砂卵石地层大直径桥桩成孔防坍技术

刘敬杨

(四川省交通建设集团股份有限公司,四川成都 610093)

0 引言

G0512成都至乐山高速公路扩容建设项目新建复线长约41.5 km,投资138亿元,线路起于成都市三环路川藏立交,沿成都市规划预留廊道布线,沿途上跨成都绕城高速公路、成绵乐城际高速铁路、成都双流机场高速,止于眉山市彭山区青龙场枢纽互通,并与已竣工使用的改建段联通。新建复线位移成都平原核心区域,岷江水系二级阶地上部为第四系上更新统冲洪积层(Q3al+pl),为有二元结构[1],线路走廊范围内城市道路与高速公路相互交织,线路以高架桥梁结构为主,基础以钻孔桩为主,桩径φ=2.2 m,长度在L=18～33 m不等,工程地质特征见表1。从表1中可知中层为中密卵石地层,成孔防坍是项目高效施工的关键工序,为此需要结合桩基施工生产强度、卵石地层工程特征,开展成孔防坍技术措施研究,不同成孔方法与护壁措施的技术经济比较,常用护壁泥浆参数与孔壁稳定关系分析、成孔设备及方法比选等,据此指导施工生产。

表1 工程地层特征

1 砂卵石地层大直径桥桩防坍机理分析

地层在未挖孔前,初始地应力处于平衡状态,成孔后地应力平衡受到破坏,地层强度高、稳定性好,在地层卸荷后,通过地应力调整可重新平衡,不会出现坍塌;对于散粒地层,本身强度低、胶结差,成孔卸荷后若不对其采用技术干预,则地应力在调整过程中难于实现平衡,只能在变形、坍塌过程中实现再平衡,而采用合适的技术措施,确保成孔后不坍塌,是施工方法或工艺技术需要解决的问题。

基于经典土力学的土体滑移理论,图1为孔壁某处,处于极限稳定平衡状态高度为H的OAB楔形体的力学模型图,PM为孔内泥浆或其它填充物对孔壁侧压力,W为具有下滑趋势的滑体自重,R为滑移面对下滑体的阻滑力,θ为滑移面与水平面夹角,α为下滑阻力合理与下滑面法线夹角。

图1 卵石地层孔壁极限稳定平衡示意

图2 孔壁胶泥微单元稳定平衡示意

由此,当PM=0,其产生的下滑摩阻力为0,坍滑风险高。当地层为卵石类散粒体,其粘结力C=0,下滑阻力R减小,孔壁稳定性差。因此提高孔壁稳定途径是增加孔内径向压力PM,提高卵石类散粒体的粘结力既抗剪强度[2]。

2 提高卵石地层桥桩成孔孔壁稳定的技术措施

维持卵石地层桩孔内径向压力、提高其粘结力的最佳技术措施是采用全孔泥浆护壁,冲击钻机成孔,冲击钻机冲击能可将黏土挤入卵石层,形成泥皮和卵石固结圈,提高孔壁抗剪能力。在机械钻孔过程中,泥浆具有主要具有3项功能:①提供径向压力,形成孔壁胶泥层,发挥防坍作用;②润滑钻具,降低钻具磨耗或损坏;③非旋挖设备成孔浮碴。

2.1泥浆对孔壁的径向作用

在散粒体地层垂直成孔,由于散粒体C值很小或为0,没有护壁措施则坍孔可能性极高,以图1处于极限状态的楔形土块分析,根据静力平衡理论得式(1)。

PM=Wtan(θ-α)

(1)

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

式中:γm为不计砂率的泥浆密度;γ为土体密度。

由式(1)可得式(2)。

(2)

孔壁安全系数与泥浆密度的本构关系为式(3)。

(3)

式中:Fs为孔壁安全稳定系数;φ0为散粒土体内摩擦角。由式(3)可知,当特定土体在成孔过程中,若采用泥浆护壁,其稳定安全系数与泥浆密度(浓度)是正相关,也不是泥浆浓度越大越好,还需要考虑是否适应钻孔、浮碴工艺要求。

