深水裸巖地質(zhì)鉆孔灌注樁施工關(guān)鍵技術(shù)探究

陶庭震

（建德市交通發(fā)展投資有限公司，浙江 建德 311600）

一、引言

隨著橋梁基礎(chǔ)入水深度的增加、跨度的增大、交通需求的增加，以及海灣大橋和跨江河湖泊庫區(qū)大橋的不斷建設(shè)，橋梁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式由沉井基礎(chǔ)、沉箱基礎(chǔ)逐漸發(fā)展為樁基礎(chǔ)、管樁基礎(chǔ)，再發(fā)展為特殊基礎(chǔ)和組合基礎(chǔ)。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，沉井基礎(chǔ)和沉箱基礎(chǔ)應(yīng)用較為突出，但大多數(shù)國(guó)家使用樁基礎(chǔ)的頻數(shù)較大。防沖刷、防浪和防水是深水裸巖地質(zhì)鉆孔灌注樁修建的難點(diǎn)，因此對(duì)深水裸巖地質(zhì)鉆孔灌注樁施工關(guān)鍵技術(shù)的研究具有重要意義。

橋梁鉆孔灌注樁基礎(chǔ)具有適用性強(qiáng)、承載力大、工藝簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用在我國(guó)橋梁基礎(chǔ)建設(shè)中。我國(guó)交通基礎(chǔ)設(shè)施投資建設(shè)隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展快速增長(zhǎng)，近年來保持穩(wěn)定增長(zhǎng)趨勢(shì)，大型橋梁建設(shè)在上述背景下進(jìn)入發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期，尤其是深水湖泊庫區(qū)、海灣、跨大江大河等大型橋梁的數(shù)量不斷增加。在深水裸巖地質(zhì)區(qū)域建設(shè)橋梁，需要滿足大型化和深水化的鉆孔灌注樁技術(shù)，同時(shí)在施工過程中需要先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)備，因此需要研究深水裸巖地質(zhì)鉆孔灌注樁施工關(guān)鍵技術(shù)。

二、鋼護(hù)筒鉆孔平臺(tái)建模分析

（一）計(jì)算模型與假定

單根鋼護(hù)筒完成埋設(shè)但沒有形成平聯(lián)是鋼護(hù)筒最不利的工況，此時(shí)鋼管受力較差、鋼護(hù)筒為懸臂自由狀態(tài)。應(yīng)在所有鋼護(hù)筒完成埋設(shè)后，利用型鋼連接所有埋設(shè)好的鋼護(hù)筒，提高整體穩(wěn)定性。

在深水湖庫區(qū)中，過往船只產(chǎn)生的涌浪會(huì)對(duì)處于懸臂自由狀態(tài)的單個(gè)鋼護(hù)筒產(chǎn)生影響，因此需要研究波浪對(duì)鋼護(hù)筒穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響。通過小振幅波理論分析樁基受波浪的影響，通過積分處理獲得鋼護(hù)筒在水中受到的總波浪力：

式（1）中，表示海水密度，表示沖刷時(shí)間。

（二）邊界約束條件

為了研究波浪力拍打作用下鋼護(hù)筒的穩(wěn)定性，用鋼護(hù)筒頂節(jié)點(diǎn)荷載描述波浪力，用一般梁?jiǎn)卧枋錾钏銕r地基上部分存在的護(hù)筒，劃分深水裸巖地基內(nèi)存在的護(hù)筒，獲得若干個(gè)彈性地基梁?jiǎn)卧?。即深水裸巖將彈簧約束施加到巖層內(nèi)部的鋼護(hù)筒中，彈性系數(shù)：

（三）受力驗(yàn)算

分析相關(guān)研究成果可知，對(duì)鋼護(hù)筒樁孔平臺(tái)體系的安全產(chǎn)生影響的因素包括：水上施工平臺(tái)受到的自然環(huán)境影響，包括水流、浪和風(fēng)等；當(dāng)深水裸巖施工平臺(tái)為長(zhǎng)細(xì)比較大的鋼護(hù)筒時(shí)，整個(gè)平臺(tái)容易失去穩(wěn)定性發(fā)生破壞，長(zhǎng)細(xì)比較大的薄壁桿件是目前施工中最應(yīng)被關(guān)心的問題；鉆機(jī)等施工設(shè)備的工作平臺(tái)通常是施工平臺(tái)，在規(guī)范允許范圍內(nèi)應(yīng)控制平臺(tái)的震動(dòng)幅度，保證施工精度。

