破碎岩层钻孔灌注桩小导管预注浆加固方案分析

■谢仁迁

（三明市路桥集团昌盛公路工程有限公司，三明 365001）

工程中遭遇不良地质特别是破碎带等，会极大地影响施工的进度，严重时将造成人员伤亡和财产损失[1]。破碎岩层是一种常见的不良地质，由于其强度较低、变形较大的特点，往往是施工中最受关注的区域[2]；通常工程中会采用注浆加固[3]、锚杆[4]等手段进行处置，其目的是为了提高岩体的整体性和稳定性，确保在后续施工中不产生大变形、漏浆等不良现象[5-6]。对此已有诸多学者进行了研究[7-9]。其中，小导管预注浆加固由于其较好的支护效益被工程人员所青睐[9-11]，但该方法常用于隧道工程中，对于破碎岩层中的钻孔灌注桩施工的加固方案研究较少。采用泥浆护壁钻孔灌注桩进行成孔作业易造成漏浆、塌孔等一系列问题，严重时会阻碍后续施工的进行，同时较难把握施工质量。因此有必要对破碎岩层段钻孔灌注桩小导管预注浆加固处理方案开展研究。本文基于某桥梁工程，建立小导管预注浆加固三维数值模型，通过与现场预试验结果进行对比，验证模型的合理性；并考虑不同小导管间距，对比不同方案的加固效果，最终得到最优方案，以期为日后类似工程提供思路。

1 工程概况

根据详勘发现，拟建场地不良地层主要为：中风化泥质砂岩（破碎）、中风化泥质砂岩（破碎）、中风化泥岩（破碎）、中微风化泥岩（破碎），如图1所示。

图1 地勘芯样

该项目采用泥浆护壁钻孔灌注桩进行成孔作业，当桩基钻进至中风化泥岩（破碎）、中微风化泥岩（破碎）、中风化泥质砂岩（破碎）等破碎带地层，普遍出现了塌孔问题，并存在严重灌注砼超方；其中某些桩基施工过程中，出现大范围持续塌孔，导致钢护筒掉入孔内无法取出，严重影响桩基施工安全问题，如图2 所示。针对上述问题提出小导管预注浆加固的处理方案。

图2 桩基施工过程塌孔掉钻示意图

2 小导管预注浆加固处理效果分析

2.1 数值模型建立

为探究“小导管预注浆加固法”加固效果，选取现场处于中风化泥岩（破碎）、中微风化泥岩（破碎）地层，破碎地层厚度33.5 m 的桩基作为“小导管预注浆加固法”的模拟对象，其设计桩径和桩长分别为1.8 m 和48 m。对此拟采取桩身范围外小导管注浆进行预加固，单孔布设32 根小导管（长度0.4 m、双层ϕ48 mm、间距0.5 m），小导管钻孔深度穿越破碎层厚3 m，共计钻孔7755 m，小导管布置如图3所示。

图3 双层小导管布设及加固范围示意图

针对上述试验桩建立三维数值模型，同时根据其所在地质情况及现场测试结果进行简化并建模，对比加固前后孔壁径向位移，各地层分布及相关参数如表1 所示。其数值模型如图4 所示。

表1 土体分布及参数设置

图4 模型示意图

2.2 无加固措施成孔数值模拟

对无加固措施的钻孔施工进行模拟，模拟时首先对模型进行地应力平衡，随后进行钻孔工况。由于竖向位移分量较小可忽略不计，因此以最大位移近似代替径向位移。计算结果表明，在无加固措施的情况下，成孔后中风化泥质砂岩（破碎）等破碎带地层的径向位移较大，不同截面处径向位移如图5所示。图6 为成孔范围径向变形示意图，两侧孔壁位移绝对值相等方向相反，从图中可以看出，在破碎带所在范围均有大变形出现，最大径向位移达256 mm，认为此时在该范围内将出现塌孔现象，无法保证施工安全，因此需采取一定的加固措施。

图5 小导管预注浆加固措施成孔后径向位移

图6 成孔范围径向变形示意图

2.3 小导管预注浆加固施工数值模拟

针对上述问题，通过三维数值模拟建立“小导管预注浆加固法”施工模型，内侧小导管距桩身0.4 m，两层小导管间距0.5 m，根据现场测试发现，当注浆压力为2 MPa 时，小导管注浆加固范围为0.5 m，此时单根小导管混凝土用量约为2.1 t，最终模型如图7 所示。模拟时首先进行地应力平衡，随后对注浆范围岩土体进行加固，最后进行钻孔施工。

图7 小导管注浆加固模拟示意图

对比不同界面位置处的径向位移发现，当采取了加固措施后，在钻孔深度范围内其径向位移均有不同程度的降低，如图8 所示。图9 显示采用了小导管注浆加固措施成孔后加固区内径向变形示意图，从图中可以看出径向位移显著减小，最大值仅42.6 mm，同时相较于无加固时变形较大区域显著减小，且仅出现在破碎带底部位置，且其最大位移相对于无加固时减小84.3%。认为采用小导管注浆加固可有效限制钻孔孔洞的径向位移，有效抑制塌孔的发生。

