钻孔桩在高压缩性地质条件下的异常现象分析及处理方案

钻孔桩在高压缩性地质条件下的异常现象分析及处理方案

1中下匝道桥的自然条件西宁科托努桥主桥全长861.6m，桥基1.3m，主桥全长85m。其中A、C匝道桥的少部分桩基和B匝道桥大部分桩基处在沼泽区软土地层中,地质条件差,地表常年积水。桥位区有一条宽度约10m,水流量约10m3/s的天然河流穿越B、C匝道,河流常年散发着臭味。科托努系大西洋滨海城市,该地区的地质在表层回填土以下均存在20～50m厚度不等的泥炭或淤泥地层。2桩基混凝土灌注情况2009年7月中上旬的某一天上午8:30左右,援贝宁科托努立交桥B匝道桥桩基(20号墩左桩)混凝土开始施工,桩基封底很顺利,且后续桩基混凝土灌注和翻浆现象一切正常,扣除扩孔造成的混凝土量增加,桩基混凝土实际上升高度和消耗的混凝土量基本吻合。上午11:10,桩基混凝土顶面上升到离设计桩顶高程8.4m。这时,灌入6.6m3混凝土,混凝土顶面高度只上升了1m,而正常情况下混凝土高度应该上升4.5m左右(理论上每延米桩基需1.327m3混凝土,按扩孔10%计算,则每延米需1.46m3混凝土)。11:30,又灌入6.6m3混凝土,但孔内泥浆除了有少许气泡出现外,孔内泥浆不再上升,也就是没有常见的翻浆现象,孔内混凝土顶面高程,和前一车混凝土灌注后相比基本没有变化。给人直观的感觉就是:这6.6m3混凝土像“蒸发”了似的,消失得无影无踪,这种现象就像在岩溶地质条件下的桩基混凝土施工。由于此前2天在B匝道桥21号墩左、右桩基混凝土浇筑时,也分别在离设计桩顶高程1.5m和0.8m的地方出现过此类现象,只不过考虑到离设计高程差别不大,可以采取干接桩而没有进行特别处理。调查首先从成孔开始,并围绕混凝土灌注进行,调查深入到设计参数和施工工艺方面的多个环节。(1)钻机型号为GPS-18回旋钻机,正循环成孔,泥浆泵功率37kW。护筒直径1.5m,长度2.0m。钻井平台是在原地面回填高度1m的素填土夯实。(2)当时的钻进记录显示情况一切正常。在混凝土灌注出现异常现象的高度范围内钻进时也并未出现诸如孔内水头突然变化之类的反常现象。(3)钻进施工时,进入淤泥层前需要用黏土孔内造浆,进入淤泥层后不久即可孔内原土造浆。(4)鉴于桥位处地质砂率高(本桩除地表素填土含砂较高外,素填土以下没有含砂层。但当地缺少优质黏土,我们选购的最好的黏土含砂率达6%～7%。而其他桩基处因有很厚的粉砂层,所以钻孔时泥浆含砂率接近20%)的特点。我们配备了大功率的泥浆泵,并且按照离心原理自制了专用的滤砂器,如图1所示。(5)钻进施工时,泥浆各项指标均符合要求。灌注混凝土前的2次清孔后,泥浆各项指标为:含砂率3%,黏度19s,比重1.09;孔底沉淀30cm。(6)导管外径27.5cm,埋深6.1m,此时,孔内混凝土顶面离泥浆顶面的高度为7.4m,导管内外混凝土高差3.8m,此时泥浆比重为1.25。扣除测量的误差(7.4-0.3)×1.25+0.3×1.40≈3.8×2.45(C35混凝土的比重为2.45,此外还要考虑孔底翻上来的沉渣,沉渣比重按1.40计算)。(7)桩基设计为全长钢筋笼,桩基混凝土强度等级C35。混凝土坍落度为20cm,外加了早强缓凝的减水剂,混凝土初凝时间为9h。(8)灌注时,混凝土靠自重顺利经导管进入孔内,但孔内的混凝土面仍不上升,孔内泥浆面也不见任何变化。(9)检查该桥其他地质条件下的桩基混凝土灌注情况,经计算得出,含砂层地质扩孔率为15%～20%,其他地质扩孔率为5%～10%。(10)在桩基周围观察,当时并未发现附近有泥浆或砂浆从地下冒出。