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超大直徑橋梁組合工程樁

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  (一)橋梁組合工程樁的發展
  1.基礎目標
  改革開放以來,隨著國民經濟持續高漲,我國公路橋梁工程也得到了突飛猛進的發展。跨徑愈來愈大,上部結構型式千姿百態,而與其相關的基礎工程卻一直變化不多,缺乏原創技術。橋梁工程師普遍“重上輕下”。設計爲了趕進度常套用圖紙,連中小跨徑的河流中都滿布承台。衆所周知,承台水下施工困難,不但工期長、造價高,最令建設者“頭痛”的是常受到洪水影響和威脅。因此在百米跨徑以內橋梁實現“無承台”是基礎工程師的夢想。
  2.樁徑新紀錄
  在我校岩土研究生教學和研究工作中發現:著名“國家級有突出貢獻科技專家”——上官興教授早在上世紀九十年代就已提出一套完整的“變截面、無承台、大直徑組合樁技術”,[文獻1]。在他主持的工程中,先後在“90m連續梁”、“2×50m斜拉橋”、“2×100m鋼管砼中承拱”、“120m頂推系杆拱”和“4×52m石拱橋”等不同橋型的樁基設計中,均實現了“無承台”。相繼創造了Ф6m沈挖空心樁、Ф4m鑽埋空心樁和Ф5.6m變截面鑽孔樁等超大樁徑記錄,其技術水平已居國際前列。
  3.“組合樁”名稱
  在《橋涵》施工手冊中定義直徑大于2.5m的樁稱爲大直徑樁。但要實現百米跨徑橋梁樁基礎無承台,樁徑要達到Ф4m,Ф5m,Ф6m,因此本文定義爲“超大直徑樁”。
  通用基礎工程手冊中常將“沈井”、“挖孔”、“鑽孔”和“預制打入樁”等定義爲不同的基礎型式。爲了解決所遇不同地質土層施工中困難和實現“無承台”,在橋梁基礎工程中常常將上述幾種基礎型式進行組合使用,稱爲“橋梁組合工程樁”。
  综合以上两方面情况,我们把上述桩定义为“超大直徑橋梁組合工程樁”。在表1中列举了国内大于Ф3m的组合桩情况(桩径以出河床面的直径为准)。在图1中列举了有关图片。
  本文系研究生毕业论文,它简介“超大直徑橋梁組合工程樁”实践情况,供年轻一代桥梁工程师参考,希望他们在自己的工程实践中进一步发展和创新。
  (二)變截面超大直徑鑽孔樁
  1.廣東九江大橋提出
  1985年,廣東九江大橋實行國內首次《橋梁工程項目(設計、施工)總承包》招標。粵湘公司以2×160m獨塔斜拉橋和21×50m頂推連續梁方案中標。爲降低工程造價,在斜拉橋主墩基礎中棄用了雙壁鋼圍堰內加鑽孔樁的常規方法,在水深16m中大膽地推出高樁承台新結構。在以2000t船泊碰撞力爲控制的情況下,主墩設計爲24Φ2.5m鑽孔灌注樁,樁長55~72m。50m頂推梁橋墩設計爲6Φ1.5m鑽孔樁,上設承台。
  1).變截面樁産生:用160t震動錘施打Φ3m鋼護筒入土14m,考慮沖刷後仍有8m的細沙複蓋層。如果考慮鋼護筒的共同作用,則18(Φ3/Φ2.5m)樁與24Φ2.5m樁抗水平力的效果相等;由于樁尖嵌岩段由于沒有彎矩只有垂直支承力,在充分利用樁尖的花崗岩高強度(140MPa)情況下,又可將Φ2.5m嵌岩樁徑減少到Φ2m。這樣就形成了一根直徑(Φ3/Φ2.5/Φ2m)的變截面、大直徑鑽孔灌注樁。這種新構思爲主墩基礎工程減少了6根長樁,節省費用高達120萬元(85年價格)。
  變截面方案設計的難點在于《橋規》和一般《手冊》中均沒有不同土層中不同樁徑的水平力作用下內力計算方法,這也是長期以來制約設計沒有如實考慮鋼護筒作用的原因所在。
  廣東九江大橋通航孔主墩基礎18根變截面大直徑樁,通過湖南交通設計院的精心設計和湖南路橋一公司的精心施工,僅用五個月時間勝利完成。開創了國內深水高樁承台樁利用鋼護筒形成變截面樁的先河。
