鉆孔樁在高壓縮性地質(zhì)條件下的異?，F(xiàn)象分析及處理方案

鉆孔樁在高壓縮性地質(zhì)條件下的異常現(xiàn)象分析及處理方案

1中下匝道橋的自然條件西寧科托努橋主橋全長861.6m，橋基1.3m，主橋全長85m。其中A、C匝道橋的少部分樁基和B匝道橋大部分樁基處在沼澤區(qū)軟土地層中,地質(zhì)條件差,地表常年積水。橋位區(qū)有一條寬度約10m,水流量約10m3/s的天然河流穿越B、C匝道,河流常年散發(fā)著臭味。科托努系大西洋濱海城市,該地區(qū)的地質(zhì)在表層回填土以下均存在20～50m厚度不等的泥炭或淤泥地層。2樁基混凝土灌注情況2009年7月中上旬的某一天上午8:30左右,援貝寧科托努立交橋B匝道橋樁基(20號墩左樁)混凝土開始施工,樁基封底很順利,且后續(xù)樁基混凝土灌注和翻漿現(xiàn)象一切正常,扣除擴(kuò)孔造成的混凝土量增加,樁基混凝土實(shí)際上升高度和消耗的混凝土量基本吻合。上午11:10,樁基混凝土頂面上升到離設(shè)計(jì)樁頂高程8.4m。這時(shí),灌入6.6m3混凝土,混凝土頂面高度只上升了1m,而正常情況下混凝土高度應(yīng)該上升4.5m左右(理論上每延米樁基需1.327m3混凝土,按擴(kuò)孔10%計(jì)算,則每延米需1.46m3混凝土)。11:30,又灌入6.6m3混凝土,但孔內(nèi)泥漿除了有少許氣泡出現(xiàn)外,孔內(nèi)泥漿不再上升,也就是沒有常見的翻漿現(xiàn)象,孔內(nèi)混凝土頂面高程,和前一車混凝土灌注后相比基本沒有變化。給人直觀的感覺就是:這6.6m3混凝土像“蒸發(fā)”了似的,消失得無影無蹤,這種現(xiàn)象就像在巖溶地質(zhì)條件下的樁基混凝土施工。由于此前2天在B匝道橋21號墩左、右樁基混凝土澆筑時(shí),也分別在離設(shè)計(jì)樁頂高程1.5m和0.8m的地方出現(xiàn)過此類現(xiàn)象,只不過考慮到離設(shè)計(jì)高程差別不大,可以采取干接樁而沒有進(jìn)行特別處理。調(diào)查首先從成孔開始,并圍繞混凝土灌注進(jìn)行,調(diào)查深入到設(shè)計(jì)參數(shù)和施工工藝方面的多個(gè)環(huán)節(jié)。(1)鉆機(jī)型號為GPS-18回旋鉆機(jī),正循環(huán)成孔,泥漿泵功率37kW。護(hù)筒直徑1.5m,長度2.0m。鉆井平臺是在原地面回填高度1m的素填土夯實(shí)。(2)當(dāng)時(shí)的鉆進(jìn)記錄顯示情況一切正常。在混凝土灌注出現(xiàn)異常現(xiàn)象的高度范圍內(nèi)鉆進(jìn)時(shí)也并未出現(xiàn)諸如孔內(nèi)水頭突然變化之類的反?，F(xiàn)象。(3)鉆進(jìn)施工時(shí),進(jìn)入淤泥層前需要用黏土孔內(nèi)造漿,進(jìn)入淤泥層后不久即可孔內(nèi)原土造漿。(4)鑒于橋位處地質(zhì)砂率高(本樁除地表素填土含砂較高外,素填土以下沒有含砂層。但當(dāng)?shù)厝鄙賰?yōu)質(zhì)黏土,我們選購的最好的黏土含砂率達(dá)6%～7%。而其他樁基處因有很厚的粉砂層,所以鉆孔時(shí)泥漿含砂率接近20%)的特點(diǎn)。我們配備了大功率的泥漿泵,并且按照離心原理自制了專用的濾砂器,如圖1所示。(5)鉆進(jìn)施工時(shí),泥漿各項(xiàng)指標(biāo)均符合要求。灌注混凝土前的2次清孔后,泥漿各項(xiàng)指標(biāo)為:含砂率3%,黏度19s,比重1.09;孔底沉淀30cm。(6)導(dǎo)管外徑27.5cm,埋深6.1m,此時(shí),孔內(nèi)混凝土頂面離泥漿頂面的高度為7.4m,導(dǎo)管內(nèi)外混凝土高差3.8m,此時(shí)泥漿比重為1.25?？鄢郎y量的誤差(7.4-0.3)×1.25+0.3×1.40≈3.8×2.45(C35混凝土的比重為2.45,此外還要考慮孔底翻上來的沉渣,沉渣比重按1.40計(jì)算)。