摘要:本文主要研究对象是某高速公路合同段A特大桥桩基溶洞的处理研究工作。对桩基溶洞的处理工作进行了简要分析,对成孔工艺进行的实证研究,希望可以为相关施工人员提供一个参考。
关键词:桩基;溶洞;处理
1、前言
随着生活水平的不断提高,节奏的加快,人们对快速、舒适出行的要求也越来越高,因此公路建设如火如荼,公路里程快速增加。公路里程的增加,路网密度也越来越大,公路建设过程中经过岩溶等不良地质区域无法回避。由于岩溶区工程地质情况错综复杂,不同的岩溶地质,其处治方法各异,一旦处理不好,将直接影响到工程的质量、安全及公路的使用品质,轻则造成经济损失,延误工期,重则在施工及运营过程中造成重大的人员伤亡。故岩溶地区溶洞处理问题就一直困挠着工程界。这也激励着从事工程建设的人们对这个问题进行不懈的研究。
我国公路路基施工技术规范对岩溶溶洞处理的方法中,强夯法因为经济易行、效果显著、设备简单、施工便捷、节省材料、质量容易控制、施工周期短、施工简单等优点,加之岩溶溶洞在工程中遇到的问题越来越多,得到了深入研究。该方法具有十分广阔的应用和推广前景,研究意义非常重大。
2、溶洞处理方案比较
由于溶洞在处理方法上较多,某高速公路路基在施工开挖过程中发现溶洞的大量存在,工期上造成了一定程度的被动。但为了确保工程的质量,找到一个经济合理、方案可行、确保工期的方案就显得尤为重要。课题组最先提出三种方案进行选择:(1)桥梁跨越:(2)钻孔压浆处理;(3)强夯法处理。桥梁跨越方案由于需要做桩基36根,预制梁260片梁板,需要大量钢筋、水泥以及地材,费用较高,另一方需要的工期较长,由于施工场地狭小,预制梁场无法放置,因此,这个方案显然是不可行的。
钻孔压浆处理方案是可行的,这种处理在小范围是较好的,但对于溶洞范围较大的,处理起来就比较慢,而且需要大量的水泥费用也较高。最后决定采用桥梁法。
对表1的数据对比分析我们可以得出以下结论:
(1)强夯法地处理溶洞最经济:
(2)强夯法处理溶洞工期短;
(3)强夯法处理溶洞节约大量的建材:
(4)强夯法处理溶洞,设计、施工都比较简便。
相比较起来,强夯法施工较简单,能有效地改善路基均匀性、提高强度和最大限度地消除沉降,造价低,而且工期也比较短,因此,经专家讨论,推荐强夯法处理路基溶洞。
3、强夯可行性试验研究
3.1 强夯有效加固深度的确定
在确定施工参数之前,必须确定有效加固深度,因为在工程实践中,针对不同的土性条件、工程目的、设计要求和施工工艺,有效加固深度应采用不同的检测方法和标准。如在软勃土地基上建造大型储罐主要是提高地基承载力,减少沉降量和沉降差:对饱和砂土和勃质粉土主要是消除在某一震级下的液化性:对湿陷性黄土和新近堆积黄土既要消除湿陷性,又要提高强度;对山区非均匀块石回填地基和抛石填海地基主要提高承载力和均匀性,降低压缩性。因此,有效加固深度是指:从最初起夯面(夯前地面整平标高)算起,不完全满足工程设计要求的地基土,经强夯加固后,以某种方法测试土的强度、变形等指标,达到工程设计要求的深度。而强夯法处理溶洞的有效加固深度是指通过一定的夯击能,击穿需要处理溶洞顶板的厚度。
3.2 溶洞强夯处理需要达到的目的
根据公路工程路基施工的要求及本工程的地质地条件,结合本工程的特征,在强夯加固后地基必须达到如下之要求:
①利用动力固结原理,对浅层溶洞采取击穿、回填、压实,改变灰岩以上土层的力学性能,加速基底下卧软土层的排水固结,提高地基土的强度,降低土的压缩性,减少路基的沉降量:
②提高土层的均匀性、密实性,尽量减少路基的沉降差异;
