游蕩型河道引橋樁基組合注漿工藝關(guān)鍵技術(shù)

楊紀(jì) 李孟然 黃毅 崔振華

摘要：黃河游蕩型河段的河道斷面寬淺，水流散亂，最寬處達(dá)數(shù)十千米，主槽擺動(dòng)幅度這幾千米。限于諸多不可控因素，黃河大橋建成后，主河槽存在從設(shè)計(jì)的主橋范圍擺動(dòng)至灘地引橋范圍的可能性，此種情形一但發(fā)生將對(duì)黃河大橋引橋造成結(jié)構(gòu)性破壞，為避免在此情況下引橋樁基豎向承載力不足，常規(guī)采用部分或全部灘地引橋統(tǒng)一按主河槽沖刷深度控制引橋樁長(zhǎng)，提高樁基豎向承載力，滿足極端小概率工況下的結(jié)構(gòu)安全。但該方法造價(jià)較高，施工風(fēng)險(xiǎn)較高，工期也較長(zhǎng)。本文結(jié)合新工藝、新方法，分析提出采用樁底及樁周組合注漿工藝提高引橋樁基的豎向承載力，付出較小的代價(jià)來(lái)抵御小概率極端工況下的風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)實(shí)際項(xiàng)目的方案對(duì)比發(fā)現(xiàn)，該工藝在工程造價(jià)、施工風(fēng)險(xiǎn)及施工工期等方面都較常規(guī)方案有明顯優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：游蕩型河道引橋;沖刷;組合注漿;黃河

中圖分類號(hào)：U44;TV882.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j .issn.1000 - 1379.2020.01.024

1 引言

1.1 黃河主槽擺動(dòng)對(duì)引橋的影響

黃河上游寧夏頭道墩至石嘴山河段、內(nèi)蒙古巴彥高勒至三湖河口河段和中游禹門口至潼關(guān)河段（俗稱小北干流）、下游白鶴至高村河段均屬典型的游蕩型河段，斷面寬淺，水流散亂，河床、河岸的抗沖刷性差，自然條件下，主流在寬闊的河道內(nèi)游蕩擺動(dòng)劇烈。

游蕩型河段的主河槽是行洪的主要通道，沖淤變化劇烈，灘地單寬流量小，沖淤變化不明顯。在黃河游蕩型河段修建大橋，主橋和引橋分別根據(jù)主槽和灘地計(jì)算的沖刷深度來(lái)確定樁長(zhǎng)以保證大橋結(jié)構(gòu)安全。

目前，經(jīng)過(guò)歷次河道整治工程建設(shè)，黃河干流部分游蕩型河段主流擺動(dòng)范圍有所減小，但從整體來(lái)看，大部分游蕩型河段河勢(shì)仍未得到有效控制，往往一場(chǎng)大水過(guò)后，河勢(shì)就會(huì)發(fā)生劇烈變化。影響河勢(shì)的因素眾多（來(lái)水來(lái)沙條件、河道整治工程布設(shè)情況、河道采砂、涉河工程施工等）且不可控，大橋建成后，主河槽存在從設(shè)計(jì)的主橋范圍擺動(dòng)至灘地引橋范圍的可能性，此種情形一旦發(fā)生，就會(huì)危及引橋的結(jié)構(gòu)安全。為避免發(fā)生安全事故，設(shè)計(jì)時(shí)往往將靠近主橋較大范圍內(nèi)的引橋或河道內(nèi)全部引橋采用主河槽沖刷深度來(lái)控制其樁長(zhǎng)，但這種設(shè)計(jì)方案存在如下缺陷。

（1）樁長(zhǎng)過(guò)長(zhǎng)，施工時(shí)容易塌孔，風(fēng)險(xiǎn)較大。橋梁樁基多采用鉆孔灌注樁，首先由機(jī)械鉆孔或人工挖孔工藝進(jìn)行成孔，然后下鋼筋籠并澆筑混凝土。由于成孔時(shí)塌孔的概率與樁長(zhǎng)成正比，因此樁長(zhǎng)增加，施工的風(fēng)險(xiǎn)必然會(huì)大幅增加。

（2）施工工期較長(zhǎng)。樁長(zhǎng)的增加使鉆孔、鋼筋籠及混凝土的工程量均有所增加，工期自然相應(yīng)延長(zhǎng)，且如果發(fā)生塌孔，還需采取工程措施進(jìn)行補(bǔ)救，進(jìn)一步延長(zhǎng)施工工期。