图9 成孔范围径向变形示意图

3 小导管预注浆加固方案对比

从上文可以发现采用的小导管预注浆加固效果较好，本节针对不同小导管间距加固方案进行对比，选取小导管间距为0.4、0.6 和0.7 m 的情况，探究在此情况下的加固效果。

3.1 小导管间距0.4 m

对于0.4 m 间距的情况，由于小导管间距减小，注浆总量增大，因此整体强度相对于0.5 m 间距的情况有所升高，在数值模拟时采用对注浆体力学参数加强的方法进行模拟；基于实测注浆范围、注浆量、工程经验及文献分析，此时对内摩擦角和黏聚力加强12%。图10 为小导管间距0.4 m 时成孔范围径向变形示意图，可以发现相较于0.5 m 间距方案径向位移仍有降低，约24%。此时钻孔深度范围内变形均被限制在安全范围内，且方案孔壁变形极小。

图10 小导管间距0.4 m 成孔范围径向变形

3.2 小导管间距0.6 m

当小导管间距为0.6 m 时，基于实测注浆范围、注浆量、工程经验及文献分析，需对注浆体力学参数折减15%。由于小导管间距的增大，加固体强度下降，因此钻孔后孔壁不同深度径向位移均有显著增加；最大变形发生在深46.5 m 处，最大值达71.8 mm，如图11 所示。

图11 小导管间距0.6 m 成孔范围径向变形

当间距增大到0.6 m 时，最大径向变形为小导管间距0.5 m 时的168%，且存在较大区域变形过大，因此采用0.6 m 的加固方案可能会出现塌孔的情况，存在一定的安全隐患，不利于后续施工。

3.3 小导管间距0.7 m

当小导管间距为0.7 m 时，其内摩擦角和黏聚力需折减25%。可以发现，相比于0.6 m 间距时其成孔后孔壁径向位移仍有较大升高，最大值达99.3 mm，为小导管间距0.5 m 时的2.3 倍，如图12 所示。同时，可以看出在破碎带范围均发现有较大变形出现，相比0.6 m 间距增大明显。因此在该措施下无法有效抑制塌孔的出现，同时会伴随较大的缩孔，已无法形成可靠的加固。根据地质条件及工程经验推测，对于间距大于0.6 m 时两种方案均会发生塌孔现象，不满足安全施工的要求。

3.4 不同小导管间距对比

图13 为不同深度及最大值位置孔壁径向位移，可以发现随小导管间距的加大不同深度处的径向变形量均不断增加，且呈现间距较小时变形增加缓慢，间距较大时变形增加较快的发展规律；当小导管间距小于0.5 m 时，钻孔深度范围孔壁的变形量均在安全限值内，可保证其不发生塌孔和大变形；当间距大于0.5 m 时，在钻孔下部位置变形量较大，根据地质条件及工程经验推测，此时孔壁已坍塌，不满足安全施工的要求。

图13 不同深度截面及最大值位置处孔壁径向位移曲线图

4 现场试验

针对模拟所选用的试验桩进行现场试验，通过上文研究得知，当注浆压力为2 MPa 时，小导管间距采用0.5 m 即可达到安全施工的要求，因此现场试验选取该方案进行。试验中小导管注浆共7135 m，水泥总用量270 t。根据实际现场监测，在打孔埋设小导管注浆后，成孔至浇筑砼过程中，未发生塌孔现象，施工进展顺利，浇筑后，混凝土充盈系数在1.18 以内，桩检质量合格，如图14 所示。现场试验结果说明该方案下小导管预注浆加固较好地避免了漏液和塌孔的发生，同时验证了本文研究的合理性。

图14 “小导管预注浆加固法”现场试验图

5 结论

本文通过建立破碎岩层钻孔灌注桩施工的三维数值模型，对比了小导管预注浆加固效果，并通过现场试验验证，形成结论如下：（1）小导管预注浆加固可以有效减小破碎岩层钻孔后孔壁的径向变形，抑制塌孔的发生，为后续施工提供良好条件；（2）钻孔孔壁变形量对小导管间距较敏感，对于双层小导管，当注浆压力为2 MPa、间距为0.5 m 时，孔洞整体变形量较小，可有效防止塌孔的发生，其最大径向位移为未加固时的15.7%；当小导管间距为0.4 m 时，变形量小，但方案过于保守，成本较高；当增加小导管的间距为0.6 m 和0.7 m 时，钻孔后其孔壁变形量有较大增加，分别为间距为0.5 m 时的1.7和2.3 倍；（3）当小导管间距较大时，减小间距可极大降低孔壁的径向变形，但当间距较小时，采用减小小导管间距的方法产生的效果减弱，此时可选用其他加固方案。