基于双液高压旋喷注浆处理后桩基持力层安全厚度分析

唐明裴，王如寒，宁平华

(广州市市政工程设计研究总院有限公司，广州 510060)

桥梁桩基在岩溶发育地区的设计与施工一直是工程的重点与难点，目前国内外学者针对桩基持力层(即溶洞顶板)安全厚度展开了一系列研究，文献[1]将溶洞顶板模拟为混凝土梁或板，简单直观地分析了初等梁板理论下的溶洞顶板安全厚度.文献[2]采用溶洞顶板固结梁力学模型，分析了溶洞顶板的稳定性.文献[3]采用有限单元法对溶洞顶板进行了受力与稳定分析.文献[4-5]分析了基于临界破坏和莫尔破坏的溶洞顶板安全厚度.文献[6]对溶洞地区嵌岩桩承载力进行了相关试验，得出了其破坏模式及相关计算公式.

以上文献从理论到试验，从初等梁板力学模型破坏到失稳破坏等，得出的结论与JGJ 94—2008《建筑桩基技术规范》[7]中的相关规定相吻合：桩端以下硬持力层厚度不宜小于3d(d为桩径)，对于小直径桥梁桩基易满足.对于大跨度桥梁桩基，其设计上一般采用大直径嵌岩桩，若嵌岩深度取1d(若上覆盖较深淤泥层还需增加)，则总持力层厚度需为4d.按此设计准则，当桩径为2 m时，所需持力层厚度达8 m，桩径越大所需的持力层厚度越大，对于岩面起伏较大的岩溶发育地区很难满足.此时加长桩基穿过溶洞，会大大增加投资而不经济，同时继续往下有可能使得溶洞不满足完整持力层厚度.如广东清远市某在建大跨度桥梁因遇到连续串珠状溶洞，部分桩基的桩长设计超过100 m，大大增加了施工难度、施工风险和工程造价.因此，本文作者针对岩溶发育地区桩基，提出采用双液高压旋喷注浆法形成有效的人造持力层，使得桩端下溶洞顶板可小于3d而仍具有可靠的安全性.

1 双液高压旋喷注浆法

双液高压旋喷注浆法采用水泥、水与水玻璃混合液按一定比例配合，利用高压泥浆泵把浆液从喷嘴中喷射出去形成高压喷射流，冲击破坏岩土体，同时借助注浆管的旋转和提升，使浆液与从土体崩落(切割)下来的土粒、砂粒搅拌混合，经凝固后，便在岩土体中形成水泥、砂、土体混合的一定强度的固结体，极大地提高了溶洞的处理效率.

文献[8-10]研究了水泥-水玻璃双液注浆的力学特性，根据水灰比及水泥-水玻璃的比例不同，水泥-水玻璃浆液凝固3d强度均可达到 4～17 MPa，强度指标可满足持力层要求.由文献[11-13]可知，大多数理论研究和实际工程将双液高压旋喷注浆法用于加固处理，很少用于桥梁桩基持力层，一方面是缺少理论分析，另一方面是对双液高压旋喷注浆法施工工艺难以把控.

本文作者经过理论分析和工程实践研究，将双液浆配合比(质量比)为水泥∶水∶水玻璃=1∶0.8∶0.12，注浆前宜由试验试配确定，以满足旋喷注浆施工对浆液流动性和固结体抗压强度指标的要求，即水泥土固结体28 d龄期单轴抗压强度不小于15 MPa.施工参数如下：压力为20～25 MPa，流量为60～70 L/min，提升速度为8～10 cm/min，旋转速度为8～10 r/min，喷射段为洞顶上延0.5 m，洞底下延0.5 m.这样保证溶洞顶底板接触面整齐，溶洞空间由注浆液完全填充，水泥土固结体与岩体充分接触，岩层溶洞顶板范围内无缝隙，解决溶洞顶板裂隙和空隙问题.