2.2 泥浆对孔壁的固结作用

GILL[3]通过研究认为,当泥浆径向压力小于孔壁主动土压力的65%～80%时,孔壁是不稳定的,因此提高孔壁稳定性能,需要改善卵石地层的强度。其最佳方法是采用冲击钻机成孔,在泥浆护壁的同时,卵石地层厚度范围直接往孔内投放黏土,通过冲击锤的挤压作用,将部分黏土往周边挤压填充卵石层空隙,形成一定厚度的泥结石层,该泥结石层具有较高的抗剪能力,能极大提高孔壁的稳定性。在项目早期,通过开展工艺试验,测得其粘聚强度C=15～20 kPa,内摩擦角φk=38°～45°,护壁防坍效果明显。胶泥层对孔壁的稳定作用分析如下, 取如图 2所示的胶泥浆单元,建立受力平衡方程组见式(4)、式(5)。

(4)

(5)

当胶泥微单元应力处于屈服状态,发生流塑变形时,则孔径宽度范围水平应力为式(6)。

(6)

式中:Y为微单元高度;γg为微单元密度;D为成孔半径;τm为胶泥的抗剪强度。根据孔壁稳定条件PM-PA=0,可推导出孔壁稳定极限深度与卵石地层、泥浆胶结层之间的本构关系为式(7)。

Her=(4τ∪+πτm)/(γg-γm-τm/d)

(7)

其中:Her为孔壁稳定状态极限深度[4];τ∪为卵石地层抗剪强度;τm为黏土护壁胶结层抗剪强度,PA为孔壁主动土压力。由式(7)分析可知,对于特定地层,其密度、抗剪强度是确定的,Her是桩径、泥结层抗剪强度的函数,对同一桩径的成孔,其孔壁极限安全深度仅仅与泥结层抗剪强度相关,与开挖深度无关,当其它指标确定时,桩基越大其安全深度越小。显然Her>0,4τ∪+πτm>0,则γg-γm-τm/d>0,由此可知:只有当τm

在卵石地层采用冲击钻机成孔过程中,直接往孔内投放黏土的目的是通过钻头冲击作业,将泥土挤入孔壁卵石层空隙,胶结卵石并形成一定厚度的泥皮,因此孔壁抗剪强度主要为黏土胶泥皮抗剪强度,τm=c+σtanφ,由于φ与黏土密度是有关系的,故其抗剪强度与粘聚力、密度有关,而与泥浆密度无关,鉴于黏土投放过程中已充分水解,并经冲击锤再次挤压后在孔壁形成泥皮,回归分析取值取τm=3～6 kPa。在成孔过程中,由于机械挖孔作业,孔壁周边卵石地层已松动,其粘聚力C在孔壁稳定深度分析中可不予考虑,根据相关文献,成都平原卵石地层基坑支护分析抗剪强度取设计应用值τ∪=10～15 kPa[5],在此取τ∪=5～8 kPa分析孔壁安全稳定深度。

当桩径d、卵石土密度γg确定,安全开挖深度,可用指数函数分别表述其与τ∪、τm、γm变量间的关系见式(8)。

Her=AeBx

(8)

式中:A、B为回归常数、x为变量。相关性指数R2>99%,强相关,见图3、图4。

图3 泥浆浓度改变与稳孔壁深度关系

图4 孔壁胶泥抗剪强度改变与稳定孔壁深度关系

2.3 冲击锤对孔壁的负面作用

冲击锤每次砸向孔底时,对卵石层四周挤密的同时,由于瞬间需要在有限的空间排开相同体积的泥浆,这些泥浆在冲击四周孔壁同时带着较大的冲击能向上方冲刷孔壁,将不稳定砂砾冲刷,导致较大砾石悬空,形成不稳定因素。当钻头提起时,孔底瞬间形成负压,孔内泥浆又沿钻头四周向孔底快速流动,同时冲刷孔壁,将不稳定的卵、砾石带走。由此可知,对于大直径钻孔桩,即使采用冲击钻机成孔,若仅仅控制钻头升降速度,优化泥浆性能指标[6],很难于使孔壁形成胶结泥层的,需同时向孔内投放优质黏土,通过冲击挤压作用,在孔壁形成稳定的胶结层、孔内形成高浓度泥浆,则难于提高孔壁稳定能力,并潜伏较高坍孔风险。