(7)樁基設(shè)計(jì)為全長鋼筋籠,樁基混凝土強(qiáng)度等級C35。混凝土坍落度為20cm,外加了早強(qiáng)緩凝的減水劑,混凝土初凝時(shí)間為9h。(8)灌注時(shí),混凝土靠自重順利經(jīng)導(dǎo)管進(jìn)入孔內(nèi),但孔內(nèi)的混凝土面仍不上升,孔內(nèi)泥漿面也不見任何變化。(9)檢查該橋其他地質(zhì)條件下的樁基混凝土灌注情況,經(jīng)計(jì)算得出,含砂層地質(zhì)擴(kuò)孔率為15%～20%,其他地質(zhì)擴(kuò)孔率為5%～10%。(10)在樁基周圍觀察,當(dāng)時(shí)并未發(fā)現(xiàn)附近有泥漿或砂漿從地下冒出。經(jīng)過上述調(diào)查,初步得出如下結(jié)論。樁基成孔質(zhì)量是好的,混凝土質(zhì)量也是完全合格的。灌注過程中也未出現(xiàn)塌孔等異常情況,混凝土入孔順利也說明清孔質(zhì)量和混凝土質(zhì)量合格。混凝土澆筑出現(xiàn)上述異?，F(xiàn)象應(yīng)該和沼澤區(qū)的特殊地質(zhì)條件有關(guān),混凝土應(yīng)該是在某一特殊地層高度范圍內(nèi),從孔內(nèi)往外“流走了”。為了驗(yàn)證這個(gè)推測,做出了再灌少量混凝土的決定。驗(yàn)證的辦法是把測錘沿著導(dǎo)管外壁附近放到混凝土頂面位置,如果是從孔內(nèi)混凝土頂面開始往外流走,則可以感覺到測錘隨著混凝土的流走而移動(dòng)。后經(jīng)檢測,上述推測是正確的。同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況提出了拆除一節(jié)導(dǎo)管(長2.5m,因?yàn)榧夹g(shù)要求只能允許拆一節(jié)導(dǎo)管),把埋深減少到3.6m,同時(shí)把混凝土坍落度減少到16cm。按照這個(gè)要求,隨即攪拌了4盤混凝土,約2.2m3。當(dāng)灌入這些混凝土?xí)r,樁內(nèi)混凝土頂面上升40cm(正常情況應(yīng)該上升約1.5m)。看到情況有變化,當(dāng)時(shí)隨即決定再把剩余正常需要的約8.8m3混凝土攪拌灌注。就在等待混凝土供應(yīng)的過程中,在2.2m3混凝土入孔之后約5min之內(nèi),孔內(nèi)水頭(泥漿面)開始緩慢下降,至后續(xù)混凝土開始灌注時(shí),泥漿面高度下降約為10cm。13:05,連續(xù)灌入8.8m3小坍落度混凝土,起始孔內(nèi)水頭沒有發(fā)生任何變化,大約3min后,水頭再次開始緩慢下降。隨著混凝土的灌注,水頭下降越來越明顯,當(dāng)混凝土澆注完畢時(shí),水頭已下降約55cm,且有繼續(xù)下降的趨勢,此時(shí)混凝土已經(jīng)比樁基用量的正常數(shù)量超出24m3(超過理論值31m3)。根據(jù)這些情況,再次停止混凝土灌注施工,樁基留待以后接樁處理。為了做進(jìn)一步的技術(shù)分析,在混凝土灌注完畢之后,把護(hù)筒上泥漿出口堵住(此時(shí)孔內(nèi)泥漿面離出漿口高度約60cm),往內(nèi)注水,注水高度約80cm,在注水的過程中明顯感到孔內(nèi)水頭上升很慢,停止注水后,就能發(fā)現(xiàn)水頭以平均10cm/s的速度回落,在低于出漿口50cm處停止下降(也就是注入80cm高度的水量之后,最終水面比原泥漿面上升了5cm)?？鄢郎y量誤差,這也符合清水和泥漿比重差異的事實(shí)。30min后,在距樁基北側(cè)3～5m的沼澤地內(nèi)出現(xiàn)冒漿現(xiàn)象,1h后泥漿面積達(dá)到4m2,經(jīng)鑒定該泥漿為樁基孔內(nèi)的泥漿。