壩基樁支承式沉井施工技術(shù)分析

龔國(guó)聯(lián)

摘要:文章結(jié)合某水庫(kù)大壩基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)與施工,介紹了樁支承式沉井在水工結(jié)構(gòu)工程中的運(yùn)用。通過(guò)全面分析,對(duì)樁支承式沉井壩基方案的施工安全合理性作出了評(píng)價(jià)。

關(guān)鍵詞:大壩基礎(chǔ);樁支承式;沉井施工;水工結(jié)構(gòu);壩基方案

中圖分類號(hào):TU991文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1009-2374(2009)22-0153-02

當(dāng)基礎(chǔ)埋置比較深時(shí),如果采用明挖法施工,則因基坑深,坑壁支撐或板樁圍堰等所受的土壓力和水壓力大,則需要更長(zhǎng)、更強(qiáng)的板樁和支撐結(jié)構(gòu),施工很不方便,也不經(jīng)濟(jì)。如超過(guò)30m時(shí),在施工技術(shù)上困難會(huì)更大,不易保證施工的安全,這時(shí)應(yīng)采用沉井作為基礎(chǔ)。

沉井既可作為修筑深基坑的圍壁之用,同時(shí)其本身在底板封底之后還可作為建筑物基礎(chǔ)。作為建筑物基礎(chǔ)的沉井的建造過(guò)程是先將位于地下一定深度的建筑物或建筑物基礎(chǔ)在地面上制作完成,形成井狀構(gòu)筑物,然后在井內(nèi)不斷挖土,借助井體自重而逐步下沉,下沉到設(shè)計(jì)標(biāo)高后封底,根據(jù)建筑需要構(gòu)筑井內(nèi)底板、梁、樓板、內(nèi)隔墻、頂板等構(gòu)件,形成建筑物的基礎(chǔ)。

沉井是修建深基礎(chǔ)和地下深構(gòu)筑物的主要基礎(chǔ)類型,廣泛地應(yīng)用于工程實(shí)踐。樁支承式沉井有效地預(yù)防了在軟土地基中極易產(chǎn)生超沉、偏傾等施工難題,在工程實(shí)踐中收到了較為滿意的效果。

一、工程概況

某電站是為引水式開(kāi)發(fā),樞紐由鋼筋混凝土攔河閘、右岸引水道及地面廠房組成。電站設(shè)計(jì)裝機(jī)規(guī)模80MW。江水流域位于高原區(qū),地形起伏較大。通過(guò)初步分析計(jì)算,電站壩址處控制流域面積12087km2,多年平均流量136m3/s,年徑流總量42.89×108m3。洪水主要由暴雨形成,壩址處五十年一遇洪峰流量3440m3/s,五百年一遇洪峰流量5720m3/s。流域中游河段由于河道急劇下切,兩岸邊坡陡峻,受人類活動(dòng)影響,植被稀少,水土流失嚴(yán)重,據(jù)推算洪石巖壩址處多年平均懸移質(zhì)輸沙量約1209.8×104t,推移質(zhì)約181.48×104t。

二、樁支承式沉井

(一)地基處理方案的選擇

壩基處理對(duì)比了大開(kāi)挖、地下連續(xù)墻、樁支承式沉井等多種可能壩基方案,綜合考慮各方面因素決定采用高度為13.5m的樁支承式沉井方案。

基于洪石巖水電站壩址的地質(zhì)條件和大壩的平面位置、尺寸以及地基土層分布情況,考慮到壩體下方土體主要為深厚的有機(jī)質(zhì)和泥質(zhì)含量較高的壤土和砂壤土,地基承載力較低,同時(shí)靠近左岸區(qū)域由壤土層直接過(guò)渡到弱風(fēng)化基巖面,基巖面坡度較陡,沉井下沉控制有一定難度。故選擇大型框架式樁支承沉井(采用排水下沉施工方法)作為壩體基礎(chǔ)方案。

(二)樁支承式沉井的施工方案

1.大壩基礎(chǔ)平面施工。攔河閘壩主體平面尺寸寬度為90m,沿水流方向底面寬度為20m,壩體高度22.5m(高程1146.5～1124m),局部沖砂閘高度23.5m(高程1146.5m～1123m)。平面上由于上部壩體底部呈90×20m的狹長(zhǎng)矩形。其中左岸壩體底板部分進(jìn)入基巖,右岸底板邊緣接近基巖出露面。

根據(jù)上述地質(zhì)條件和壩體平剖面位置,本方案考慮采用沿壩體走向的樁支承式矩形沉井作為大壩的基礎(chǔ),沉井平面軸線尺寸64m×24m(高度13.5m),上游處沉井軸線與攔河閘壩體邊緣齊平,下游處沉井軸線伸出壩體4m,以抵御外荷載引起的壩體滑移和傾覆。沉井中間各層用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架支撐,井中邊緣及閘墩下部分用C10毛石混凝土和夾土碎石填實(shí)(80%碎石+20%黃粘土,要求級(jí)配良好,壓實(shí)系數(shù)不小于0.95)。沉井內(nèi)部采用3層8×3跨框架式支撐,縱橫軸線間距均為8m。

2.大壩基礎(chǔ)剖面施工?？紤]到壩體下方土體主要為深厚的有機(jī)質(zhì)和泥質(zhì)含量較高的壤土和砂壤土,地基承載力較低?？拷蟀秴^(qū)域由壤土層直接過(guò)渡到弱風(fēng)化基巖面,且基巖面坡度較陡,沉井下沉控制有一定難度。