通過上述分析可知，在施工過程中需要首要解決的問題是鋼護(hù)筒平臺(tái)體系壓曲失穩(wěn)。

在鉆孔施工平臺(tái)中，搭建的鋼護(hù)筒沖擊鉆孔時(shí)，鉆孔平臺(tái)需要承受的主要重量是鉆機(jī)自重。在鉆孔平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)多臺(tái)鉆孔機(jī)的同步工作可以減少施工周期。因此，在不同工況下，應(yīng)該根據(jù)鉆機(jī)平臺(tái)的總數(shù)和布置位置驗(yàn)算荷載組合。

影響鉆工平臺(tái)施工與設(shè)計(jì)的因素通常包括：設(shè)計(jì)水位、風(fēng)壓、設(shè)計(jì)流速、河床沖刷情況、設(shè)計(jì)流向、河床覆蓋層地質(zhì)分布、樁基范圍河床高程等。

根據(jù)上述過程計(jì)算得到的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值結(jié)合規(guī)范取分項(xiàng)系數(shù)計(jì)算風(fēng)載荷設(shè)計(jì)值。

三、深水裸巖地質(zhì)鉆孔灌注樁施工關(guān)鍵技術(shù)

深水裸巖地質(zhì)鉆孔灌注樁施工流程，如圖1所示。

圖1 深水裸巖地質(zhì)鉆孔灌注樁施工流程

（一）利用鋼管樁懸臂推進(jìn)法施工鉆孔樁平臺(tái)

鋼管樁難以打入深水裸巖區(qū)域和淺覆蓋層中，導(dǎo)致施工穩(wěn)定性較差。為了解決上述問題，從棧橋側(cè)通過履帶吊依次將厚覆蓋層鋼管樁搭設(shè)在平臺(tái)上部，利用導(dǎo)向架將厚覆蓋層作為施工平臺(tái)下放鋼管樁，焊接平聯(lián)管，完成上述操作后拆除導(dǎo)向架。

為了增強(qiáng)鋼管樁在深水裸巖地質(zhì)區(qū)域中的穩(wěn)定性，可增大平聯(lián)管尺寸和鋼管樁樁徑，將鋼管樁底部加工為鋸齒形狀。

（二）鋼護(hù)筒施工關(guān)鍵技術(shù)

海上成孔由于受到水下地形地質(zhì)、水深、海流、風(fēng)力、波浪、潮差等因素的影響，施工難度高于陸地，鉆孔樁的施工質(zhì)量和進(jìn)度直接受到埋設(shè)質(zhì)量的影響。

根據(jù)鋼管樁在平臺(tái)施工過程中的插打情況，記錄所有鋼管樁樁位在施工過程中的覆蓋層深度，并根據(jù)記錄信息繪制樁位覆蓋層深度對(duì)應(yīng)的連線圖，估計(jì)和計(jì)算鉆孔樁護(hù)筒對(duì)應(yīng)的覆蓋層厚度，根據(jù)估算結(jié)果確定初始護(hù)筒長(zhǎng)度，有效控制護(hù)筒腳下放時(shí)的變形。

針對(duì)前覆蓋層巖面鉆孔樁鋼護(hù)筒施工，國(guó)內(nèi)目前常用的方法是“栽樁”，但深水裸巖巖面的傾斜角度通常較大，用大錘沖擊深水裸巖巖面時(shí)難以達(dá)到預(yù)期效果，發(fā)生傾斜的概率較大，為了避免上述現(xiàn)象的發(fā)生，需用以下方法加固改進(jìn)護(hù)筒：

1.將抗水流沖擊力強(qiáng)、剛度大的下承式導(dǎo)向架應(yīng)用在深水裸巖區(qū)域中，護(hù)筒垂直度可以通過下承式導(dǎo)向架的上下口調(diào)節(jié)控制護(hù)筒下放垂直度。

2.選用整體強(qiáng)度大的鋼護(hù)筒，避免護(hù)筒在施工過程中變形。加固處理護(hù)筒腳底部，避免護(hù)筒腳在后續(xù)跟進(jìn)下沉過程中發(fā)生變形。

在施工中，應(yīng)分以下兩種情況處理護(hù)筒腳處深水裸巖巖面的傾斜情況。當(dāng)深水裸巖巖面的傾斜角度較小時(shí)，將大強(qiáng)度的塊石添加到護(hù)筒內(nèi)，通過沖錘對(duì)護(hù)筒沖孔，并及時(shí)從周邊厚覆蓋層區(qū)采集海泥，在施工過程中造漿清渣，分析護(hù)筒的下沉情況，根據(jù)分析結(jié)果控制下沉深度，重新將平臺(tái)與下沉后的護(hù)筒固定，固定后進(jìn)行沖樁施工，具體處理過程，如圖2所示。