（3）造價(jià)較高。黃河河道內(nèi)多為粉質(zhì)黏土、粉砂及黏土，灘地沖刷深度一般比主河槽沖刷深度淺5 -15m，而黃河大橋的引橋樁基動(dòng)輒幾十根乃至幾百根，統(tǒng)一按主河槽沖刷深度控制樁長(zhǎng)會(huì)增加工程造價(jià)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，黃河大橋引橋比其他內(nèi)河橋梁或城市陸地橋梁的造價(jià)高25% - 50%。

1.2 解決方案

在黃河大橋修建時(shí)，其主河槽擺動(dòng)范圍一般要經(jīng)過(guò)洪評(píng)報(bào)告的分析和審查，超限的概率較小。筆者認(rèn)為，為抵御小概率極端工況下的風(fēng)險(xiǎn)而大幅抬高造價(jià)，增加施工難度和風(fēng)險(xiǎn)是不明智的，應(yīng)考慮在引橋的常規(guī)設(shè)計(jì)（在灘地范圍內(nèi)按灘地沖刷深度控制樁長(zhǎng)）基礎(chǔ)上采取適當(dāng)?shù)墓こ檀胧暂^小的代價(jià)來(lái)抵御小概率極端工況下的風(fēng)險(xiǎn)。近年來(lái)，樁底及樁周組合注漿技術(shù)逐漸應(yīng)用于橋梁工程，雖然其施工工藝的技術(shù)性要求較高，施工難度較大，但該工藝可有效增加樁基豎向承載力，且造價(jià)相對(duì)較低，工期相對(duì)較短，具有較大的工程優(yōu)勢(shì)，在局部工程應(yīng)用時(shí)性價(jià)比是較高的。對(duì)于主河槽可能擺動(dòng)范圍內(nèi)的引橋段樁基，采用樁底及樁周組合注漿技術(shù)可以有效地抵御主河槽沖刷帶來(lái)的不利影響。

2 樁底及樁周組合注漿技術(shù)

現(xiàn)階段樁底及樁周組合注漿技術(shù)主要按壓漿部位進(jìn)行區(qū)分，分別為樁端后壓漿、樁側(cè)后壓漿、樁端樁側(cè)組合后壓漿3種[1]。樁端后壓漿技術(shù)較為成熟，應(yīng)用最為廣泛，主要通過(guò)預(yù)設(shè)于樁身內(nèi)的壓漿導(dǎo)管及與之相連的樁端壓漿閥向樁端土層壓入漿液，可以固化樁底沉渣，并加固樁端持力層，從而提高樁基的承載力;樁側(cè)后壓漿技術(shù)發(fā)展稍晚，是采用注漿方法對(duì)樁側(cè)土體進(jìn)行加固以提高樁基承載力的一種方法，消除了樁周泥皮的影響，主要通過(guò)預(yù)設(shè)于樁身內(nèi)的壓漿導(dǎo)管及與之相連的樁側(cè)壓漿閥向樁側(cè)土層壓入漿液;組合后壓漿包含樁端和樁側(cè)兩種壓漿方式，工藝更為復(fù)雜，壓漿效果優(yōu)于單一壓漿方式，一般組合后壓漿先自上而下逐段進(jìn)行樁側(cè)壓漿，然后進(jìn)行樁端壓漿。具體壓漿機(jī)理如圖1所示。

組合后壓漿技術(shù)能夠有效提高已建和待建的樁基承載力。對(duì)于新建橋梁的樁基，可以減小樁徑、樁長(zhǎng)，從而減少工程投資;對(duì)于地基土層較弱地區(qū)，該技術(shù)能有效提高樁端和樁側(cè)土層的物理力學(xué)性質(zhì)，從而提高樁基的承載力;對(duì)于已建橋梁的樁基，如果出現(xiàn)承載能力不足的情況，也可以通過(guò)該技術(shù)進(jìn)行加固處理[2]。

目前，后壓漿技術(shù)的樁基承載力計(jì)算方法主要有兩種：一是根據(jù)相關(guān)規(guī)范的理論公式來(lái)調(diào)整計(jì)算值;二是通過(guò)注漿后擴(kuò)大的樁底面積和減短后的實(shí)際樁長(zhǎng)來(lái)修正樁基半徑，代入經(jīng)驗(yàn)公式得到樁基承載力[3]。主要公式如下。

（1）《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》理論公式[4]。后壓漿灌注樁單樁軸向受壓承載力特征值應(yīng)通過(guò)靜載試驗(yàn)確定。在后壓漿技術(shù)規(guī)定的條件下，單樁軸向受壓承載力特征值計(jì)算公式為[5]

由于《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》理論公式（式（1》中側(cè)阻力增強(qiáng)系數(shù)Ps，和端阻力增強(qiáng)系數(shù)盧。應(yīng)根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)資料統(tǒng)計(jì)確定，因此應(yīng)進(jìn)行試樁工程的壓漿前與壓漿后的單樁豎向靜荷載試驗(yàn)對(duì)比來(lái)確定單樁極限承載力。修正樁基半徑后的計(jì)算公式（式（2） -式（4》主要適用于粗粒土，具有一定的局限性。在實(shí)際工程應(yīng)用中，普遍采用式（1）進(jìn)行計(jì)算分析。

