防洪护岸工程施工旋挖桩效果及孔壁稳定性分析

高能新

(三明市联盛工程咨询监理有限公司,福建 三明 365000)

0 引 言

洪涝灾害严重威胁人民群众的生命财产安全,应加强各类防洪工程建设,维护防洪堤坝的稳固。传统防洪措施大多通过堆叠防汛沙袋、吸水膨胀袋等来筑高堤坝,这种方式耗费大量的人力物力,且加高堤坝的速度远不及水位的上涨速度,而面对特大洪水灾害时,河堤的加高加固稳定性较差。近年来,采用防洪墙来抵御洪灾泛滥所造成的灾害,防洪墙替代了传统的沙袋堆叠挡水的方式,减轻了劳动强度,确保了防洪减灾的可靠性。

福建省三明市三元区属于中亚热带湿润气候,该地区降雨充沛,暴雨频发。黄砂园污水处理厂沿三元区沙溪支流渔塘溪而建,地势呈两端高中间低的浅U形,上下游两端的地面高程分别为149.80和149.83m,中间段布置的浓缩池和机电房最低地面高程仅145.50m,地势相对较低,易受洪水侵害。洪水和污水处理池的有害物质对河道水环境的生态环境以及下游及城区居民的生产生活用水造成威胁。为了提高厂区的防灾减灾能力,对黄砂园污水厂河段进行了长度252.6m的防洪墙工程建设。但该地区土层软土分布较广,软土土层具有含水量较高、透水性较差、压缩性较高、流变性强的特点。受土层影响,该防洪墙工程的旋挖灌注桩基础施工项目面临着较大的不确定性,常用泥浆护壁也较难保持孔壁的稳定,容易造成塌孔或缩颈,对钻孔设备、作业人员等构成威胁。

因此,在本工程施工中,采用水泥土和钢筋笼对桩孔周边进行预加固处理,并对工程的施工效果及孔壁稳定性进行分析,研究成果可为旋挖灌注桩基础在特殊土层和地区的施工提供理论基础和实践经验。

1 旋挖钻孔灌注桩施工质量控制及数值模拟模型设计

1.1 防洪墙工程建设质量控制与旋挖钻孔灌注桩施工技术管理

为了保证防洪墙工程建设优质工程的目标,通过施工进度计划的落实、保证技术人才、施工机械的投入、资源的合理配置与统筹管理等措施,保证进度目标。施工前,完成工作组织与计划、技术、物质、劳动组织与施工现场的准备。根据施工现场实际情况,结合安全生产、文明施工以及统筹兼顾的原则,布置交通、施工条件。施工过程严格落实项目现场布置、施工总平面图的管理。防洪墙工程的建设按照土方工程、混凝土工程、模板工程、钢筋工程、旋挖灌注桩施工的工序展开。在特殊施工条件下,如台风期、冬季、夏季高温、雨季都需做好技术应对和施工技术措施的准备。选派施工经验丰富的专业人员,确保工程全部达到国家现行的工程质量验收标准和设计要求。此外,整个工期坚持“安全第一,预防为主”的施工方针,落实安全管理制度,确保安全、文明施工。

防洪墙工程的基础建设选用旋挖钻孔灌注桩施工工艺,流程图见图1。为了保证施工过程的质量控制,首先引出桩位中心线并对桩位中心点进行标记,确保钻孔机安装位置地基稳固,钻机位置的偏差应控制在2cm以内。当钻孔深度较深时,静水压力作用下,孔壁会向孔内坍塌。对此,工程使用钢护筒对地表水进行隔离,并固定桩孔位置和钻头导向,护筒内径比钻孔直径大20cm。

图1 旋挖灌注桩的施工工艺流程图

该地区土层整体结构较为松散,为了避免成孔过程中出现塌孔现象,工程采用高压旋喷桩,对桩孔周围土层进行预加固处理,通过高压泵将水泥浆喷入土中,凝结硬化后形成水泥土加固体。在旋挖钻进的过程中,根据地层变化调整泥浆浓度和钻进速度,根据土层渣样记录土层变化情况,并始终保证孔内水位高于地下水位0.5m。

钻孔达到设计标高之后,对孔径、孔深和沉渣厚度进行质量核查,确保其符合摩擦桩或端承桩的设计要求。检验达标后进行清孔,清孔时保持孔内水头,防止坍孔。清孔后,对水泥土试样进行性能指标试验,并采用吊车安放制作好的钢筋笼,放置深度符合设计标高,保证钢筋笼保护层偏差为±20mm,笼顶底标高偏差为±50mm。放置就位后,在钢筋笼上部穿管,防止浇筑混凝土时钢筋笼上浮;在钢筋笼安放后,放置直径300mm的导管。该工程采用C25混凝土进行水下混凝土浇筑,混凝土坍落度控制在18～22cm,初凝时间控制在6～8h,且浇筑混凝土时间需控制在清孔后30min内,确保混凝土浇筑的连续性。完成浇筑后,清洗导管、护筒,并对混凝土试样进行力学性能测试。当桩身混凝土超灌高度达到0.8m,用风镐凿出桩头,直至设计高程,保持钢筋的完整性和桩顶的平整干净。