圖2 護(hù)筒腳巖面處理

當(dāng)深水裸巖巖面傾斜角較大時(shí)，由于深水裸巖巖面與護(hù)筒腳之間的夾角過大，不能通過回填塊石處理，應(yīng)該減小深水裸巖巖面在護(hù)筒腳周長(zhǎng)范圍內(nèi)的高差，上述過程可以通過小沖錘沖擊高處深水裸巖巖面得以實(shí)現(xiàn)，減小深水裸巖巖面高差后，再利用第一種情況中的方法處理護(hù)筒腳巖面。

（三）泥漿配置技術(shù)

深水裸巖地質(zhì)鉆孔灌注樁施工對(duì)泥漿的要求：

1.海水中存在無機(jī)鹽種類和含量都較多，因此要求泥漿能夠抗較高鹽類污染、對(duì)鹽的敏感性較低，保證泥漿性能穩(wěn)定。

2.深水裸巖地質(zhì)鉆孔灌注樁施工項(xiàng)目中運(yùn)送淡水的費(fèi)用較高，且存儲(chǔ)泥漿的容器容量較小，應(yīng)該尋找價(jià)格低廉的材料配置泥漿。

3.要求配置的泥漿無害、無毒，防止毒泥漿污染大海。深水裸巖地質(zhì)鉆孔灌注樁與島岸線之間的距離較遠(yuǎn)，運(yùn)輸成本高，淡水供應(yīng)困難。為了解決上述問題，在施工過程中應(yīng)采用海水泥漿護(hù)壁工藝。通過各項(xiàng)性能指標(biāo)的測(cè)試和多種配比不同泥漿的反復(fù)適配確定泥漿最終配合比，確保泥漿的成本低、使用效果好、性能穩(wěn)定。

提高泥漿的性能可在強(qiáng)潮汐、超強(qiáng)季風(fēng)或臺(tái)風(fēng)等極端惡劣海洋氣候環(huán)境下確保深水裸巖地質(zhì)鉆孔灌注樁的穩(wěn)定。

（四）鉆孔樁海工混凝土技術(shù)

結(jié)合深水裸巖地質(zhì)鉆孔灌注樁施工項(xiàng)目的實(shí)際情況，從施工保護(hù)措施、材料配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)和原材料的選擇三個(gè)方面分析，為了提高鉆孔樁在惡劣環(huán)境下的耐久性能，可在混凝土中加入粉煤灰。粉煤灰可以降低氯離子擴(kuò)散系數(shù)，增強(qiáng)混凝土后期的強(qiáng)度，提高抗氯離子的滲透能力。

圖4 抗壓試件的破壞形態(tài)

四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證深水裸巖地質(zhì)鉆孔灌注樁施工關(guān)鍵技術(shù)研究方法的整體有效性，需要對(duì)深水裸巖地質(zhì)鉆孔灌注樁施工關(guān)鍵技術(shù)研究方法進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試在ANSYS軟件和MIDAS/Civil軟件中進(jìn)行。灌注樁計(jì)算長(zhǎng)度參考《港口工程樁基規(guī)范》提供的彈性長(zhǎng)樁嵌固點(diǎn)的計(jì)算方法確定，樁徑為3m，樁基嵌固點(diǎn)設(shè)置為固結(jié)。建立的施工平臺(tái)有限元模型，如圖3所示，該模型共有115629個(gè)節(jié)點(diǎn)，97503個(gè)單元。

圖3 施工平臺(tái)有限元模型

采用設(shè)置剛性區(qū)來模擬不同結(jié)構(gòu)單元之間的連接。加載初期階段，試件均未出現(xiàn)裂縫，隨著荷載不斷增加，試件表面局部開始出現(xiàn)微小裂縫，當(dāng)荷載達(dá)到峰值荷載時(shí)，裂縫繼續(xù)擴(kuò)展，部分貫穿試件。

混凝土立方體抗壓強(qiáng)度按公式（6）計(jì)算：

在養(yǎng)護(hù)前期，混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)較快，隨著齡期的增加，增長(zhǎng)速度越來越慢，最后趨于平緩。該變化表明，早齡期混凝土內(nèi)部水化反映相對(duì)后期較為活躍，性能變化顯著，是混凝土抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)的重要時(shí)期。說明采用對(duì)數(shù)函數(shù)模型能夠較好地反映水下混凝土的早齡期抗壓強(qiáng)度。水下混凝土的養(yǎng)護(hù)齡期與抗壓強(qiáng)度呈非線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。