  2).無承台方案提出:九江大橋北岸6×50+40=340m頂推連續梁在水中還有六個橋墩。由于工期緊迫1997年初,在上官興總工倡議下,廣東公路設計院郭範圍高工將有承台的6Φ1.5m钴孔樁修改爲2(Φ3/Φ2.5/Φ2m)變截面、無承台、單排雙樁雙柱墩。由于取消了承台,給施工帶來極大的方便,湖南路橋一公司僅用三個月時問、搶在洪水前完成12根變截面樁任務,充分顯示了無承台的優越性。這是國內首例50m橋墩單排無承台樁基。
  2.湘潭湘江二橋發展
  新技術的威力是不可阻擋的。廣東九江大橋50m橋跨無承台變截面樁新結構的産生,
  給保守的樁基礎設計帶來了巨大的沖擊。88-92年間在湖南省十多座大橋,施工單位都強烈要求將小直徑群樁修改爲無承台變截面樁。橋梁工程沒有創新,就沒有進步,也就沒有生命力。湖南省交通設計院趙國強高工及時將湘潭湘江二橋水中12個橋墩全面修改爲無承台變截面大直徑樁,在中國鑽孔樁發展史中寫出了光輝的篇章。
  湘潭湘江二橋在90m橋跨,20m橋寬中所實施成功的單排無承台變截面大直徑樁(Φ5m/Φ3.5m),在92年武漢全國第十次橋梁會議上,被專家譽爲《中國鑽孔灌注樁發展的裏程碑》。在它的推動下,安徽銅陵長江大橋及時修改設計,又創鑽孔樁徑(Φ4.6/Φ4/Φ2.8m)新記錄。由于種種原因,除湖南省外國內很少推廣考慮鋼護筒參與作用形成的變截面樁。直到2003年在“蘇通長江大橋”1088m斜拉橋主墩設計中,才正式采用變截面樁(Φ2.8/Φ2.5m)。創新的技術爲何推廣遲來18年值得深思。
  3.沈井—鑽孔組合樁
  1)組合:對于深水大跨徑和岩層深的橋梁可以將沈井、挖孔和鑽孔等幾種工藝因地制宜地互相結合,創造出新的橋梁組合工程樁基。例如用沈井做大直徑鑽孔樁的護筒來實現無承台,這樣既解決了大直徑鋼護筒施打下沈的困難,又可利用沈井做重型鑽孔機的施工平台。當沈井內挖孔困難時,可改爲鑽孔和沖孔,形成沈井—鑽孔組合樁。2002年,中交四航設計院黃劍虹工程師將韶關五裏亭大橋120m中承拱主墩設計的變截面樁徑爲(Φ5.6/Φ3.5/Φ3m),創中國鑽孔樁之最(如圖2),又將湘潭二橋90m單排樁記錄推進了30m。
  2)施工:上部Φ5.6m砼和鋼沈井系用築島法和在平台中沈放。施工至強風化岩面(深11m)後,在沈井頂上安裝Φ3.5m沖擊鑽機。鑽孔樁至微風化岩面(深15m),再換鑽頭(Φ3m),嵌岩深5m,形成組合樁。
  3)特点:由于沉井在砂砾覆盖层中的巨大抗推刚度,约束了桩的水平位移,所以设计大胆地将两桩间所有的横向联系都取消,形成独桩独柱新结构。2004年,它经受了百年一遇的洪水考验,安然無恙。这种考虑钢护筒(沉井)作用的超大直徑橋梁組合工程樁对于拱桥和以船泊碰撞为控制的桥墩都有十分重要的意义,这是值得桥梁基础工程师特别关注的。
  (三)鑽埋預應力空心樁(墩)
  1.成果推廣
  1)來由:湖南省交通廳在承擔交通部“八五”行業聯合科技攻關項目——《洞庭湖區橋梁建設新技術的開發研究》的課題研究中,由于洞庭湖區湖河岔交錯、地基軟弱、缺乏砂石材料,修路不易建橋更難。針對這一特點,課題組在學習河南省公路局和交通部公路科研所“鑽埋空心樁”新技術的基礎上,結合湖南無承台大直徑樁的特點,通過優化結構,改進工藝,提出了更爲完善的的“無承台、大直徑鑽埋預應力空心樁柱”技術。湖南省公路設計公司積極推廣發展已通過交通部鑒定的鑽埋空心樁成果,在短短三年中完成了84根,總長2293m的大直徑鑽埋空心樁,取得了減少水下30%體積的顯著效果。其中常德石龜山大橋3×80m連續梁獨墩獨柱基礎中所實施的鑽埋空心樁樁徑達(Φ5/Φ4m)紀錄,爲世界之最。
  2)特點:“無承台大直徑鑽埋預應力空心樁柱”具有結構新穎、受力合理、節省材料和實現裝配化施工的特點。在百米橋跨中使用可以取消難于施工的承台砼。如進一步改進在東海大橋和杭州灣大橋的地質情況中推廣應用,將會産生十分巨大的經濟效益。
  2.施工技術
  “無承台大直徑鑽埋預應力空心樁柱”是一種全新的樁基施工技術,它集當今國際、國內樁基先進技術之大成。其特點如下:
  1)屬鑽孔埋入施工法。集鑽孔樁和預制樁優點于一體,既可以有效防止鑽孔樁成樁過程坍孔而引起基樁質量事故,又可解決沈入樁沈不下去或沈樁偏差過大的質量事故;
  2)樁身采用預制。空心樁節分段豎拼、分段設置預應力和分段吊裝入孔成樁。由于基樁的預制和鑽孔可平行作業,故可實現工廠化施工,並爲樁基采用高強度砼開辟了道路;
  3)樁節拼接。采用環氧樹脂膠粘縫方法,速度快、質量好,極好地簡化了接頭構造;
  4)帶底的空心樁。充分利用水浮力來緩解對吊機起吊能力的需求,在發展中國家適用性好;
  5)樁周填石壓漿。使水泥漿在壓力下擠密和滲入周土,大大提高了樁周摩阻力,樁底二次壓漿既可處理樁底沈澱,又可使樁底土得到預壓密實和加固作用,充分地發揮樁底土反力作用。
  3.推有關問題研討
  1)允許沈降量:超大直徑鑽埋空心樁在研制過程中遇到了重重阻力。首先是理論研究跟不上,質檢站按中國規範的小直徑樁極限沈降量δ=4m,來作爲Φ4空心樁的允許沈降量,發出樁要破壞的信號,使高層領導惶恐不安。如今引進了德國和美國橋規,大家終于知道了樁允許沈降量與樁直徑D成正比(爲1%D),就是說Φ4空心樁在施工過程中沈降4m,與Φ1鑽孔樁沈降1cm同在允許範圍內,屬彈性範圍,不會破壞。
  2)質量事故:石龜山大橋設計鑽埋空心樁共有20根,除35#橋墩因施工管理不善連續
  出現3次質量事故外,其余19根質量完好。鑽孔埋空心樁的事故率η=1/20=5%,與鑽孔樁一樣屬正常範圍。十年過去了,連續觀測空心樁沈降早已算定。但極個別管理人員向廳、局領導誣告石龜山橋僅有一根Φ4m鑽埋空心樁,結果計算事故率是100%。十分遺憾這種常識性的錯誤得不到及時更正,終于將“鑽埋空心樁”這朵鮮豔科技之花埋葬了十年。
  3)2005年西安公路大學馮忠居博士論文《大直徑鑽埋預應力砼空心樁》獲得國務院交通部資助,在人民交通出版社橋梁樁基新技術專著出版[文獻2]。全面系統地闡述了鑽埋空心樁的受力機理,並推倒出樁的強度和承載力計算方法,爲它的推廣發展奠定了理論基礎。科技發展的曆程說明,很多創新的好東西是先實踐後有理論的。
  4)具有中國特色的“無承台大直徑鑽埋預應力空心樁柱”最突出的優點是取消了難于施工的大體積承台砼體積,它具有結構新穎、受力合理、節省材料和實現裝配化施工的特點,經濟效益十分顯著。鑽埋空心樁的出現終于克服了鑽孔灌注樁尖軟墊層以及柱身砼質量難于控制的兩大難題。它的産生和發展是我國橋梁基礎工程的重大突破。
  (四)超大直徑沈挖空心樁
  1.産生:在軟弱地層的“無承台鑽埋大直徑空心樁柱”研究成功之後,爲了解決在湖南省山區拱橋基礎的困難,課題組將沈井和挖孔兩種工藝組合,提出“沈挖空心樁”新型式。1995年在張家界市觀音大橋(4×52m石砌板肋拱)工程的施工實踐中獲得成功。具體做法:①用築島法做沈井(刃腳高1m,外徑Φ4.5m),然後接高沈井做墩身,外徑Φ3.5m(壁厚0.5m);②水中開挖沈井下沈6-8m落在風化岩面;③以水下壓漿混凝土或旋噴混凝土兩種工藝封閉刃腳達到止水目的;④抽幹水人工在風化岩中開挖Φ2.5m挖孔樁(深4-6m);⑤用水下混凝土將挖孔樁和沈井刃腳固結;⑥沈井內不填混凝土,作爲空心墩的組成部分,這樣形成一種“沈挖空心樁(墩)”新結構。
  2.特點:將沈井和挖孔樁兩種傳統工藝相結合的方法特別適用山區砂卵石下含有不透水粘土的地層。它施工速度快,空心結構又能節省大量砼體積;以人工開挖爲主,不需大型設備,因此在地方公路工程具有重要的現實意義。
  3.桃源大橋發展:1995年湖南省公路設計公司及時將觀音大橋所創沈挖空心樁(墩)新技術推廣在桃源沅水大橋。在16×54m箱肋拱中采用二根分離式(Φ4.5/Φ2.5m)無承台變截面沈挖空心樁(墩);在2×l00m鋼管砼拱中采用二根分離式(Φ6/Φ4m)無承台變截面沈挖空心樁(墩)。桃源大橋在1000m長跨連拱橋中,19個墩台38個分離式沈挖樁同時開工,僅用一年時間就提前完成了全部下部構造,鑽孔與樁基方案相比較節省了1000多萬元,充分顯示了具有中國特色的“沈挖空心樁”的巨大生命力。桃源大橋創造了百米拱橋無承台的新紀錄。