3孔壁外質(zhì)結(jié)構(gòu)根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)情況及構(gòu)造的形成原因,再加上設(shè)計(jì)地質(zhì)勘察結(jié)果,可以排除地下河流、溶洞等情況,經(jīng)過現(xiàn)場挖掘機(jī)挖的探溝可知,地下無管道通過。因此可以基本認(rèn)定造成上述反?，F(xiàn)象主要是橋位處沼澤區(qū)特殊的地質(zhì)條件所致。B匝道20～22號墩位于沼澤區(qū),原地表為雨水沖刷攜帶來的砂層,其高程為1.4～2.4m,地下水位高程為0.74m。依據(jù)設(shè)計(jì)提供的地質(zhì)柱狀圖等資料,20～22號墩柱和樁基直徑均為1.3m,樁長53m,其中20號樁基地質(zhì)結(jié)構(gòu)為:2～-2m,素填土;-2～-7m,泥炭土;-7～-20m,淤泥;-20～-52.6m,黏土(圖2)。沼澤區(qū)的其他樁基也大致是在這一個(gè)高程附近存在相同厚度的泥炭土和淤泥層。泥炭土和淤泥主要地質(zhì)指標(biāo)如下。泥炭:褐黑色,飽和,松散,由大量未完全分解的腐殖物組成,不均勻,具有強(qiáng)烈腥臭味。其主要物理力學(xué)指標(biāo)為:含水率299.2%,天然密度1.05g/cm3,天然孔隙比6.468,塑性指數(shù)88.8,液性指數(shù)1.74,壓縮系數(shù)5.08MPa-1,壓縮模量1.52MPa,標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)1擊。淤泥:灰色,飽和,流塑,土質(zhì)較均勻,含有機(jī)質(zhì),夾零星腐殖物,具腥臭味。其主要物理力學(xué)指標(biāo)為:含水率121.5%,天然密度1.33g/cm3,天然孔隙比2.974,塑性指數(shù)44.9,液性指數(shù)1.67,壓縮系數(shù)3.73MPa-1,壓縮模量1.07MPa,標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)小于1擊。由于地質(zhì)條件差,設(shè)計(jì)樁長時(shí),軟土地質(zhì)區(qū)的樁長不但未計(jì)算其承載力,而且考慮了一部分負(fù)摩擦力。據(jù)現(xiàn)場配合施工的設(shè)計(jì)代表(系該橋梁的主要設(shè)計(jì)人)介紹,在沼澤區(qū)的樁基原設(shè)計(jì)是采用厚度為1.4cm鋼護(hù)筒穿透淤泥層的方案,只不過后來設(shè)計(jì)審查時(shí)被否決了。在橋梁外側(cè)和橋梁并行的穿過沼澤的輔道路基(摩托車道)設(shè)計(jì)為PC管樁加塑料排水板聯(lián)合的處理方式。正是由于泥炭和淤泥均具有飽和、松散、密度較小、孔隙較大、塑性強(qiáng)、高壓縮等特性。在鉆進(jìn)過程中,由于泥漿的比重約為1.20,和混凝土相比較小,且鉆進(jìn)過程中,泥漿形成的泥皮也有一定的承壓能力,所以,在鉆進(jìn)施工時(shí),孔內(nèi)泥漿和泥炭層之間形成了一個(gè)壓力平衡,或者說達(dá)到一個(gè)臨界平衡狀態(tài)。這就是為什么鉆進(jìn)過程中未出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象的原因,或者說,在鉆進(jìn)過程中,泥漿對孔壁也造成了一定的擠壓,甚至出現(xiàn)了非正常的擴(kuò)孔,但由于壓力差較小,因此,孔壁外擴(kuò)在一定時(shí)間后會達(dá)到一個(gè)臨界狀態(tài),由于這種擠壓是緩慢變化(鉆進(jìn)速度0.5～1.5m/h,這也是正常速度),所以在鉆進(jìn)過程中很難看到孔內(nèi)水頭突變的現(xiàn)象。而混凝土灌注施工時(shí),情況則發(fā)生了以下變化。混凝土的比重是鉆進(jìn)時(shí)泥漿比重的約2倍,這樣,孔內(nèi)混凝土對孔壁的壓力增加了約1倍。