经过上述调查,初步得出如下结论。桩基成孔质量是好的,混凝土质量也是完全合格的。灌注过程中也未出现塌孔等异常情况,混凝土入孔顺利也说明清孔质量和混凝土质量合格。混凝土浇筑出现上述异常现象应该和沼泽区的特殊地质条件有关,混凝土应该是在某一特殊地层高度范围内,从孔内往外“流走了”。为了验证这个推测,做出了再灌少量混凝土的决定。验证的办法是把测锤沿着导管外壁附近放到混凝土顶面位置,如果是从孔内混凝土顶面开始往外流走,则可以感觉到测锤随着混凝土的流走而移动。后经检测,上述推测是正确的。同时根据现场的实际情况提出了拆除一节导管(长2.5m,因为技术要求只能允许拆一节导管),把埋深减少到3.6m,同时把混凝土坍落度减少到16cm。按照这个要求,随即搅拌了4盘混凝土,约2.2m3。当灌入这些混凝土时,桩内混凝土顶面上升40cm(正常情况应该上升约1.5m)。看到情况有变化,当时随即决定再把剩余正常需要的约8.8m3混凝土搅拌灌注。就在等待混凝土供应的过程中,在2.2m3混凝土入孔之后约5min之内,孔内水头(泥浆面)开始缓慢下降,至后续混凝土开始灌注时,泥浆面高度下降约为10cm。13:05,连续灌入8.8m3小坍落度混凝土,起始孔内水头没有发生任何变化,大约3min后,水头再次开始缓慢下降。随着混凝土的灌注,水头下降越来越明显,当混凝土浇注完毕时,水头已下降约55cm,且有继续下降的趋势,此时混凝土已经比桩基用量的正常数量超出24m3(超过理论值31m3)。根据这些情况,再次停止混凝土灌注施工,桩基留待以后接桩处理。为了做进一步的技术分析,在混凝土灌注完毕之后,把护筒上泥浆出口堵住(此时孔内泥浆面离出浆口高度约60cm),往内注水,注水高度约80cm,在注水的过程中明显感到孔内水头上升很慢,停止注水后,就能发现水头以平均10cm/s的速度回落,在低于出浆口50cm处停止下降(也就是注入80cm高度的水量之后,最终水面比原泥浆面上升了5cm)。扣除测量误差,这也符合清水和泥浆比重差异的事实。30min后,在距桩基北侧3～5m的沼泽地内出现冒浆现象,1h后泥浆面积达到4m2,经鉴定该泥浆为桩基孔内的泥浆。3孔壁外质结构根据当地的地质情况及构造的形成原因,再加上设计地质勘察结果,可以排除地下河流、溶洞等情况,经过现场挖掘机挖的探沟可知,地下无管道通过。因此可以基本认定造成上述反常现象主要是桥位处沼泽区特殊的地质条件所致。B匝道20～22号墩位于沼泽区,原地表为雨水冲刷携带来的砂层,其高程为1.4～2.4m,地下水位高程为0.74m。依据设计提供的地质柱状图等资料,20～22号墩柱和桩基直径均为1.3m,桩长53m,其中20号桩基地质结构为:2～-2m,素填土;-2～-7m,泥炭土;-7～-20m,淤泥;-20～-52.6m,黏土(图2)。沼泽区的其他桩基也大致是在这一个高程附近存在相同厚度的泥炭土和淤泥层。泥炭土和淤泥主要地质指标如下。泥炭:褐黑色,饱和,松散,由大量未完全分解的腐殖物组成,不均匀,具有强烈腥臭味。其主要物理力学指标为:含水率299.2%,天然密度1.05g/cm3,天然孔隙比6.468,塑性指数88.8,液性指数1.74,压缩系数5.08MPa-1,压缩模量1.52MPa,标准贯入击数1击。淤泥:灰色,饱和,流塑,土质较均匀,含有机质,夹零星腐殖物,具腥臭味。其主要物理力学指标为:含水率121.5%,天然密度1.33g/cm3,天然孔隙比2.974,塑性指数44.9,液性指数1.67,压缩系数3.73MPa-1,压缩模量1.07MPa,标准贯入击数小于1击。