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超大直径桥梁组合工程桩

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  (一)桥梁组合工程桩的发展
  1.基础目标
  改革开放以来,随着国民经济持续高涨,我国公路桥梁工程也得到了突飞猛进的发展。跨径愈来愈大,上部结构型式千姿百态,而与其相关的基础工程却一直变化不多,缺乏原创技术。桥梁工程师普遍“重上轻下”。设计为了赶进度常套用图纸,连中小跨径的河流中都满布承台。众所周知,承台水下施工困难,不但工期长、造价高,最令建设者“头痛”的是常受到洪水影响和威胁。因此在百米跨径以内桥梁实现“无承台”是基础工程师的梦想。
  2.桩径新纪录
  在我校岩土研究生教学和研究工作中发现:著名“国家级有突出贡献科技专家”——上官兴教授早在上世纪九十年代就已提出一套完整的“变截面、无承台、大直径组合桩技术”,[文献1]。在他主持的工程中,先后在“90m连续梁”、“2×50m斜拉桥”、“2×100m钢管砼中承拱”、“120m顶推系杆拱”和“4×52m石拱桥”等不同桥型的桩基设计中,均实现了“无承台”。相继创造了Ф6m沉挖空心桩、Ф4m钻埋空心桩和Ф5.6m变截面钻孔桩等超大桩径记录,其技术水平已居国际前列。
  3.“组合桩”名称
  在《桥涵》施工手册中定义直径大于2.5m的桩称为大直径桩。但要实现百米跨径桥梁桩基础无承台,桩径要达到Ф4m,Ф5m,Ф6m,因此本文定义为“超大直径桩”。
  通用基础工程手册中常将“沉井”、“挖孔”、“钻孔”和“预制打入桩”等定义为不同的基础型式。为了解决所遇不同地质土层施工中困难和实现“无承台”,在桥梁基础工程中常常将上述几种基础型式进行组合使用,称为“桥梁组合工程桩”。
  综合以上两方面情况,澳门十大平台网站体育娱乐官网网址把上述桩定义为“超大直径桥梁组合工程桩”。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“超大直径桥梁组合工程桩”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)变截面超大直径钻孔桩
  1.广东九江大桥提出
  1985年,广东九江大桥实行国内首次《桥梁工程项目(设计、施工)总承包》招标。粤湘澳门十大平台网站体育娱乐官网网址以2×160m独塔斜拉桥和21×50m顶推连续梁方案中标。为降低工程造价,在斜拉桥主墩基础中弃用了双壁钢围堰内加钻孔桩的常规方法,在水深16m中大胆地推出高桩承台新结构。在以2000t船泊碰撞力为控制的情况下,主墩设计为24Φ2.5m钻孔灌注桩,桩长55~72m。50m顶推梁桥墩设计为6Φ1.5m钻孔桩,上设承台。
  1).变截面桩产生:用160t震动锤施打Φ3m钢护筒入土14m,考虑冲刷后仍有8m的细沙复盖层。如果考虑钢护筒的共同作用,则18(Φ3/Φ2.5m)桩与24Φ2.5m桩抗水平力的效果相等;由于桩尖嵌岩段由于没有弯矩只有垂直支承力,在充分利用桩尖的花岗岩高强度(140MPa)情况下,又可将Φ2.5m嵌岩桩径减少到Φ2m。这样就形成了一根直径(Φ3/Φ2.5/Φ2m)的变截面、大直径钻孔灌注桩。这种新构思为主墩基础工程减少了6根长桩,节省费用高达120万元(85年价格)。