  4.推廣:“沈挖空心樁”的誕生解決了地方公路橋梁水下基礎工程中缺乏大型鑽機設備的困難,填補了砂卵石地基上大直徑空心樁柱的空白,因此迅速得到推廣。僅湖南省內推廣六座大橋,共計73根長1051m。
  (五)橋梁組合工程樁承載力計算
  衆所周知,在深水中進行灌注樁施工,首先要在施工平台上施打鋼護筒。以前在橋梁基礎設計中一般都沒有考慮施工鋼護筒的共同作用,常常按等截面計算實際上是一種浪費。盡管變截面樁己經開始在一些橋梁工程中使用,但總體上一般性理論研究相對缺乏。因此變截面組合樁的水平承載力計算以及按沈降量確定允許承載力不僅是樁基理論自身發展的需要,更是工程界的迫切要求。
  1.豎直承載力
  1)單樁豎直承載力由土對樁的支承能力、樁身材料強度以及上部結構所容許的樁頂沈
  降量三方面控制。一般單樁承載力的理論研究已有不少方法,例如:荷載傳遞法、彈性理論法、剪切位移法、有限單元法等。但是由于鑽孔樁的施工因素諸多,以致尚沒有公認的承載力(N)—沈降量(S)相關曲線理論計算方法。目前樁基設計僅僅以極限承載力除安全系數來確定,承載力(N)與沈降量(S)關系仍以荷載試驗來求得。
  2)2005年,上官興教授通過十年多對鑽孔樁沈降曲線的研究工作,結合蘇通大橋17根試樁資料提出了“鑽孔樁荷載沈降曲線(σ-y)計算法”[文獻3、4]。思路是緊緊抓住沈降的三個階段特性,以30根試樁豐富數據爲依據,從工程師所熟悉的方法入手,歸納提出一系列的簡明計算公式,再引入不同的經驗系數使理論計算沈降曲線十分接近實測值,精度能夠達到工程的需要。該方法的研究特點是首次反映了鑽孔泥漿工藝水平對垂直承載力的影響。
  2.水平承載力
  1)采用拱橋方案時,由于水平推力大,必須用大直徑鑽孔樁基礎。但樁徑大于2.5m以後,很難通過砂卵覆蓋層,因此首先應考慮用大直徑沈井來作護筒,形成變截面樁。當沈井通過覆蓋層之後一定深度時,由于土抗力彎矩的減少又可以減少樁徑,變爲挖(鑽、埋)孔樁,直至持力層來承擔垂直力。這種不同工藝所形成的變截面橋梁組合樁基礎既安全、又經濟,還便于施工,值得推廣。但是各種不同型式的無承台變截面組合樁都遇到一個共同的難題:即如何計算水平力作用下的內力。在現行的“橋規”和一般樁基書籍中均沒有答案,國內現行各規範手冊僅有對等截面單樁水平承載力的設計法。
  2)交通部行业联合科技攻关组(湖南)在经过详细调查研究后认为:原辽宁省交通科研所总工王伯惠所提出的《变截面桩水平力作用计算》方法[文献1],概念清晰、公式简明,极易于微机计算,也能手算解出。为了验证该方法的可靠性,课题组决定在桃源大桥进行8根桩的水平荷载实验。按反算的m(地基比例系数)计算得到桩地面处的位移和转角值与实测值十分接近。除桩侧土抗力外,还计入了桩变截面处地基垂直反力所产生的反弯矩对桩在地面处的水平位移值的影响,这比较符合实际情况。可以用在超大直徑橋梁組合工程樁设的计中。
  (六)主要參考文獻
  [1]王伯惠,上官興.《中國鑽孔灌注樁新發展》.人民交通出版社,1999.8.
  [2]馮忠居,上官興.《大直徑鑽埋預應力砼空心樁》.人民交通出版社,2005.
  [3]上官興.《用荷載(N)-沈降(S)曲線確定樁垂直承載力》.全國大口徑工程井南京會
  議論文集,1999.
  [4]熊國輝,蔣偉.超長鑽孔樁沈降曲線研究(蘇通法).《2006年全國橋梁學術會議論文
  集》.人民交通出版社,2006年.
  作者:蔣偉,華東交通大學土木建築學院碩士研究生
  邮编:330013電話:13755642660

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