這個(gè)壓力極易打破鉆進(jìn)施工時(shí)孔壁內(nèi)外的壓力平衡,一旦孔壁內(nèi)外的平衡被打破,混凝土就會擠壓孔壁外的泥炭地層,由于高坍落度的混凝土是一種和易性極好的流體,再加上孔壁外地層極其壓縮(壓縮比超過5MPa-1)且處于流塑狀態(tài)的特點(diǎn),所以混凝土就會很容易把泥炭層向外圍擠壓。后來在樁基附近地面冒出的泥漿也證實(shí)了這個(gè)結(jié)論。灌入孔內(nèi)的混凝土量和整個(gè)沼澤區(qū)泥炭層的體積相比,短時(shí)間內(nèi)相當(dāng)于是零和無窮大的對比,這就是灌注數(shù)十方混凝土就像入了無底洞一樣的原因。和鉆進(jìn)速度相比,混凝土灌注速度較快,正常情況下每小時(shí)至少可以灌注15～20m3樁基混凝土。根據(jù)上述基本事實(shí),做出進(jìn)一步分析和推測如下。(1)當(dāng)時(shí)孔內(nèi)混凝土埋管深度6.1m,理論上,混凝土要往上頂升,則需要的最小壓力PH(H為埋管深度,P為孔內(nèi)混凝土需要頂升的最小壓力)等于把埋深高度的混凝土和孔內(nèi)的泥漿(含泥漿和孔底沉渣)頂升需要的臨界壓強(qiáng),但由于孔內(nèi)泥漿含有沉渣,壓力難于精確計(jì)算,但是孔內(nèi)泥漿的壓力等于導(dǎo)管內(nèi)外混凝土高差產(chǎn)生的壓力。這個(gè)壓力也是孔壁所需要承受的最小壓力,反之若孔壁不能承受這個(gè)壓力,則混凝土就會擠破孔壁,打破以前鉆進(jìn)時(shí)孔壁內(nèi)外的平衡,由于泥炭層富含水、天然孔隙比大、高壓縮性、流塑狀態(tài)的特點(diǎn),再加上高坍落度混凝土良好的和易性,它就會往孔壁外沿流走。(2)當(dāng)拆完一根導(dǎo)管之后,埋管深度變?yōu)?.6m,則孔壁需要承受的壓力減少了約25%,雖然這個(gè)壓力也有可能超過了孔壁的承受壓力,但孔壁內(nèi)外壓力的比差則小得更多,再加上混凝土澆筑時(shí)進(jìn)入孔內(nèi)的混凝土的流量可能大于混凝土沿著孔壁往外擠壓流走的流量,從而混凝土既沿著孔壁往外擠,也頂升孔內(nèi)混凝土往上升,這剛好解釋2.2m3為什么沒有使孔內(nèi)混凝土上升正常情況下的1.5m,而是僅僅頂升了0.4m的原因。而由于此時(shí)的混凝土是一種流體狀態(tài),不同于液體,所以在上述體積的混凝土澆筑完畢之后,孔內(nèi)混凝土面以下的混凝土還在往外擠壓流走,所以在極短的幾分鐘內(nèi),該部分流走的混凝土就由上面的混凝土往下填補(bǔ)其空間,這剛好能解釋混凝土澆筑完畢幾分鐘之后,泥漿面又出現(xiàn)下降的現(xiàn)象。(3)當(dāng)后續(xù)8.8m3混凝土灌注時(shí),埋管深度達(dá)到了3.95m,此時(shí)導(dǎo)管內(nèi)外的混凝土高差為3.59m(由于泥漿的高度減少了40cm),由于這個(gè)壓力雖然比上次的壓力增加不多,但上次的壓力足以破壞孔壁,那這次的壓力也夠了。此外,混凝土灌注時(shí)的下落的實(shí)際高度大,還有混凝土從罐車內(nèi)流出的動(dòng)能,這些都會增加孔壁實(shí)際需要承受的壓力,混凝土坍落度減小了,混凝土進(jìn)入孔內(nèi)的流量基本等于混凝土擠壓孔壁沿孔壁外流走的流量,因此這些混凝土澆筑下去就會造成頂面不會發(fā)生任何變化。(4)混凝土灌注到-5.4m高程時(shí),擠壓到孔壁外的混凝土和孔內(nèi)混凝土基本還是整體連接的,此時(shí),這個(gè)孔壁內(nèi)外的壓力應(yīng)該重新達(dá)到一個(gè)新的平衡狀態(tài),當(dāng)最后8.8m3混凝土灌注完畢,往孔內(nèi)注水時(shí),孔內(nèi)的壓力增大,內(nèi)外壓差會擠壓該部位的混凝土繼續(xù)往更遠(yuǎn)的外圍流走,直至又一次達(dá)到新的平衡狀態(tài),這就是為什么注水后孔內(nèi)水頭快速下降,但下降到某一個(gè)高度之后停止的原因。