水泥土预加固施工工艺根据水泥土强度来平衡孔壁外层的土压力,工程将灌注桩桩孔视为理想的圆柱形孔,加固区视为圆形孔壁衬砌,水泥土为各向同性均质弹塑性体。加固区的力学分析模型见图2。

图2 新型加固方式加固区的力学分析模型

孔壁的稳定性与水泥土的强度关系密切,工程采用无侧限抗压试验和三轴压缩试验,对水泥土试样强度进行测试。无侧限抗压试验用于判断水泥土试样在没有侧向压力的情况下抵抗轴向荷载的极限强度;三轴压缩试验获取贴合真实环境的三向应力状态下水泥土的力学特性和变形特征。

1.2 旋挖钻孔灌注桩孔壁稳定性数值分析模型的构建

影响旋挖钻孔灌注桩的孔壁稳定性因素较为复杂,理论力学模型求解能够初步判断孔壁的稳定性和受力破坏形态,现场原位试验也可真实反映预加固处理的灌注桩孔壁的变形规律,但原位试验的经济和时间成本过高。数值模拟是指利用控制方程来描述参数的变化关系,采用数值计算对问题进行求解,可获得该问题的定量认识和动态模拟分析,进而根据不同的数值模拟软件和本构方程解决复杂的工程问题。

研究使用岩土工程三维分析软件FLAC3D,对灌注桩旋挖施工过程中预加固孔壁的稳定性进行建模分析。FLAC3D软件的分析方法基于离散元素法,将地质体或者结构物体分解成小的离散元素,再求解它们之间的相互作用。FLAC3D功能强大,拥有大位移的数值稳定性、便捷的输入操作模式和多样式的本构模型,可适用于多种复杂条件下的岩土工程问题,模拟各种结构单元、实体单元以及人工结构单元,包括桩基、衬砌或锚索等。因此,研究使用FLAC 3D仿真软件,建立水泥土加固区的数值模型。

首先以该地区的地层地貌条件为背景,计算数值模拟所需的土层力学参数,确定地下水位深度,模拟实际工程的水文地质条件。建立模型时,仅考虑地下水对土体自重产生的应力影响和土体应力重分布,忽略施工荷载的扰动影响。研究采用摩尔-库伦弹塑性本构模型,模型包括剪切破坏和拉伸破坏,破坏准则见图3。

图3 摩尔-库伦破坏准则示意图

剪切包线满足f(σ1,σ3)=0,根据摩尔-库伦准则,可得到剪切破坏函数,公式如下:

(3)⟹(1): 对任意x ∈ X,由定义1.1和命题1.1知，x ≤ (x → 1) → 1.由引理2.2得， ⊇另一方面，由(3)知，

(1)

式中:c为土体黏聚力;φ为内摩擦角;σ3、σ1为大、小主应力;fs为剪切破坏函数。

拉伸破坏函数公式如下:

ft=σt-σ3

(2)

式中:σt为抗拉强度,σt不应超过大小主应力之差;ft为拉伸破坏函数。

根据渔塘溪地貌土层信息,建立三维实体单元模型,模型总共包括水泥土加固、钻孔灌注桩开挖和其他区域3个部分。模型的左右、前后、底部均设有边界约束条件,左右为ux=0,uy≠0,uz≠0;前后为ux≠0,uy=0,uz≠0;底部为ux≠0,uy≠0,uz=0,模型顶部不设置边界约束条件。为了消除边界约束对孔壁变形及稳定性的影响,考虑到孔壁的塑性扩散范围约为孔径的15倍,因此建模时水平与深度方向、桩下土层均按15倍孔径大小扩增。

2 旋挖钻孔灌注桩水泥土预加固效果与数值模拟结果分析

2.1 旋挖钻孔灌注桩水泥土强度试验分析

为了对水泥土预加固效果进行分析,设计水泥土强度分析试验,研究不同水泥掺量和不同养护环境对水泥土的强度影响。采用环刀取土器对原状土样进行取土,测试原状土的物理特性,同时进行颗粒筛分试验。将湿土样晾干敲打击碎后进行风干,按照配合比计算,制备水泥土制样。之后将制作完成的水泥土试样放置在标准养护箱或淤泥箱中进行养护,直至达到设定养护龄期,取出试样进行试验。

采用无侧限抗压试验,探究水泥掺量变化对无侧限抗压强度的影响规律。初始水泥掺量设置为7%,分别为养护龄期7、14、21、28d,试验结果见图4。由图4可知,不同养护龄期下,随着水泥掺量增加,无侧限抗压强度均呈上升趋势,且不同养护条件下的强度差值越来越大。水泥掺量为7%时,在淤泥养护箱中水泥土抗压强度为0.372MPa,标准养护箱中水泥土抗压强度为0.423MPa,强度差值为0.051MPa;当水泥掺量增至13%时,在淤泥养护箱中水泥土抗压强度为0.594MPa,标准养护箱中水泥土抗压强度为0.657MPa,强度差值为0.063MPa;当掺量继续增长至15%时,二者差值达到0.324MPa。