由于地质条件差,设计桩长时,软土地质区的桩长不但未计算其承载力,而且考虑了一部分负摩擦力。据现场配合施工的设计代表(系该桥梁的主要设计人)介绍,在沼泽区的桩基原设计是采用厚度为1.4cm钢护筒穿透淤泥层的方案,只不过后来设计审查时被否决了。在桥梁外侧和桥梁并行的穿过沼泽的辅道路基(摩托车道)设计为PC管桩加塑料排水板联合的处理方式。正是由于泥炭和淤泥均具有饱和、松散、密度较小、孔隙较大、塑性强、高压缩等特性。在钻进过程中,由于泥浆的比重约为1.20,和混凝土相比较小,且钻进过程中,泥浆形成的泥皮也有一定的承压能力,所以,在钻进施工时,孔内泥浆和泥炭层之间形成了一个压力平衡,或者说达到一个临界平衡状态。这就是为什么钻进过程中未出现塌孔现象的原因,或者说,在钻进过程中,泥浆对孔壁也造成了一定的挤压,甚至出现了非正常的扩孔,但由于压力差较小,因此,孔壁外扩在一定时间后会达到一个临界状态,由于这种挤压是缓慢变化(钻进速度0.5～1.5m/h,这也是正常速度),所以在钻进过程中很难看到孔内水头突变的现象。而混凝土灌注施工时,情况则发生了以下变化。混凝土的比重是钻进时泥浆比重的约2倍,这样,孔内混凝土对孔壁的压力增加了约1倍。这个压力极易打破钻进施工时孔壁内外的压力平衡,一旦孔壁内外的平衡被打破,混凝土就会挤压孔壁外的泥炭地层,由于高坍落度的混凝土是一种和易性极好的流体,再加上孔壁外地层极其压缩(压缩比超过5MPa-1)且处于流塑状态的特点,所以混凝土就会很容易把泥炭层向外围挤压。后来在桩基附近地面冒出的泥浆也证实了这个结论。灌入孔内的混凝土量和整个沼泽区泥炭层的体积相比,短时间内相当于是零和无穷大的对比,这就是灌注数十方混凝土就像入了无底洞一样的原因。和钻进速度相比,混凝土灌注速度较快,正常情况下每小时至少可以灌注15～20m3桩基混凝土。根据上述基本事实,做出进一步分析和推测如下。(1)当时孔内混凝土埋管深度6.1m,理论上,混凝土要往上顶升,则需要的最小压力PH(H为埋管深度,P为孔内混凝土需要顶升的最小压力)等于把埋深高度的混凝土和孔内的泥浆(含泥浆和孔底沉渣)顶升需要的临界压强,但由于孔内泥浆含有沉渣,压力难于精确计算,但是孔内泥浆的压力等于导管内外混凝土高差产生的压力。这个压力也是孔壁所需要承受的最小压力,反之若孔壁不能承受这个压力,则混凝土就会挤破孔壁,打破以前钻进时孔壁内外的平衡,由于泥炭层富含水、天然孔隙比大、高压缩性、流塑状态的特点,再加上高坍落度混凝土良好的和易性,它就会往孔壁外沿流走。(2)当拆完一根导管之后,埋管深度变为3.6m,则孔壁需要承受的压力减少了约25%,虽然这个压力也有可能超过了孔壁的承受压力,但孔壁内外压力的比差则小得更多,再加上混凝土浇筑时进入孔内的混凝土的流量可能大于混凝土沿着孔壁往外挤压流走的流量,从而混凝土既沿着孔壁往外挤,也顶升孔内混凝土往上升,这刚好解释2.2m3为什么没有使孔内混凝土上升正常情况下的1.5m,而是仅仅顶升了0.4m的原因。而由于此时的混凝土是一种流体状态,不同于液体,所以在上述体积的混凝土浇筑完毕之后,孔内混凝土面以下的混凝土还在往外挤压流走,所以在极短的几分钟内,该部分流走的混凝土就由上面的混凝土往下填补其空间,这刚好能解释混凝土浇筑完毕几分钟之后,泥浆面又出现下降的现象。(3)当后续8.8m3混凝土灌注时,埋管深度达到了3.95m,此时导管内外的混凝土高差为3.59m(由于泥浆的高度减少了40cm),由于这个压力虽然比上次的压力增加不多,但上次的压力足以破坏孔壁,那这次的压力也够了。