基于雙液高壓旋噴注漿處理后樁基持力層安全厚度分析

唐明裴，王如寒，寧平華

(廣州市市政工程設計研究總院有限公司，廣州 510060)

橋梁樁基在巖溶發育地區的設計與施工一直是工程的重點與難點，目前國內外學者針對樁基持力層(即溶洞頂板)安全厚度展開了一系列研究，文獻[1]將溶洞頂板模擬為混凝土梁或板，簡單直觀地分析了初等梁板理論下的溶洞頂板安全厚度.文獻[2]采用溶洞頂板固結梁力學模型，分析了溶洞頂板的穩定性.文獻[3]采用有限單元法對溶洞頂板進行了受力與穩定分析.文獻[4-5]分析了基于臨界破壞和莫爾破壞的溶洞頂板安全厚度.文獻[6]對溶洞地區嵌巖樁承載力進行了相關試驗，得出了其破壞模式及相關計算公式.

以上文獻從理論到試驗，從初等梁板力學模型破壞到失穩破壞等，得出的結論與JGJ 94—2008《建筑樁基技術規范》[7]中的相關規定相吻合：樁端以下硬持力層厚度不宜小于3d(d為樁徑)，對于小直徑橋梁樁基易滿足.對于大跨度橋梁樁基，其設計上一般采用大直徑嵌巖樁，若嵌巖深度取1d(若上覆蓋較深淤泥層還需增加)，則總持力層厚度需為4d.按此設計準則，當樁徑為2 m時，所需持力層厚度達8 m，樁徑越大所需的持力層厚度越大，對于巖面起伏較大的巖溶發育地區很難滿足.此時加長樁基穿過溶洞，會大大增加投資而不經濟，同時繼續往下有可能使得溶洞不滿足完整持力層厚度.如廣東清遠市某在建大跨度橋梁因遇到連續串珠狀溶洞，部分樁基的樁長設計超過100 m，大大增加了施工難度、施工風險和工程造價.因此，本文作者針對巖溶發育地區樁基，提出采用雙液高壓旋噴注漿法形成有效的人造持力層，使得樁端下溶洞頂板可小于3d而仍具有可靠的安全性.

1 雙液高壓旋噴注漿法

雙液高壓旋噴注漿法采用水泥、水與水玻璃混合液按一定比例配合，利用高壓泥漿泵把漿液從噴嘴中噴射出去形成高壓噴射流，沖擊破壞巖土體，同時借助注漿管的旋轉和提升，使漿液與從土體崩落(切割)下來的土粒、砂粒攪拌混合，經凝固后，便在巖土體中形成水泥、砂、土體混合的一定強度的固結體，極大地提高了溶洞的處理效率.

文獻[8-10]研究了水泥-水玻璃雙液注漿的力學特性，根據水灰比及水泥-水玻璃的比例不同，水泥-水玻璃漿液凝固3d強度均可達到 4～17 MPa，強度指標可滿足持力層要求.由文獻[11-13]可知，大多數理論研究和實際工程將雙液高壓旋噴注漿法用于加固處理，很少用于橋梁樁基持力層，一方面是缺少理論分析，另一方面是對雙液高壓旋噴注漿法施工工藝難以把控.

本文作者經過理論分析和工程實踐研究，將雙液漿配合比(質量比)為水泥∶水∶水玻璃=1∶0.8∶0.12，注漿前宜由試驗試配確定，以滿足旋噴注漿施工對漿液流動性和固結體抗壓強度指標的要求，即水泥土固結體28 d齡期單軸抗壓強度不小于15 MPa.施工參數如下：壓力為20～25 MPa，流量為60～70 L/min，提升速度為8～10 cm/min，旋轉速度為8～10 r/min，噴射段為洞頂上延0.5 m，洞底下延0.5 m.這樣保證溶洞頂底板接觸面整齊，溶洞空間由注漿液完全填充，水泥土固結體與巖體充分接觸，巖層溶洞頂板范圍內無縫隙，解決溶洞頂板裂隙和空隙問題.