  变截面方案设计的难点在于《桥规》和一般《手册》中均没有不同土层中不同桩径的水平力作用下内力计算方法,这也是长期以来制约设计没有如实考虑钢护筒作用的原因所在。
  广东九江大桥通航孔主墩基础18根变截面大直径桩,通过湖南交通设计院的精心设计和湖南路桥一澳门十大平台网站体育娱乐官网网址的精心施工,仅用五个月时间胜利完成。开创了国内深水高桩承台桩利用钢护筒形成变截面桩的先河。
  2).无承台方案提出:九江大桥北岸6×50+40=340m顶推连续梁在水中还有六个桥墩。由于工期紧迫1997年初,在上官兴总工倡议下,广东公路设计院郭范围高工将有承台的6Φ1.5m钴孔桩修改为2(Φ3/Φ2.5/Φ2m)变截面、无承台、单排双桩双柱墩。由于取消了承台,给施工带来极大的方便,湖南路桥一澳门十大平台网站体育娱乐官网网址仅用三个月时问、抢在洪水前完成12根变截面桩任务,充分显示了无承台的优越性。这是国内首例50m桥墩单排无承台桩基。
  2.湘潭湘江二桥发展
  新技术的威力是不可阻挡的。广东九江大桥50m桥跨无承台变截面桩新结构的产生,
  给保守的桩基础设计带来了巨大的冲击。88-92年间在湖南省十多座大桥,施工单位都强烈要求将小直径群桩修改为无承台变截面桩。桥梁工程没有创新,就没有进步,也就没有生命力。湖南省交通设计院赵国强高工及时将湘潭湘江二桥水中12个桥墩全面修改为无承台变截面大直径桩,在中国钻孔桩发展史中写出了光辉的篇章。
  湘潭湘江二桥在90m桥跨,20m桥宽中所实施成功的单排无承台变截面大直径桩(Φ5m/Φ3.5m),在92年武汉全国第十次桥梁会议上,被专家誉为《中国钻孔灌注桩发展的里程碑》。在它的推动下,安徽铜陵长江大桥及时修改设计,又创钻孔桩径(Φ4.6/Φ4/Φ2.8m)新记录。由于种种原因,除湖南省外国内很少推广考虑钢护筒参与作用形成的变截面桩。直到2003年在“苏通长江大桥”1088m斜拉桥主墩设计中,才正式采用变截面桩(Φ2.8/Φ2.5m)。创新的技术为何推广迟来18年值得深思。
  3.沉井—钻孔组合桩
  1)组合:对于深水大跨径和岩层深的桥梁可以将沉井、挖孔和钻孔等几种工艺因地制宜地互相结合,创造出新的桥梁组合工程桩基。例如用沉井做大直径钻孔桩的护筒来实现无承台,这样既解决了大直径钢护筒施打下沉的困难,又可利用沉井做重型钻孔机的施工平台。当沉井内挖孔困难时,可改为钻孔和冲孔,形成沉井—钻孔组合桩。2002年,中交四航设计院黄剑虹工程师将韶关五里亭大桥120m中承拱主墩设计的变截面桩径为(Φ5.6/Φ3.5/Φ3m),创中国钻孔桩之最(如图2),又将湘潭二桥90m单排桩记录推进了30m。
  2)施工:上部Φ5.6m砼和钢沉井系用筑岛法和在平台中沉放。施工至强风化岩面(深11m)后,在沉井顶上安装Φ3.5m冲击钻机。钻孔桩至微风化岩面(深15m),再换钻头(Φ3m),嵌岩深5m,形成组合桩。
  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,安然无恙。这种考虑钢护筒(沉井)作用的超大直径桥梁组合工程桩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)钻埋预应力空心桩(墩)
  1.成果推广