根據(jù)上述實(shí)際工程條件,在綜合考慮壩基安全和施工可行性的基礎(chǔ)上,同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)性原則,決定采用樁支承式沉井方案:即先在沉井所在平面區(qū)域內(nèi)施打大直徑鉆孔灌注樁(C25,控制樁端全斷面入巖一倍樁徑以上,樁底殘?jiān)?50mm),樁頂標(biāo)高根據(jù)平面上不同位置分別控制在沉井刃腳底標(biāo)高、沉井底梁底標(biāo)高和封底底板底標(biāo)高,樁頂適當(dāng)超灌100cm左右;樁身混凝土終凝后用合金鋼平鉆頭將灌注樁頂磨平至上述設(shè)計(jì)標(biāo)高,樁頂以上用砂土?xí)簳r(shí)回填;然后按一般沉井施工方法將沉井沉至樁頂位置。

井下一定深度范圍內(nèi)為砂壤土層和壤土層,地震發(fā)生時(shí)為可液化土層,本方案采用注漿加固,以提高土層的抗液化能力,使井底土體承載力和井底與土體的摩擦力得以提升。注漿孔平面間距1.0m×1.0m,在支承樁之間布設(shè),注漿深度以穿透井底以下壤土層至基巖面或局部位置進(jìn)入礫石土層0.5m控制,注漿每米水泥用量100kg,水灰比0.5,注漿壓力0.5MPa。

沉井中用3×8跨3層框架結(jié)構(gòu)支撐,上部三道框架式支撐頂面分別位于沉井頂部和距離沉井頂部4.0m和8.0m處,底部一道框架式支撐及底板頂面位于距離沉井頂部12.0m處。

此外,靠近上下游最外一排鉆孔灌注支承樁在樁間注漿,與沉井上游側(cè)壁以及兩岸換填的毛石混凝土共同形成壩基的止水帷幕。樁間注漿深度以進(jìn)入基巖面0.5m控制,注漿每米水泥用量150kg,水灰比0.5,注漿壓力0.5MPa。沉井四周井壁與支承樁用靠近沉井內(nèi)側(cè)預(yù)埋在樁體內(nèi)的3根與樁主筋焊接的鋼索(d=15.0(7φ5)鋼絞線)連接,沉井下沉?xí)r鋼索置于沉井內(nèi)側(cè);待沉井沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高并與樁頂有效接觸以后,拉緊鋼索并與沉井內(nèi)壁預(yù)埋件焊接。以保證沉井與灌注樁有效連成整體,共同作用抵抗外部荷載作用。

3.沉井構(gòu)造。沉井壁厚均取1.0m,框架柱截面0.8m×0.8m,框架梁底部高度1.0m(同底板厚度),其余高度0.8m,寬度均為0.8m,底板厚度均為1.0m,封底混凝土沉井中心厚度1.5m。

兩沉井刃腳做法相同,刃腳踏面寬度0.3m,根部寬度0.7m,刃腳高度1.5m。沉井與支承樁的連接在沉井梁(柱)位置和刃腳位置樁頂分別與梁(柱)底和刃腳底部齊平,平面上軸線重合;在底板位置樁頭伸入底板100mm。

沉井側(cè)壁和內(nèi)部框架柱所有主筋伸入上部結(jié)構(gòu)底板與底板主筋焊接,以增加上部結(jié)構(gòu)和樁支承式沉井基礎(chǔ)的連接,保證整體結(jié)構(gòu)的整體性。

三、樁支承式沉井受力穩(wěn)定驗(yàn)算

設(shè)計(jì)單位提供的上部結(jié)構(gòu)荷載資料為:泄洪閘段,閘墩作用于基礎(chǔ)豎向荷載標(biāo)準(zhǔn)值Fv=41380kN,水平荷載標(biāo)準(zhǔn)值Fh =27000kN;沖沙閘段,閘墩作用于基礎(chǔ)豎向荷載標(biāo)準(zhǔn)值Fv=44350kN,水平荷載標(biāo)準(zhǔn)值Fh=27000kN。沿壩體走向每沿米作用于基礎(chǔ)豎向荷載(含3m厚底板)標(biāo)準(zhǔn)值Fv=3832kN/m,水平荷載標(biāo)準(zhǔn)值Fh=1500kN/m。

施工時(shí)沉井總重(不含底板):3476×25=79400(kN)

正常使用階段沉井總重(含底板,回填毛石鹼和碎石):

25×4692+24×9558+23×8500=542192kN(8472kN/m)

浮力:10×21937.5=219375kN(3375kN/m)

(一)沉井下沉系數(shù)計(jì)算

施工各階段沉井下沉系數(shù)計(jì)算用以下公式:

Kc=(G-B)/(Ti+R1+R2+R3)

沉井下沉施工時(shí)下沉系數(shù)K。宜控制在1.05～1.25,可以根據(jù)以上下沉系數(shù)計(jì)算表通過(guò)調(diào)整沉井底部框架梁底、刃腳側(cè)面和刃腳底部底挖土量來(lái)控制。

(二)沉井施工

沉井下沉采用排水下沉,設(shè)計(jì)高度為13.5m,沉井分層制作,分兩次下沉,第一次下沉8.5m,第二次下沉5m到設(shè)計(jì)標(biāo)高。沉井制作前先施工井底支承樁,且四周井壁下的支承樁先行施工。這樣既有利于沉井的定位,同時(shí)可以探明沉井下沉?xí)r井壁處的地下情況,及時(shí)發(fā)現(xiàn)大孤石等可能出現(xiàn)的障礙以及探明兩岸基巖面的確切位置,以保證沉井的順利下沉。上游止水帷幕樁矩較小處施工時(shí)采用間隔鉆孔成樁。

沉井挖土下沉過(guò)程中遇不易移除的大塊孤石等障礙物時(shí),由于沉井深度較淺,可以采用局部放小炮開(kāi)挖的方法,及時(shí)排除障礙,避免沉井局部應(yīng)力集中的不利影響。

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