2 溶洞頂板受力分析

根據文獻[1-6]，溶洞頂板安全性分析從初等梁板力學模型得到的結果只要考慮足夠的安全系數，與失穩分析和試驗得到的結果大致一致.本文先從初等梁板力學模型的角度推導出注漿形成人造持力層前后溶洞頂板彎曲破壞、沖切破壞的相關公式，再從工程試驗角度進一步加以論證.

2.1 溶洞頂板彎曲破壞分析

頂板巖層較完整時可按兩端固定梁計算，其計算跨徑取為樁徑.注雙液漿前后剖面見圖1，對應的簡化力學模型見圖2.其中：d為樁基直徑；h0為樁基嵌巖深度，h1為溶洞頂板厚度，h2為溶洞深度；q為樁底應力；L為溶洞跨徑.

注漿前溶洞頂板單位寬度最大彎矩

(1)

對于嵌巖樁

(2)

式中：F為單樁極限承載力；A為樁底面積.

得到溶洞頂板應力為

(3)

式中：W為溶洞頂板豎向截面抗彎截面系數.

溶洞頂板安全應滿足

(4)

式中：R為巖石抗拉強度；k為安全系數；frk為巖石的飽和單軸抗壓強度標準值；擬定R=λfrk，一般λ取0.1～0.02[2].

將式(3)代入式(4)中，可得

(5)

若取q=5 MPa，L=d，frk=15 MPa，λ=0.05，k=2.5，可得h1≥2.9d，這與規范中規定的樁端以下硬持力層厚度不宜小于3d相吻合[1].

注漿后按組合材料單位寬度固定梁計算，溶洞頂板與人造持力層受力示意見圖3.上部為溶洞頂板，下部為注漿形成的人造持力層，兩者共同受力.采用截面分力法，將整體截面作用的彎矩M分解為作用于溶洞頂板、人造持力層截面上的彎矩M1，M2及其軸力N.

截面上分解作用力平衡式為

M1+M2+N·L1=M

(6)

截面轉角與軸向變形平衡式為

(7)

溶洞頂板最大應力為

(8)

將式(6)、式(7)代入式(8)，可得

(9)

從式(9)可以看出，h1、h2的相互關系、巖層與人造持力層的彈性模量比對溶洞頂板受力有很大的影響.

當h1=h2，n=2，L=d時，可得

h1≥1.3d

(10)

當滿足式(10)時，采用雙液漿人造持力層能保證頂板不會發生彎曲破壞.實際工程中應先做試驗得出人造持力層彈性模量，根據地質探孔得出巖層彈性模量與樁端巖石抗拉強度，帶入式(9)中判斷是否滿足.

2.2 溶洞頂板沖切破壞分析

大量研究表明，溶洞頂板最易發生沖切破壞.本文沖切破壞錐體取到巖層底面，不考慮人造持力層的錐臺效應，這樣沖切破壞錐底面積小，結果偏安全.形成人造持力層后，溶洞頂板沖切受力簡圖見圖4.

抗沖切需滿足

kPp≤Q1+Q2

(11)

式中：Pp為樁端垂直荷載；Q1為錐臺側面的巖層拉力；Q2為錐臺底人造持力層頂托力.

(12)

(13)

(14)

式中：fd為人造持力層頂托設計強度.

注漿前Q2=0，注漿后可考慮Q2的作用.若取fd=2 MPa，破壞錐體錐角φ=45°，其余取值同前.可得：

h1≥0.91d

(15)

當滿足式(15)時，采用雙液漿人造持力層能保證頂板不會發生沖切破壞.

3 工程實例

3.1 工程概況

清遠市某在建大跨度斜拉橋橋位場地地層自上而下為：含素填土、粉、細砂、圓礫中砂、淤泥質粉質黏土、粉質黏土、卵石質礫砂、卵石、礫砂、灰巖等，基巖巖溶發育，巖石裂隙和方解石脈發育，多為1～11層不同高度的溶洞，部分鉆孔呈串珠狀小溶洞發育，厚度0.20～15.60 m，見洞率為81.25%，溶洞主要為全充填或無充填，少量為半充填，填充物主要為軟塑～可塑狀粉質黏土，鉆進時多發生漏水現象.