2 溶洞顶板受力分析

根据文献[1-6]，溶洞顶板安全性分析从初等梁板力学模型得到的结果只要考虑足够的安全系数，与失稳分析和试验得到的结果大致一致.本文先从初等梁板力学模型的角度推导出注浆形成人造持力层前后溶洞顶板弯曲破坏、冲切破坏的相关公式，再从工程试验角度进一步加以论证.

2.1 溶洞顶板弯曲破坏分析

顶板岩层较完整时可按两端固定梁计算，其计算跨径取为桩径.注双液浆前后剖面见图1，对应的简化力学模型见图2.其中：d为桩基直径；h0为桩基嵌岩深度，h1为溶洞顶板厚度，h2为溶洞深度；q为桩底应力；L为溶洞跨径.

注浆前溶洞顶板单位宽度最大弯矩

(1)

对于嵌岩桩

(2)

式中：F为单桩极限承载力；A为桩底面积.

得到溶洞顶板应力为

(3)

式中：W为溶洞顶板竖向截面抗弯截面系数.

溶洞顶板安全应满足

(4)

式中：R为岩石抗拉强度；k为安全系数；frk为岩石的饱和单轴抗压强度标准值；拟定R=λfrk，一般λ取0.1～0.02[2].

将式(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，这与规范中规定的桩端以下硬持力层厚度不宜小于3d相吻合[1].

注浆后按组合材料单位宽度固定梁计算，溶洞顶板与人造持力层受力示意见图3.上部为溶洞顶板，下部为注浆形成的人造持力层，两者共同受力.采用截面分力法，将整体截面作用的弯矩M分解为作用于溶洞顶板、人造持力层截面上的弯矩M1，M2及其轴力N.

截面上分解作用力平衡式为

M1+M2+N·L1=M

(6)

截面转角与轴向变形平衡式为

(7)

溶洞顶板最大应力为

(8)

将式(6)、式(7)代入式(8)，可得

(9)

从式(9)可以看出，h1、h2的相互关系、岩层与人造持力层的弹性模量比对溶洞顶板受力有很大的影响.

当h1=h2，n=2，L=d时，可得

h1≥1.3d

(10)

当满足式(10)时，采用双液浆人造持力层能保证顶板不会发生弯曲破坏.实际工程中应先做试验得出人造持力层弹性模量，根据地质探孔得出岩层弹性模量与桩端岩石抗拉强度，带入式(9)中判断是否满足.

2.2 溶洞顶板冲切破坏分析

大量研究表明，溶洞顶板最易发生冲切破坏.本文冲切破坏锥体取到岩层底面，不考虑人造持力层的锥台效应，这样冲切破坏锥底面积小，结果偏安全.形成人造持力层后，溶洞顶板冲切受力简图见图4.

抗冲切需满足

kPp≤Q1+Q2

(11)

式中：Pp为桩端垂直荷载；Q1为锥台侧面的岩层拉力；Q2为锥台底人造持力层顶托力.

(12)

(13)

(14)

式中：fd为人造持力层顶托设计强度.

注浆前Q2=0，注浆后可考虑Q2的作用.若取fd=2 MPa，破坏锥体锥角φ=45°，其余取值同前.可得：

h1≥0.91d

(15)

当满足式(15)时，采用双液浆人造持力层能保证顶板不会发生冲切破坏.

3 工程实例

3.1 工程概况

清远市某在建大跨度斜拉桥桥位场地地层自上而下为：含素填土、粉、细砂、圆砾中砂、淤泥质粉质黏土、粉质黏土、卵石质砾砂、卵石、砾砂、灰岩等，基岩岩溶发育，岩石裂隙和方解石脉发育，多为1～11层不同高度的溶洞，部分钻孔呈串珠状小溶洞发育，厚度0.20～15.60 m，见洞率为81.25%，溶洞主要为全充填或无充填，少量为半充填，填充物主要为软塑～可塑状粉质黏土，钻进时多发生漏水现象.