(5)孔內(nèi)壓力達(dá)到0.178MPa以下的某一個(gè)值(無法檢測孔外的壓力,此外,現(xiàn)場條件也無法試驗(yàn)?zāi)M檢測這個(gè)實(shí)際臨界數(shù)值,因此只能是推測到這個(gè)范圍,下同)時(shí),孔壁內(nèi)外的壓力差就足以破壞孔壁,當(dāng)孔內(nèi)壓力達(dá)到0.178～0.181MPa的某一個(gè)值時(shí),孔壁內(nèi)外的壓力差就會足以使混凝土擠壓孔壁,沿孔壁外流走的流量等于混凝土進(jìn)入孔內(nèi)的流量。(6)沿孔壁外擠走的混凝土?xí)纬梢粋€(gè)臨時(shí)的孔壁。(7)可以推測,在泥炭層,導(dǎo)管口的底口高程以上,孔內(nèi)頂面混凝土高程以下的某一個(gè)高程范圍內(nèi),本根樁就在-11.5～-5.4m內(nèi),樁基混凝土應(yīng)該擴(kuò)大為一個(gè)極不規(guī)則的造型。整個(gè)樁基混凝土縱斷面可以形象地看成是一個(gè)小孩戴著一頂大沿帽(圖3)。該不規(guī)則的混凝土造型的體積約略等于24m3(先后灌入的“消失”的混凝土量),這個(gè)推測可以通過今后的樁基檢測的波形圖進(jìn)行驗(yàn)證。4處理方案除了B匝道橋樁基外,A、C匝道橋梁樁基均為類似地質(zhì)情況,為了防止再次出現(xiàn)此類現(xiàn)象,擬采取特殊措施進(jìn)行處理。4.1樁基材料不足采用鋼護(hù)筒穿透淤泥層的方案是一個(gè)常見且切實(shí)有效的萬全之策,但該方案也有以下缺點(diǎn),并受客觀條件限制。(1)該方案所增加的成本較大,不是一個(gè)較經(jīng)濟(jì)合理的方案。(2)由于樁基是摩擦樁,該地區(qū)的地下水有一定的腐蝕性(樁基混凝土設(shè)計(jì)為C35也是基于防腐的考慮),護(hù)筒被腐蝕后,勢必降低樁基承載力。(3)由于原設(shè)計(jì)沒有鋼護(hù)筒,所以進(jìn)場設(shè)備未考慮卷板機(jī)和振動(dòng)錘之類的施工設(shè)備,而貝寧當(dāng)?shù)馗緵]有加工和插打鋼護(hù)筒的能力和設(shè)備,如果從國內(nèi)重新采購這類設(shè)施再經(jīng)海運(yùn)過來,要想達(dá)到施工條件,至少是3個(gè)月以后的事情。而本項(xiàng)目是貝寧的“總統(tǒng)工程”,總統(tǒng)一再提出希望壓縮工期的要求,因此工期也不允許采取這個(gè)方案。4.2法國公司樁基施工法國有兩家建筑公司在當(dāng)?shù)刂辽儆?0年的歷史,他們在當(dāng)?shù)赜胸S富的沼澤區(qū)施工經(jīng)驗(yàn),在本項(xiàng)目下游約300m的同一條河上,一家法國公司正在修建一座小橋。他們的主要思路就是降低地層含水率,主要方法就是在橋梁外圍密排井點(diǎn)降水設(shè)施。樁基施工前先進(jìn)行井點(diǎn)降水施工。據(jù)我們多次實(shí)地察看,他們至少進(jìn)行了近一個(gè)月的降水施工才開始進(jìn)行樁基施工。由于他們的樁基設(shè)計(jì)較短(小于40m),樁徑為1.0m。所以他們選用的機(jī)械是懸挖鉆機(jī),膨潤土造漿護(hù)壁,導(dǎo)管法灌注水下混凝土。4.3灌注外加劑方案經(jīng)過綜合分析,該地質(zhì)條件下樁基施工出現(xiàn)的問題主要在水下混凝土灌注環(huán)節(jié),因此有針對性地提出以下處理措施。(1)混凝土灌注到該地層時(shí),減少導(dǎo)管埋深,總體上確保埋管深控制在1.5～2.5m,這樣做的目的主要是減少需要頂升的混凝土量,從而減少頂升這些混凝土需要的壓力,進(jìn)而減少孔壁需要承受的壓力,盡可能地將需要的壓力減少到孔壁能承受的臨界壓力以下,或者不至于超過該臨界值過多。(2)當(dāng)混凝土即將澆注到設(shè)計(jì)泥炭層時(shí),放慢混凝土的澆注速度,以減緩對樁壁的擾動(dòng),并盡可能地使已經(jīng)灌入孔內(nèi)的混凝土能經(jīng)過延時(shí)增強(qiáng)其強(qiáng)度。這從某種意義上也等同增加