3 工程實(shí)例

3.1 工程背景

黃河山東河段某黃河大橋堤內(nèi)橋跨布置如圖2所示。其跨徑布置為16x50 m+（ 110+4x180+110） m+4x50 m，橋面采用雙幅布置，單幅寬18.25 m。根據(jù)洪評(píng)報(bào)告中的水文成果可知，主河槽沖止高程為-13.45 m，灘地沖止高程為-4.92 m。

灘地引橋樁基平面布置如圖3所示。單幅橋墩采用6φ1.8 m樁基礎(chǔ)，樁間距為4.8 m，承臺(tái)尺寸為12.6m（順橋向）x7.8 m（垂直橋向）。

地質(zhì)參數(shù)及組合注漿技術(shù)參數(shù)見表1。該橋地層以粉質(zhì)黏土、粉砂為主，側(cè)壁摩阻力為30- 80 kPa.承載力基本容許值為90-260 kPa，豎向承載力較低。該地層較為適合后壓漿技術(shù)的實(shí)施，后壓漿工藝中，側(cè)阻力增強(qiáng)系數(shù)盧。。在1.3 -1.5之間，端阻力增強(qiáng)系數(shù)盧。在1.5 -1.8之間，對(duì)樁基豎向承載力有較大提高。

3.2 新老方案對(duì)比

本橋單樁樁頂反力為8 000 kN，對(duì)應(yīng)灘地沖刷深度和主槽沖刷深度計(jì)算得到的樁長(zhǎng)分別為60 m和70m，即按主槽沖刷深度控制樁長(zhǎng)時(shí)每根樁需增加10 m。

當(dāng)主河槽擺動(dòng)至引橋范圍時(shí)，保持引橋樁長(zhǎng)60 m不變而采用組合注漿工藝來(lái)提高承載力，根據(jù)式（1）及表1中βsi和βp值計(jì)算樁底承載力，注漿與不注漿的豎向承載力對(duì)比見表2。由表可知，注漿后樁基豎向承載力提升了35%，滿足豎向承載力要求。

方案一（引橋樁長(zhǎng)按灘地沖刷深度控制，同時(shí)采取考慮樁底及樁周組合注漿措施）和方案二（引橋按主河槽沖刷深度控制樁長(zhǎng)）均滿足受力要求。對(duì)兩個(gè)方案工程量做對(duì)比分析，見表3，方案一工程建安費(fèi)4932萬(wàn)元，方案二工程建安費(fèi)5 982萬(wàn)元，方案一比方案二節(jié)省造價(jià)21.3%。

兩方案的綜合對(duì)比見表4。方案一除施工難度較大以外，造價(jià)、施工風(fēng)險(xiǎn)及施工工期都有較大優(yōu)勢(shì)。付出較小代價(jià)可獲得較大的安全富余，避免因主河槽擺動(dòng)至引橋段發(fā)生樁基豎向承載力不足的危險(xiǎn)。經(jīng)綜合考慮，方案一有較明顯優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)論

黃河是一條自然條件復(fù)雜、河情極其特殊的河流，尤其是其游蕩型河段，河勢(shì)復(fù)雜多變，目前大部分游蕩型河段河勢(shì)仍未得到有效控制。在游蕩型河段修建大橋，存在主河槽從設(shè)計(jì)的主橋范圍擺動(dòng)至灘地引橋范圍的可能性，引橋樁基若僅按灘地沖刷深度控制，則可能導(dǎo)致引橋樁基豎向承載力不足，若按主河槽沖刷深度控制則可能導(dǎo)致工程造價(jià)大幅度上抬、施工風(fēng)險(xiǎn)增加及施工工期延長(zhǎng)等不利結(jié)果。采用樁底及樁周組合注漿技術(shù)，可有效提高引橋樁基安全富余，滿足主河槽擺動(dòng)后引橋的樁基豎向承載力要求，節(jié)省工程造價(jià)，降低施工風(fēng)險(xiǎn)，縮短施工工期等，從而達(dá)到以較小代價(jià)抵御不可預(yù)知的小概率極端工況下的風(fēng)險(xiǎn)。

參考文獻(xiàn)：

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【責(zé)任編輯張帥】

收稿日期：2019- 04-14

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（ 2018YFC0407806）

作者簡(jiǎn)介：楊紀(jì)（1979-），男，湖北荊州人，高級(jí)工程師，主要從事橋梁設(shè)計(jì)工作