此外,混凝土灌注时的下落的实际高度大,还有混凝土从罐车内流出的动能,这些都会增加孔壁实际需要承受的压力,混凝土坍落度减小了,混凝土进入孔内的流量基本等于混凝土挤压孔壁沿孔壁外流走的流量,因此这些混凝土浇筑下去就会造成顶面不会发生任何变化。(4)混凝土灌注到-5.4m高程时,挤压到孔壁外的混凝土和孔内混凝土基本还是整体连接的,此时,这个孔壁内外的压力应该重新达到一个新的平衡状态,当最后8.8m3混凝土灌注完毕,往孔内注水时,孔内的压力增大,内外压差会挤压该部位的混凝土继续往更远的外围流走,直至又一次达到新的平衡状态,这就是为什么注水后孔内水头快速下降,但下降到某一个高度之后停止的原因。(5)孔内压力达到0.178MPa以下的某一个值(无法检测孔外的压力,此外,现场条件也无法试验模拟检测这个实际临界数值,因此只能是推测到这个范围,下同)时,孔壁内外的压力差就足以破坏孔壁,当孔内压力达到0.178～0.181MPa的某一个值时,孔壁内外的压力差就会足以使混凝土挤压孔壁,沿孔壁外流走的流量等于混凝土进入孔内的流量。(6)沿孔壁外挤走的混凝土会形成一个临时的孔壁。(7)可以推测,在泥炭层,导管口的底口高程以上,孔内顶面混凝土高程以下的某一个高程范围内,本根桩就在-11.5～-5.4m内,桩基混凝土应该扩大为一个极不规则的造型。整个桩基混凝土纵断面可以形象地看成是一个小孩戴着一顶大沿帽(图3)。该不规则的混凝土造型的体积约略等于24m3(先后灌入的“消失”的混凝土量),这个推测可以通过今后的桩基检测的波形图进行验证。4处理方案除了B匝道桥桩基外,A、C匝道桥梁桩基均为类似地质情况,为了防止再次出现此类现象,拟采取特殊措施进行处理。4.1桩基材料不足采用钢护筒穿透淤泥层的方案是一个常见且切实有效的万全之策,但该方案也有以下缺点,并受客观条件限制。(1)该方案所增加的成本较大,不是一个较经济合理的方案。(2)由于桩基是摩擦桩,该地区的地下水有一定的腐蚀性(桩基混凝土设计为C35也是基于防腐的考虑),护筒被腐蚀后,势必降低桩基承载力。(3)由于原设计没有钢护筒,所以进场设备未考虑卷板机和振动锤之类的施工设备,而贝宁当地根本没有加工和插打钢护筒的能力和设备,如果从国内重新采购这类设施再经海运过来,要想达到施工条件,至少是3个月以后的事情。而本项目是贝宁的“总统工程”,总统一再提出希望压缩工期的要求,因此工期也不允许采取这个方案。4.2法国公司桩基施工法国有两家建筑公司在当地至少有50年的历史,他们在当地有丰富的沼泽区施工经验,在本项目下游约300m的同一条河上,一家法国公司正在修建一座小桥。他们的主要思路就是降低地层含水率,主要方法就是在桥梁外围密排井点降水设施。桩基施工前先进行井点降水施工。据我们多次实地察看,他们至少进行了近一个月的降水施工才开始进行桩基施工。由于他们的桩基设计较短(小于40m),桩径为1.0m。所以他们选用的机械是悬挖钻机,膨润土造浆护壁,导管法灌注水下混凝土。4.3灌注外加剂方案经过综合分析,该地质条件下桩基施工出现的问题主要在水下混凝土灌注环节,因此有针对性地提出以下处理措施。(1)混凝土灌注到该地层时,减少导管埋深,总体上确保埋管深控制在1.5～2.5m,这样做的目的主要是减少需要顶升的混凝土量,从而减少顶升这些混凝土需要的压力,进而减少孔壁需要承受的压力,尽可能地将需要的压力减少到孔壁能承受的临界压力以下,或者不至于超过该临界值过多。(2)当混凝土即将浇注到设计泥炭层时,放慢混凝土的浇注速度,以减缓对桩壁的扰动,并尽可能地使已经灌入孔内的混凝土能经过延时增强其强度。这从某种意义上也等同增加