在研究深水裸巖地質(zhì)鉆孔灌注樁施工關(guān)鍵技術(shù)過程中，建模是重要方法，建模精度影響著研究結(jié)果，將建模精度作為測(cè)試指標(biāo)在不同施工工況下，對(duì)深水裸巖地質(zhì)鉆孔灌注樁施工關(guān)鍵技術(shù)研究方法進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

圖5 抗壓強(qiáng)度與齡期的關(guān)系

圖6 建模精度測(cè)試結(jié)果

分析圖6中的數(shù)據(jù)可知，在不同工況下深水裸巖地質(zhì)鉆孔灌注樁施工關(guān)鍵技術(shù)研究方法構(gòu)建的模型精度均在90%以上，因?yàn)樯钏銕r地質(zhì)鉆孔灌注樁施工關(guān)鍵技術(shù)研究方法在有限元理論的基礎(chǔ)上構(gòu)建了單根鋼護(hù)筒數(shù)學(xué)模型，并分析了邊界約束條件和荷載，提高了建模精度，為深水裸巖地質(zhì)鉆孔灌注樁施工提供了參考依據(jù)。

建模效率也是人們?cè)谏钏銕r地質(zhì)鉆孔灌注樁施工過程中關(guān)注的重點(diǎn)，通過建模時(shí)間驗(yàn)證深水裸巖地質(zhì)鉆孔灌注樁施工關(guān)鍵技術(shù)研究方法的建模效率，測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

圖7 建模時(shí)間測(cè)試結(jié)果

由圖7中的數(shù)據(jù)可知，在不同施工工況下深水裸巖地質(zhì)鉆孔灌注樁施工關(guān)鍵技術(shù)研究方法建立數(shù)學(xué)模型所用的時(shí)間均在0.5h以內(nèi)。因?yàn)樯钏銕r地質(zhì)鉆孔灌注樁施工關(guān)鍵技術(shù)研究方法參考《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》和《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》對(duì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行計(jì)算，縮短了計(jì)算所需時(shí)間，進(jìn)而縮短了建模所需時(shí)間，提高了深水裸巖地質(zhì)鉆孔灌注樁施工關(guān)鍵技術(shù)研究方法的建模效率。

在混凝土中摻入粉煤灰，研究鉆孔樁海工混凝土的性能，深水裸巖地質(zhì)鉆孔灌注樁施工關(guān)鍵技術(shù)研究方法參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)資料，在密實(shí)結(jié)構(gòu)與均勻分布相結(jié)合原則的基礎(chǔ)上反復(fù)適配多種配合比，最終確定33.0%大摻量粉煤灰海工混凝土。33.0%大摻量粉煤灰海工混凝土的理論配合比和實(shí)測(cè)結(jié)果分別如表1、表2所示。

表1 理論配合比

表2 實(shí)測(cè)結(jié)果

分析表2中的數(shù)據(jù)可知，將粉煤灰摻入混凝土中，在后期有潛力提高混凝土的強(qiáng)度，并緩慢減小氯離子在混凝土中的滲透能力。上述三種配合比的測(cè)試結(jié)果均可滿足深水裸巖的施工要求和設(shè)計(jì)要求，可以應(yīng)用在深水裸巖地質(zhì)鉆孔灌注樁施工過程中。

五、結(jié)語

本文在有限元理論的基礎(chǔ)上分析邊界約束條件和荷載條件，構(gòu)建鋼護(hù)筒數(shù)學(xué)模型，分析深水裸巖地質(zhì)鉆孔灌注樁施工關(guān)鍵技術(shù)的基本流程，并研究了采用鋼管樁懸臂推進(jìn)法施工鉆孔樁平臺(tái)技術(shù)、鋼護(hù)筒施工關(guān)鍵技術(shù)、泥漿配置技術(shù)及鉆孔樁海工混凝土技術(shù)。對(duì)構(gòu)建模型的精度和效率進(jìn)行了測(cè)試，水下混凝土的養(yǎng)護(hù)齡期與抗壓強(qiáng)度呈非線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，建立數(shù)學(xué)模型所用的時(shí)間均在0.5h以內(nèi)，33.0%大摻量粉煤灰海工混凝土的經(jīng)濟(jì)效益顯著、效果良好、施工方便。