大直徑空心樁基礎(chǔ)的發(fā)展及在桃源沅水大橋中的應(yīng)用

胡永春

(湖南省公路機(jī)械工程有限公司)

1 空心樁的特點(diǎn)

(1)能夠消除樁身隱患,確保工程質(zhì)量,在成樁施工過(guò)程中,能夠直接人工觀察,旁站監(jiān)理,對(duì)工程施工能夠一目了然,心中有數(shù)。

(2)施工工藝和設(shè)備比較簡(jiǎn)單,可以充分利用現(xiàn)有機(jī)具,符合我國(guó)國(guó)情。

(3)無(wú)須重大設(shè)備,容易多點(diǎn)平行施工,有利于加快工程進(jìn)度。

(4)樁側(cè)摩阻力和樁底反力均能顯著提高,可做成擴(kuò)底樁,同時(shí)可對(duì)樁底土層進(jìn)行夯實(shí)、壓漿加固等技術(shù)措施,樁的垂直承載力能顯著增大,樁的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度可減短。

(5)采用空心樁,減少了樁身混凝土用量,與同截面的實(shí)心樁相比,可節(jié)省混凝土體積50%左右。

(6)樁身采用預(yù)制裝配使基礎(chǔ)工程走上了工廠化,有利于組織流水作業(yè),加快工程進(jìn)度,實(shí)現(xiàn)文明施工。

但是空心樁也有缺點(diǎn),即樁由于一節(jié)一節(jié)地施工而帶來(lái)施工節(jié)段過(guò)多的問(wèn)題,這一方面會(huì)使樁的整體性變差,另一方面也會(huì)增加鋼筋接頭的數(shù)量。這就要求我們一方面要加強(qiáng)施工質(zhì)量的控制,另一方面要尋求新的先進(jìn)的施工方法以克服以上兩個(gè)缺點(diǎn)。

2 空心樁基礎(chǔ)的發(fā)展

空心樁基是在總結(jié)鉆孔灌注樁經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,為了消除樁身隱患,提高工程質(zhì)量,減少圬工體積,降低工程成本,并使基礎(chǔ)工程走向工廠化,裝配化施工而提出來(lái)的一種適合我國(guó)國(guó)情的基礎(chǔ)施工方法。

我國(guó)于 20世紀(jì) 70年代中期開(kāi)始進(jìn)行空心鉆孔樁的試驗(yàn)工作。交通部第一航務(wù)工程局于 1975年進(jìn)行了幾次空心樁的試驗(yàn),試驗(yàn)所采用的成樁方法為:先鉆一圓形孔,在孔中放置充氣囊作為模具,再灌注混凝土而成空心樁。在此試驗(yàn)后,因技術(shù)上的原因,該單位沒(méi)有再進(jìn)行類(lèi)似的試驗(yàn),但為以后的工作提供了一定經(jīng)驗(yàn)。交通部科研院和河南省于 20世紀(jì) 80年代對(duì)大直徑空心樁進(jìn)行了鉆埋空心樁的試驗(yàn)研究,經(jīng)過(guò) 6年的努力,終于在 1992年完成了“無(wú)承臺(tái)大直徑鉆埋預(yù)應(yīng)力空心樁施工技術(shù)”的試驗(yàn)研究,開(kāi)發(fā)了一種全新的樁基施工工藝。他們先于 1990年在國(guó)道 207線(xiàn)洛陽(yáng)伊河大橋工地進(jìn)行了實(shí)橋試驗(yàn)工作,首先完成了一根工藝樁試驗(yàn),并開(kāi)挖檢查樁周、樁底注漿效果;繼而在大橋南臺(tái)完成 2根預(yù)應(yīng)力空心樁及做對(duì)比試驗(yàn)的其它類(lèi)型樁基 4根,并進(jìn)行了荷載試驗(yàn)工作。從該橋的試驗(yàn)情況看,空心樁施工質(zhì)量保證率較高,其承載能力提高 25%。

