据工程勘察结果，钻探揭露深度内土层分布较有规律，勘察单位综合地层的物理力学性质等特征，对勘察深度内的土层进行了单元土体的划分，主要土层自上而下依次为：

第一大层：海相沉积层，主要地层为①粉砂。

第二大层：海相沉积层，主要地层为②1淤泥质粉质粘土夹粉层、②2粉砂夹层、粉土、②3粉砂。

第三大层：海陆过渡相沉积层，主要地层为③1粉质粘土、③2粉质粘土、粉土夹层。

第四大层：海陆过渡相沉积层，主要地层为粉砂夹层、④1粉砂及④2粉细砂。

2 穿孔描述

2.1 首批钻孔灌注桩穿孔

本工程首批钻孔灌注桩开工后，多次发生钻进至护筒底口处穿孔。在组织首批钻孔的12 根灌注桩中，就有5 根灌注桩发生护筒底部穿孔。具体情况详见表1。

表1 首批钻孔灌注桩施工情况一览表

2.2 第二批钻孔灌注桩穿孔

结合首批灌注桩的成孔情况，分析研究后增加了过渡段钻孔灌注桩的护筒长度和入土深度2m。继续开始第二批8 根钻孔灌注桩的施工。其中，又有3 根灌注桩在护筒底部发生穿孔。具体情况详见表2。

表2 新增钻孔灌注桩穿孔施工情况一览表

3 研究分析

3.1 初步分析

一般地，在钻孔灌注桩钻孔施工过程中发生的穿孔主要是由于地质太差，存在流沙、流塑状淤泥层，相邻桩孔间距过小或者孔内水位过高导致。

根据表1和表2的数据反映，墩300-5、墩298-1、墩295-2、墩297-1 灌注桩护筒底口穿孔发生的主要地层为②3粉砂，墩7-2、墩11-2 灌注桩护筒底口穿孔发生的主要地层为②2粉砂夹层、粉土，墩300-1墩3-2 灌注桩护筒底口穿孔发生的主要地层为②1淤泥质粉质粘土夹粉层，不存在明显不良地质影响。

其次，灌注桩钻孔施工严格遵循跳桩钻进的原则，相邻孔位间距均大于3 倍桩径。灌注桩护筒底部穿孔发生时，出现护筒内液面急速下降和护筒外壁海水变得非常浑浊的现象，其相邻灌注桩护筒内的液面没有发生变化，说明护筒底部的穿孔是单一自内向外的“外穿孔”，而非孔间互穿的情况。

最后，根据收集到的8 根钻孔灌注桩穿孔前护筒内的液化变化数据，查询当日对应时刻的潮汐表数据分析对比发现，护筒内的液面标高与护筒外的潮位相差均超出设计要求的1.5 m～2.0 m，最小值为4.52 m，最大值为6.17 m。具体情况见图1。

图1 穿孔前液面、潮位差对比图/m

结合地勘报告分析，8 根钻孔灌注桩穿孔前护筒内的孔内水压均超出各自护筒底口所处土层的极限应力；同时，也验证了在本工程地质条件下，钻孔灌注桩发生护筒底部外穿孔和护筒内液面高于潮位存在显著相关性。

3.2 深入研究

通过研究分析，证明了钻孔灌注桩钻孔过程中，护筒内液面高度控制不佳是导致钻孔灌注桩在钻进至护筒底部后频繁出现穿孔的主要原因之一。围绕这个要因，在继续进行深入调查和研究时，又发现了更深层次的原因和问题。

1）大潮差、潮汐变化快对钻孔灌注桩护筒内液面高度控制的不利影响。

据了解，8 根钻孔灌注桩护筒底部穿孔大部分处于大潮汛、大潮差落潮期间，潮位变化快。结合潮汐表对应8 根钻孔灌注桩当日施工时的潮位数据统计分析发现，施工期最大潮差6.85 m，最小潮差6.25 m，高于设计平均潮差4.44 m。在落潮时段，潮位最大变化达到3.0 m/h。

由于施工过程中，对这种大潮差、潮汐变化快以及高护筒等特殊环境和特殊工况对施工的不利影响认识不足，特别是当灌注桩钻孔钻进至护筒底口时，未能实时根据潮位变化动态调整护筒内的液面高度，护筒内液面长期处于高位。

2）护筒周边的土体液化，抗剪性陡降。

钻孔灌注桩钢护筒打入采用振动锤，结合地质情况分析和现场观察，护筒振动打入土体过程中，护筒周边的土体均发生了不同程度的液化现象，护筒周边的土体抗剪性陡降。当灌注桩钻孔钻进至护筒底口，护筒内的液面仍处于高位而护筒外的潮位处于低位时，护筒周边液化土体会因土体抗剪性陡降，在压力差的作用下这一薄弱区域成为穿孔通道。

3）风、浪或水流作用对护筒影响明显，施工过程护筒稳定性差。

本工程钻孔灌注桩护筒施工长度普遍为24 m，护筒顶标高与钻孔平台顶标高一致，从岸侧平台最高处标高+15.5 m向海域平台最低处标高+10.8 m平缓过渡，护筒入土深度普遍在10 m～12 m 左右，即使受地形变化影响，护筒外露长度均超过10 m。护筒打入后没有及时固定，在风、浪或水流作用下仍会产生细微的晃动，土体应力得不到及时恢复，导致施工过程护筒稳定性差。