15#主墩采用钻孔灌注端承桩基础，桩基直径为2.2 m，单墩下有16根桩.桩顶标高4.2 m，单桩桩顶竖向最大设计承载力为24 000 kN.设计嵌岩深度要求进入微风化岩层不小于d.以15#主墩超前钻资料为例,见图5，层底标高-20.96 m时开始进入岩层，连续遇到溶洞，标高为-67.18～-72.58 m有厚度5.4 m的持力层，往下又遇到溶洞，标高-82.58～-90.58 m有厚度8 m的持力层.此时超前钻已打到108 m深度，仍未满足规范的设计要求4d=8.8 m最小持力层厚度.同时，在实际施工中处理的溶洞越深越容易出现掉锤、塌孔等问题.为减小钻孔深度，加快工期，保证溶洞处理安全性，降低工程造价，设计上决定不再继续往下打，将-72.58～-82.58 m范围内的溶洞进行双液高压注浆处理，形成有效的人造持力层，并以本文计算方法验算标高为-67.18～-72.58 m(厚度5.4 m)的溶洞顶板安全性.

3.2 溶洞顶板安全性验算

计算参数：桩底应力q=6.3 MPa，h1=5.4 m，h2=10 m，frk=50 MPa，fd=2 MPa，取安全系数k=3.5.微风化灰岩弹性模量E1=40 GPa，硬化双液浆弹性模量根据现场试验可取E2=20 GPa.

同理代入式(11)可得：kPp=83.8 MN

设计上将-72.58～-82.58 m范围内的溶洞进行双液高压注浆，形成有效的人造持力层，此桩在标高-69.38 m终孔，桩长73.58 m.之前设计桩长需要继续穿过-82.58～-90.58 m，桩长至少94.78 m，桩长至少减少28.8%，大大减小施工难度，缩短工期，节约造价.成桩后经过抽芯检测为I类桩，注浆后无接缝.

4 三维有限元模型计算分析

4.1 建立三维有限元模型

为进一步保证工程的安全性，验算文中推导公式的可靠性，采用MIDAS/GTS建立15#主墩15-5-2桩基对应的三维有限元，用桩基-溶洞-顶板-人造持力层相互作用力学模型模拟其实际受力，模型见图6.桩基采用梁单元模拟，土层、溶洞顶板及人造持力层采用实体单元模拟.模型计算范围取6d，土体、岩体及人造持力层均采用莫尔库伦模型，桩身为混凝土线弹性模型.通过设置桩侧岩土界面参数来模拟桩与岩土的接触.由于桩基为嵌岩桩，为建模方便将桩身溶洞、灰岩均按一层建立，保证其总厚度与实际钻孔资料一致.计算中所需土体、灰岩、溶洞、人造持力层的物理力学参数见表1.

表1 材料的物理力学参数

4.2 计算结果分析

计算结果提取桩底下溶洞顶板的剪应力，其结果见图8.由图8可见，与桩底相接触范围的溶洞顶板所受的剪应力最大，随着深度的增加，剪应力逐渐减小，范围也逐渐扩大.

根据计算结果，溶洞顶板受力安全可靠.

5 结论

1)串珠状溶洞发育地区，采用双液高压旋喷注浆法形成溶洞人造持力层是可行的.

2)通过双液高压旋喷注浆法形成溶洞人造持力层参与溶洞顶板受力后，溶洞顶板安全厚度限值相对于注浆前可大幅减小，使得桥梁桩基长度得以减小，降低了岩溶地区桩基的施工难度，缩短了工期，节约了造价.

3)实际工程中应先做试验得出人造持力层弹性模量，根据地质探孔得出岩层弹性模量与桩端岩石抗拉强度，再代入公式中判断是否满足.

4)将本文成果应用于清远市某大跨度斜拉桥的桩基设计中，目前该工程全桥182根桩基已施工完毕，经抽芯检测全部为I类桩，安全可靠.