在交通部“八五”行業(yè)聯(lián)合攻關(guān)計(jì)劃里,由湖南省交通廳承擔(dān)的“洞庭湖區(qū)橋梁修建新技術(shù)的開(kāi)發(fā)研究”課題中,進(jìn)一步將空心樁技術(shù)和湖南省大跨徑無(wú)承臺(tái)變戴截面大直徑樁技術(shù)相結(jié)合,進(jìn)行推廣應(yīng)用,并確定湘北干線(xiàn)啞吧渡大橋?yàn)榭蒲性囼?yàn)橋。1993年7月湖南省公路機(jī)械工程公司擔(dān)任了該橋的施工任務(wù)工作。啞吧渡大橋地處洞庭湖區(qū)的南縣,屬于典型的湖海相軟弱地基,試驗(yàn)樁由 1#墩 2Ф250 cm鋼筋混凝土空心樁發(fā)展為 2#墩以后的Ф250 cm予應(yīng)力空心樁。隨即又將河道中每墩 2Ф 250 cm空心樁的 6#、7#、8#墩發(fā)展為 Ф380～Ф300變截面單樁單柱墩結(jié)構(gòu)。1994年 6月試驗(yàn)獲得全面成功。湖南省公路設(shè)計(jì)公司旋即將這一新成果推廣應(yīng)用于湘北干線(xiàn)的南華渡大橋中,其中2×50m斜拉橋主塔采用 4Ф250 cm無(wú)承臺(tái)的四樁柱式橋塔;及湘北干線(xiàn)的石龜山大橋,其56m+3×80m+56m主橋連續(xù)剛構(gòu)橋全部采用Ф500-Ф400 cm單樁柱式橋墩。這兩座橋于1994年 11月開(kāi)工,其中湖南省公路機(jī)械工程公司僅用了 4個(gè)多月時(shí)間就完成了南華渡大橋全橋 47根共 1 320m的空心樁基的施工。

1995年 7月湖南省公路機(jī)械公司承接了桃源沅水大橋后,對(duì)于砂礫石覆蓋地基上如何發(fā)展空心樁基礎(chǔ),與湖南省省公路設(shè)計(jì)公司進(jìn)行了密切合作。在 1#墩進(jìn)行沉挖空心樁試驗(yàn)成功后,全橋 19個(gè)墩臺(tái)全部采用了無(wú)承臺(tái)空心樁基礎(chǔ)這一結(jié)構(gòu),樁徑發(fā)展為通航孔 5#、7#墩的 Ф750 cm。

空心樁基礎(chǔ)以其質(zhì)量可靠,工期短,造價(jià)低的特點(diǎn)得到廣泛的應(yīng)用。

3 桃源沅水大橋沉挖空心樁基礎(chǔ)施工

桃源沅水大橋,全長(zhǎng) 1 200 m,橋?qū)?16 m,是一座箱肋拱—中承拱大橋。主橋分孔為 4×56 m(箱肋拱)+2×108m(鋼管中承拱)+12×56m(箱肋拱)。

橋位地處沅水中游,其覆蓋層為 8～20m砂礫石,基巖為紅砂巖,礫層中夾有 30%～40%的漂石,且砂礫層透水性極強(qiáng)。

1995年 8月,湖南省公路機(jī)械工程公司進(jìn)場(chǎng)后,首先在1#墩進(jìn)行了 Ф400挖孔樁試驗(yàn),由于孔徑太大,及砂礫石滲水性極強(qiáng),混凝土護(hù)壁成拱能力弱,挖孔不到 4m即塌孔,試驗(yàn)以失敗告終。

在這關(guān)鍵時(shí)刻:采用輕型沉井穿過(guò)透水性極強(qiáng)的砂礫石覆蓋層,再進(jìn)行嵌巖樁施工的基礎(chǔ)構(gòu)思便提了出來(lái),湖南省公路設(shè)計(jì)公司上官興總工與工地技術(shù)人員一拍即合,8月下旬,工地便在 2#墩開(kāi)始進(jìn)行試驗(yàn),一個(gè)月內(nèi),Ф500～300 cm(外徑 500 cm,內(nèi)徑 300 cm)的輕型沉進(jìn)便順利沉至 9m以下的基巖面,并開(kāi)始人工嵌巖樁的施工。試驗(yàn)宣告成功后,于是推廣到全橋 19個(gè)墩臺(tái)中。

3.1 沉挖空心樁構(gòu)造

作為拱橋基礎(chǔ),沉挖空心樁以其孔徑大,截面剛度大,在覆蓋層中能產(chǎn)生較大的水平抗力,而只需較小樁徑(Ф250～400 cm)的嵌巖且嵌巖長(zhǎng)度可以大為減短。作為凈跨徑100m的鋼管中承拱邊墩的 5#、7#墩就各采用了兩根Ф750-Ф400-Ф400(外徑、內(nèi)徑、嵌巖樁徑)的沉挖心樁結(jié)構(gòu)(見(jiàn)下圖),沉控空心樁由沉挖筒及其下的挖孔嵌巖樁兩部分組成。