3 成孔方法比选与防坍技术措施

项目桥桩涉及地层结构单一,表层为粉质黏土,最大厚度约5 m,第二层即为中密卵石层,厚度3～8 m,其下为全风化至中风化粉砂质泥岩。从地层特性看,出中部卵石层外,表层可采用原位土制浆护壁,下层泥岩稳定性较好,岩渣在机械冲击作用和水解下可形成泥浆,需要强化护壁的是卵石侧,特别是接近8 m的超厚中密卵石层的成孔,在成孔设备选择,施工工艺及防坍技术措施研究,泥浆处理及技术经济比较分析多方面开展研究,形成方法可行,环境影响最小,成本可控的成孔技术。

3.1 成孔方法比选

(1)采用适宜型号的正循环冲击钻机成孔,全孔护壁较好,设备资源充足,费用低,坍孔风险小,但不足的是泥浆处理量大,施工进度低。

(2)采用适应型号的旋挖钻机成孔,施工进度快,泥浆处理量较冲击钻少,但适宜大孔径成孔的钻机资源相对较少,护壁质量差,卵石层坍有孔风险,设备使用费高。

(3)采用不同功能的钻机分段成孔,上下层采用旋挖设备成孔,中间卵石层改用冲击钻机成孔,护壁质量好,坍孔风险小,泥浆处理比全孔采用冲击钻机少,但钻孔过程中不但需要更换设备,而且要设置泥浆循环池等措施,施工进度不如旋挖钻机快,而且费用高。进过调查分析后,形成成孔技术经济比选指标见表2。

表2 成孔方法技术经济比较表

3.2 成孔方法选定

通过3种不同成孔方法的技术经济比较,采用旋挖钻机成孔在进度、成本方面具有明显的优势,但其最大的不足是在中部卵石地层,因不具备冲击作用导致护壁质量差,易发生探孔。其次是冲击、旋挖钻机组合成孔方法,探孔风险很低,但需要增加设备数量,方可确保工期,而且泥浆集中净化处理费用尚需250万元左右。冲击成孔虽然技术可行,护壁质量好,但由于成本费用太高而被否决,因此项目课题组决定采用旋挖钻机成孔并针对不同的桩长,制定相应技术措施。

(1)桩位处卵石层厚小于3 m,采用旋挖钻机直接成孔,在卵石地层增加参入适量水泥的护壁泥浆,水∶黏土∶水泥=1∶0.5∶0.2,若工艺试验仍存在坍孔现象,则考虑在桩位开展地表预注水泥浆,扩散半径8 m,配比与护壁泥浆相同。

(2)桩位处卵石层厚大于3 m,采用旋挖钻机成孔,钢护筒跟进至卵石层底下0.5 m。桩身混凝土灌注初凝前,采用旋挖钻机动力钻头反转钢护筒,将其分节扒出。采用钢护筒跟进成孔法,开挖单价提高至380元/m3,不包括护筒成本费。

通过经济成本分析,在全部考虑地面预注水泥浆情况下,成孔总费用大概为冲击钻机成孔费用的105%,但比冲击钻机成孔节约施工时间2个月,节约2个月现场管理经费月30万元,通过增加防坍孔辅助技术措施后,采用旋挖钻机成孔在技术、经济方面是可行的。

4 结论

(1)在深厚层砂砾石地层成孔,强调孔壁的稳定,应首选冲击钻机成孔,并直接往孔内投放黏土,充分发挥锤头冲击作业挤密孔壁周边卵石、形成胶泥稳定层。

(2)泥浆护壁主要发挥泥浆径向压力作用,孔壁泥沙胶结层的抗剪作用,安全孔深与泥浆浓度、抗剪强度呈指数函数关系,变量取值范围与施工工艺要求相关,施工中需根据孔壁稳定情况,以此函数关系为基础适时调整泥浆指标。通过分析得知,当护壁泥浆密度控制在13 kN/m3左右,安全深度达到10 m,本项目最厚层只有8 m,可确保施工需要。

(3)当桩基1.0 m≤d≤1.75 m时,安全开挖深度与桩径关系可用幂函数表述。

(4)不同的项目应根据其主要需求,针对不同成孔设备存在的不足,经综合分析后确定成孔方法,并针对其不足采取其他技术措施,确保实现重点关注的需求。