图4 水泥掺量变化对无侧限抗压强度的影响规律

水泥掺量的增加,导致参与水化反应的水泥含量增加,此时水化胶结物填补了泥土空隙,减小了水泥土混合物的密度。另一方面,水泥水化物氢氧化钙和空气发生碳化反应,降低土体的分散度,物理作用与化学作用联合提升了水泥土强度。但淤泥养护环境下,碳化反应条件不足,因此两种养护条件下无侧限抗压强度差值增大。最后,对强度与掺量进行拟合,可得到二者的关系曲线。综合经济成本,工程取最优水泥掺量10%。

不同围压条件下,水泥土的标准龄期28d时,不同水泥掺量下水泥土试样的应力-应变曲线见图5。由图5可知,水泥土的应力-应变曲线大致可分为4个阶段,即弹性变形过程、塑性硬化过程、软化破坏过程和残余变形过程,可全面反映水泥土开始受力到破坏的全过程变形特征发展,并可分析水泥土不同应力状态下的强度大小和应变情况。弹性变形过程在受力初期,应力与应变呈线性关系发展;随着压力增加,水泥土承受应力变大,应力-应变曲线增长速度放缓。轴向压力的持续增长,土体之间的咬合力成为主要平衡破坏的支撑力,应变继续增长,但应力开始下降。应变持续变化,直到水泥土加固体进入破坏之后的残余变形阶段 。

图5 不同围压条件下水泥土的应力-应变关系曲线

不同掺量变化下水泥土试样存在明显的峰值,且随着围压增大,水泥土破坏的极限应力对应的应变值越大。表明水泥土加固区随着围压的增大,水泥土颗粒之间的咬合作用逐渐增大,轴向应力不会发生陡降,而是随着土颗粒的剪切破坏而逐渐降低,水泥土脆性特征不明显,表现出一定的延性特征。围压较小时,水泥土试样破坏后会向周围膨胀,咬合力不足以抵抗剪应力而导致试样发生突然性破坏,应力-应变曲线在软化阶段曲线下降陡峭。

2.2 旋挖钻孔灌注桩数值模拟结果分析

首先建模分析未预先加固情况下的孔壁稳定性,灌注桩孔壁水平位移与旋挖钻孔深度的关系曲线见图6。由图6可知,随着钻孔深度的增加,水平位移先增大后减小,当钻孔深度为14.8m时,孔壁水平最大位移为251.8mm。可知,钻孔深度在6～14m之间,孔壁边缘处呈小范围塑性状态发展,灌注桩孔内易发生扩孔;当钻孔深度在15m以上,孔壁区域内发生塌孔。表明传统泥浆护壁的支撑力难以平衡孔壁土体应力,孔壁稳定性较差。

图6 旋挖钻孔深度与孔壁水平位移关系曲线

采用数值模拟分析方法,考察不同水泥土加固厚度对灌注桩孔壁稳定性的影响。加固厚度分别设置为0.2、0.4、0.6、0.8m,孔壁水平位移与钻孔深度的关系曲线见图7,由孔壁的水平位移来确定最佳加固深度。由图7可知,随着旋挖桩的旋挖深度增加,不同加固厚度下的水泥土加固区的水平位移均呈增大趋势,灌注桩孔壁的最大水平位移在加固厚度为0.2、0.4、0.6、0.8m时,分别达到84.7、13.2、11.8、10.1mm,最大位移出现在旋挖深度为15.8m附近。随着加固厚度的不断增加,水泥土加固区的孔壁水平位移在不断减小,且加固厚度大于0.4m后,孔壁水平位移变化值减小,孔壁变形趋于稳定。由此表明,当加固厚度选择0.2m时,施工过程孔壁变形较大,易发生塌孔。因此,工程中水泥土的加固厚度选择0.6m。

图7 不同加固深度对孔壁水平位移的影响

综上所述,在该工程地质条件下进行灌注桩的旋挖施工中,采用传统的泥浆护壁已不能满足孔壁的稳定性需求。为了解决施工过程中孔壁易坍塌、缩孔的问题,水泥土预加固的方式是工程顺利推进的有效保障。根据孔壁的水平位移大小,可推断水泥土的最佳加固厚度。

3 结 论

为了有效解决旋挖钻机在深厚软弱土层条件下塌孔、缩颈等问题,在工程施工中,对桩基孔壁进行了预加固处理,并对孔壁的稳定性进行了分析。结果表明,随着水泥掺量增加,水泥土加固区无侧限抗压强度不断增加,且标准养护条件下强度增长值更大。当水泥掺量为10%时,在一定围压下孔壁的加固区域呈延性破坏,水泥土加固方式有效维持了孔壁稳定性。同时,合理的加固厚度有利于维持孔壁稳定性。水泥土和钢筋笼联合加固,有效解决了塌孔问题,维持了灌注桩孔壁的稳定性。但研究的数值模型未考虑成孔时间对稳定性的影响,与实际工程仍存在一定差距。