③加固后,亚粘土形成一个良好的隔水层,阻碍地下水进入灰岩内,控制溶洞进一步发育;
④加固后的灰岩与其上土层开成一个具有良好的、整体性的硬壳基底,以满足公路工程的荷载要求。
3.3 试验性施工参数的确定
强夯设计施工参数取决于设计指标和需要加固土层的厚度以及地基土的性质确定。根据公路工程路基施工技术规范的要求,以及本工程需要处理溶洞顶板厚度与溶洞跨越之比小于0.8的溶洞。参照一定的夯击能以及土的性质等,强夯可能影响到的有效深度,试选夯击能、夯击次数、夯点间距、夯击遍数、间歇时间等试夯参数,在不影响工程质量的情况下,以合理处理经费达到期望的技术指标。
3.4 点夯参数调整
根据强夯法具有排水固结和动力固结的工艺特性,第一、二遍主要起到排水固结的作用,夯击后土层内水份迅速从裂缝处消散,因此最后两击的平均夯沉量可适当提高:第三、四遍主要起到动力固结的作用,进一步减少土内的水份和空隙,因此最后两击的平均夯沉量的标准不变。
4、A特大桥地质概况
A特大桥位于高速公路D合同段,桥梁起止桩号K270+862.838-K272+126.02全桥长1263.182m,以20m预应力空心板梁和40mT梁为主,另外第1117孔为现浇连续箱梁,桥宽26 m高速公路双向四车道.设计荷载为汽一超20,挂-120。大桥采用钻孔灌注桩基础,以摩擦桩设计为主,其中第4144墩桩基为端承桩,桩长一般在35 m以上,最长桩达70多米。桩径为1.5m和2.2m两种。
A位于冲洪积平原,江水平静,流量一般,但常受洪水影响,上部以亚砂土及卵石土为主,下部为基岩,埋深5.1m-15.3m,岩性有泥岩、灰岩等,洞穴、溶洞发育普遍。洞穴内沉积物主要为碎石混亚粘土,灰黄色,底部为空洞;溶洞沉积物为粘性土混碎石或粘土,浅黄褐一灰色,河床下部极其发育。并存在冲断裂、挤压带等,也就是通常所说的破碎带。
根据地质的实际情况,选用冲击锥成孔的工艺,该种工艺具有挤压侧壁的作用,有利于形成一个相对稳定的孔壁。另外,根据地质、水文情况,也可采用挖孔成桩的工艺,但该工艺对深度有相当大的限制,不能超过25m。桩基溶洞分布深浅、大小不一,而且有的桩基存在多"层溶洞,桩尖应避开洞穴与溶洞,桩基成孔也存在一定的施工困难,因此,对桩基成孔研究也非常之必要。
5、A特大桥桩基溶洞成孔工艺研究
A特大桥桩基工程地质不良,主要表现为溶洞深、多,且溶洞相互连通,同一桩基处常有多层溶洞重叠。钻孔过程中,容易因泥浆的大量流失而引起孔壁大面积坍塌。这是施工中最大的难点之一。
目前,岩溶地区的桩基成孔因地质和水文情况复杂和方法不一。因此,施工方法要根据基岩覆盖层和溶洞或破碎带的情况进行适当的选择。其关键一是保持不坍孔,二是如何合理穿过洞穴或破碎带。
对于地表覆盖层较薄,洞穴位置较浅,以及洞穴发育位置较深而
且溶洞较大的,其一般采用钢护筒跟进穿过的方法,从而在溶洞中形成一个柱体承受荷载,但此施工方法难度大。如果洞穴底部倾角过大或存在潜流等,护筒封闭困难。另外洞深对钢护筒跟进的垂直度难以控制.用钢量大造成费用较高。如果是摩擦桩,摩擦力的损失也较大。因此该方法较少采用。
而洞穴位置较深,洞穴间较小的,可以采用低标号硅回填,将整个洞穴封闭,采用砂浆及石块进行回填或者土石混合料(土石比在1:1左右,但具体要视情况定,也可加部分水泥)回填,此方案在实际施工中广泛采用,效果也是较明显的,但必须要标明洞穴分布的情况。
另外,破碎裂隙主要是造成孔内泥浆流失,孔内水头骤降,因失去泥浆护壁,孔内外压力失去平衡而造成坍孔。在硅浇筑过程中水泥混凝土浆的渗流或地下水的渗入,造成的局部离析现象,通常采用砂浆置换或早凝硅进行封闭。在实际施工中利用土石混合料回填夯击也有明显的效果。