15#主墩采用鉆孔灌注端承樁基礎，樁基直徑為2.2 m，單墩下有16根樁.樁頂標高4.2 m，單樁樁頂豎向最大設計承載力為24 000 kN.設計嵌巖深度要求進入微風化巖層不小于d.以15#主墩超前鉆資料為例,見圖5，層底標高-20.96 m時開始進入巖層，連續遇到溶洞，標高為-67.18～-72.58 m有厚度5.4 m的持力層，往下又遇到溶洞，標高-82.58～-90.58 m有厚度8 m的持力層.此時超前鉆已打到108 m深度，仍未滿足規范的設計要求4d=8.8 m最小持力層厚度.同時，在實際施工中處理的溶洞越深越容易出現掉錘、塌孔等問題.為減小鉆孔深度，加快工期，保證溶洞處理安全性，降低工程造價，設計上決定不再繼續往下打，將-72.58～-82.58 m范圍內的溶洞進行雙液高壓注漿處理，形成有效的人造持力層，并以本文計算方法驗算標高為-67.18～-72.58 m(厚度5.4 m)的溶洞頂板安全性.

3.2 溶洞頂板安全性驗算

計算參數：樁底應力q=6.3 MPa，h1=5.4 m，h2=10 m，frk=50 MPa，fd=2 MPa，取安全系數k=3.5.微風化灰巖彈性模量E1=40 GPa，硬化雙液漿彈性模量根據現場試驗可取E2=20 GPa.

同理代入式(11)可得：kPp=83.8 MN

設計上將-72.58～-82.58 m范圍內的溶洞進行雙液高壓注漿，形成有效的人造持力層，此樁在標高-69.38 m終孔，樁長73.58 m.之前設計樁長需要繼續穿過-82.58～-90.58 m，樁長至少94.78 m，樁長至少減少28.8%，大大減小施工難度，縮短工期，節約造價.成樁后經過抽芯檢測為I類樁，注漿后無接縫.

4 三維有限元模型計算分析

4.1 建立三維有限元模型

為進一步保證工程的安全性，驗算文中推導公式的可靠性，采用MIDAS/GTS建立15#主墩15-5-2樁基對應的三維有限元，用樁基-溶洞-頂板-人造持力層相互作用力學模型模擬其實際受力，模型見圖6.樁基采用梁單元模擬，土層、溶洞頂板及人造持力層采用實體單元模擬.模型計算范圍取6d，土體、巖體及人造持力層均采用莫爾庫倫模型，樁身為混凝土線彈性模型.通過設置樁側巖土界面參數來模擬樁與巖土的接觸.由于樁基為嵌巖樁，為建模方便將樁身溶洞、灰巖均按一層建立，保證其總厚度與實際鉆孔資料一致.計算中所需土體、灰巖、溶洞、人造持力層的物理力學參數見表1.

表1 材料的物理力學參數

4.2 計算結果分析

計算結果提取樁底下溶洞頂板的剪應力，其結果見圖8.由圖8可見，與樁底相接觸范圍的溶洞頂板所受的剪應力最大，隨著深度的增加，剪應力逐漸減小，范圍也逐漸擴大.

根據計算結果，溶洞頂板受力安全可靠.

5 結論

1)串珠狀溶洞發育地區，采用雙液高壓旋噴注漿法形成溶洞人造持力層是可行的.

2)通過雙液高壓旋噴注漿法形成溶洞人造持力層參與溶洞頂板受力后，溶洞頂板安全厚度限值相對于注漿前可大幅減小，使得橋梁樁基長度得以減小，降低了巖溶地區樁基的施工難度，縮短了工期，節約了造價.

3)實際工程中應先做試驗得出人造持力層彈性模量，根據地質探孔得出巖層彈性模量與樁端巖石抗拉強度，再代入公式中判斷是否滿足.

4)將本文成果應用于清遠市某大跨度斜拉橋的樁基設計中，目前該工程全橋182根樁基已施工完畢，經抽芯檢測全部為I類樁，安全可靠.