3.2 沉挖空心樁施工工藝

沉挖空心樁其巖面以上部分樁筒采用沉井施工方法下沉,嵌巖樁部分即為常規(guī)的人工挖孔嵌巖樁。由于輕型樁筒很難沉落至巖面,且砂礫透水性極強(qiáng),而必須對(duì)刃角進(jìn)行封水后,才能進(jìn)行嵌巖樁挖孔施工。

樁筒制作→樁筒下沉→刃角封水→挖孔嵌巖樁施工。6#墩處河槽中心,水深 8m,流速 3m/s,采用鋼管樁平臺(tái)及浮運(yùn)鋼沉井方法施工樁筒。

3.3 沉挖空心樁關(guān)鍵施工技術(shù)

輕型樁筒的下沉及刃角封水為沉挖空心樁的兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

(1)輕型樁筒下沉。

輕型樁筒下沉采用排水人工挖土(石)下沉和不排水機(jī)械除土(石 )下沉。

人工挖孔下沉只能在地下水位以上及滲水量小的地基中進(jìn)行,桃源沅水大橋曾采用泥漿泵進(jìn)行強(qiáng)排水下沉:內(nèi)徑Ф300 cm的井內(nèi)僅能容納 3臺(tái) 120 m3/h的泥漿泵,而Ф500 cm的井內(nèi)僅能容納8臺(tái)泥漿泵,強(qiáng)排水人工挖土施工條件惡劣,效果較差。

不排水機(jī)械除土下沉是在水中及滲水量大的地基中一種較理想的方法。

沖抓錐,由于是通過(guò)鋼絲繩收攏抓斗,靠其自重抓取砂礫,特別在砂礫石中夾有大量漂石,由于漂石卡住抓斗葉辨,往往無(wú)功而返,效率極低。

空氣吸泥機(jī)由 Ф300mm鋼導(dǎo)管及兩臺(tái) 12m3/min空壓機(jī)組成,在 4m以下水中效果較好,但經(jīng)常被大粒徑漂石堵塞導(dǎo)管。

氣壓抓斗是由壓縮空氣推動(dòng)活塞進(jìn)行開(kāi)閉的,在樁筒內(nèi)能強(qiáng)行(主動(dòng))抓取砂礫石,且不論水深淺均能作業(yè),是一種較為可靠的施工設(shè)備。氣壓抓斗與汽車(chē)吊配合,移動(dòng)方便,可以實(shí)現(xiàn)多樁,多墩流水作業(yè) 。

輕型樁筒由于自身重量輕,靠其自身重力一般只能下沉6～8m。必須輔以炮震下沉,采用炮震下沉?xí)r必須嚴(yán)格控制藥量,以防樁筒被炸裂。

樁筒下沉要嚴(yán)格控制其偏位。

(2)刃角壓漿封水。

輕型樁筒由于自身重量輕,特別是由于砂礫石自然滾落邊坡的影響以及近巖面存在一層較大的漂石,樁筒難以沉落至巖面,一般懸浮在巖石 50～100 cm左右,由于砂礫層滲水量極大,必須對(duì)刃角進(jìn)行封水后方能進(jìn)行挖孔嵌巖樁施工,刃角封水采用筒內(nèi)靜壓注漿,筒外帷幕注漿,水玻璃雙液注漿及高壓旋噴注漿等方法,取得了較好的效果,其中筒內(nèi)靜壓注漿采用較普遍。

4 結(jié)束語(yǔ)

大直徑空心樁不僅能作軟弱地基的橋梁基礎(chǔ),也能作砂礫石地基的橋梁基礎(chǔ)。以其樁徑大承載力大,可以采用單樁單柱結(jié)構(gòu),并且能作為連續(xù)梁橋,斜拉橋,連續(xù)剛構(gòu),中承拱橋的橋梁基礎(chǔ)而被廣泛應(yīng)用。同時(shí)也因其具有質(zhì)量可靠,施工機(jī)具簡(jiǎn)單,施工速度快,以及由于空心形式,減輕自重,節(jié)約混凝土用量,造價(jià)經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn),而具有廣闊的發(fā)展前景。

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[3] 胡定成.大直徑空心樁技術(shù)現(xiàn)狀及環(huán)形孔鉆具的研究[J].探礦工程,2000,(4).