5.1 桩基溶洞击穿施工工艺
A特大桥桩基由于地质的特殊性,选用了钻击成孔的工艺,钻锤重量为3.5-4:5T,直径为φ1.5,直径为φ2.2,锤重量为5.5T-7.6T,并根据A大桥的地质情况采用如下的施工工艺:
钻孔过程中遇溶洞或破碎带因漏浆失水造成坍孔的部位,一般位于孔身上部砂砾层段,为此,我们根据地质钻孔资料将护筒埋至泥岩层以下50-100cm,一般护筒深为6-8m。
钻孔过程中当钻至距溶洞顶或破碎带1m左右时,减少钻击冲程,通过短冲程快频率冲击的方法逐渐将洞顶击穿。击穿洞顶后或遭遇破碎带后直接使用1:1土石混合物回填至溶洞上0.5-1.0m左右,先用锤轻压几下,后用小冲程,进行慢速冲击,如此反复几次,直至回填后的进尺速度与泥结卵石层的进尺速度相当时,继续往下钻进,反复回填冲击的目的是将土石混合料挤满整个洞穴或封闭破碎带,避免再次漏浆,另外,也可形成坚实的孔壁,保证混凝土成形。
5.2 严格控制泥浆各项指标
施工过程的初期,先后出现了一些问题,如桩基内突然失水等问题,造成了不必要的损失。为此,为保证泥浆性能,在施工过程中我们加大了泥浆质量和密度。提高泥浆的胶体率和稳定性,降低失水率,采用优质泥浆,购买优质红粘土,并在泥浆中加入适当的水泥和锯末.以提高泥浆胶体率和悬浮能力,锯末按黄泥体积的10%掺入。同时,在施工过程中进行一些试验,取得了一些数据,有力地指导以后溶洞桩基的施工工作。
这个试验共做了两组,后用黄泥:水泥这个试果来指导以后施工,效果较为明显,以后的施工过程没有发生一次的坍孔和孔内水头损失的情况出现。确保了桩基工工程质量,有效地节约了工期。
5.3 卡钻、掉钻的预防和处理
在遇到探头石、落石、岩溶层的溶沟、溶槽或击穿溶洞顶板时,极易发生卡钻,此时应抛填片石,高频低程冲砸。如己发生卡钻,应仔细分析原因,不可妄动,以免造成越卡越紧或掉钻事故,当钻头可活动时,可上下提动钻头,并使钻头转动一个角度,反复尝试,有可能提出,或用吊车配合钻机,同时或交替提动,有时能将锤头提出。用小冲锤(以圆钢或钢轨焊接)在桩孔一侧冲击,并配合高压空气或高压水冲射,使卡点松动后提出钻头。必要时可试用水下爆破法,震松卡锤,吊车配合提出钻头。
A特大桥42-2桩,43-1桩,因溶洞原因形成探头石,锤头被卡住,我们用钢轨焊制重约1吨的小冲锤,查处卡点位置后,在桩孔一侧反复冲击,同时将胶管伸入孔内以高压水冲射,使卡点松动后提出锤头。
掉钻的原因主要是大锤的老化破断,或大绳与锤头连接不好,钻孔中应时常检查机具设备防止掉钻。
6、结束语
本文对岩溶地层的桥梁钻孔灌注桩技术,进行了系统研究,针对岩溶地质特点,采取了钻进成孔等工艺技术,解决了钻孔施工中水头保持、防止坍孔、混凝土浇筑浆液流失等问题。
该项目研究成果具有施工简单、易于操作、缩短工期、降低费用等优点,不但拓展了强夯法的处理和应用范围,而且具有良好的经济效益和应用前景。
参考文献:
[1]中华人民共和国交通部,公路路基施工技术规范(JTJ033-95),人民交通出版社,1996
[2]叶斌,金龙林,黄雄利,常山港大桥岩溶地质桩基成孔技术,浙江省公路学会2002年论文集,2002
[3]王铁宏,强夯技术在全国重大工程项目地地基处理中的应用,新编全国工程项目地地基处理工程实录,2005
[4]赵明华,杨明辉,连续配筋混凝土板在岩溶及采空区公路建设中的应用,中南公路工程,2003,28(1):7.11