  1)来由:湖南省交通厅在承担交通部“八五”行业联合科技攻关项目——《洞庭湖区桥梁建设新技术的开发研究》的课题研究中,由于洞庭湖区湖河岔交错、地基软弱、缺乏砂石材料,修路不易建桥更难。针对这一特点,课题组在学习河南省公路局和交通部公路科研所“钻埋空心桩”新技术的基础上,结合湖南无承台大直径桩的特点,通过优化结构,改进工艺,提出了更为完善的的“无承台、大直径钻埋预应力空心桩柱”技术。湖南省公路设计澳门十大平台网站体育娱乐官网网址积极推广发展已通过交通部鉴定的钻埋空心桩成果,在短短三年中完成了84根,总长2293m的大直径钻埋空心桩,取得了减少水下30%体积的显著效果。其中常德石龟山大桥3×80m连续梁独墩独柱基础中所实施的钻埋空心桩桩径达(Φ5/Φ4m)纪录,为世界之最。
  2)特点:“无承台大直径钻埋预应力空心桩柱”具有结构新颖、受力合理、节省材料和实现装配化施工的特点。在百米桥跨中使用可以取消难于施工的承台砼。如进一步改进在东海大桥和杭州湾大桥的地质情况中推广应用,将会产生十分巨大的经济效益。
  2.施工技术
  “无承台大直径钻埋预应力空心桩柱”是一种全新的桩基施工技术,它集当今国际、国内桩基先进技术之大成。其特点如下:
  1)属钻孔埋入施工法。集钻孔桩和预制桩优点于一体,既可以有效防止钻孔桩成桩过程坍孔而引起基桩质量事故,又可解决沉入桩沉不下去或沉桩偏差过大的质量事故;
  2)桩身采用预制。空心桩节分段竖拼、分段设置预应力和分段吊装入孔成桩。由于基桩的预制和钻孔可平行作业,故可实现工厂化施工,并为桩基采用高强度砼开辟了道路;
  3)桩节拼接。采用环氧树脂胶粘缝方法,速度快、质量好,极好地简化了接头构造;
  4)带底的空心桩。充分利用水浮力来缓解对吊机起吊能力的需求,在发展中国家适用性好;
  5)桩周填石压浆。使水泥浆在压力下挤密和渗入周土,大大提高了桩周摩阻力,桩底二次压浆既可处理桩底沉淀,又可使桩底土得到预压密实和加固作用,充分地发挥桩底土反力作用。
  3.推有关问题研讨
  1)允许沉降量:超大直径钻埋空心桩在研制过程中遇到了重重阻力。首先是理论研究跟不上,质检站按中国规范的小直径桩极限沉降量δ=4m,来作为Φ4空心桩的允许沉降量,发出桩要破坏的信号,使高层领导惶恐不安。如今引进了德国和美国桥规,大家终于知道了桩允许沉降量与桩直径D成正比(为1%D),就是说Φ4空心桩在施工过程中沉降4m,与Φ1钻孔桩沉降1cm同在允许范围内,属弹性范围,不会破坏。
  2)质量事故:石龟山大桥设计钻埋空心桩共有20根,除35#桥墩因施工管理不善连续
  出现3次质量事故外,其余19根质量完好。钻孔埋空心桩的事故率η=1/20=5%,与钻孔桩一样属正常范围。十年过去了,连续观测空心桩沉降早已算定。但极个别管理人员向厅、局领导诬告石龟山桥仅有一根Φ4m钻埋空心桩,结果计算事故率是100%。十分遗憾这种常识性的错误得不到及时更正,终于将“钻埋空心桩”这朵鲜艳科技之花埋葬了十年。
  3)2005年西安公路大学冯忠居博士论文《大直径钻埋预应力砼空心桩》获得国务院交通部资助,在人民交通出版社桥梁桩基新技术专著出版[文献2]。全面系统地阐述了钻埋空心桩的受力机理,并推倒出桩的强度和承载力计算方法,为它的推广发展奠定了理论基础。科技发展的历程说明,很多创新的好东西是先实践后有理论的。
  4)具有中国特色的“无承台大直径钻埋预应力空心桩柱”最突出的优点是取消了难于施工的大体积承台砼体积,它具有结构新颖、受力合理、节省材料和实现装配化施工的特点,经济效益十分显著。钻埋空心桩的出现终于克服了钻孔灌注桩尖软垫层以及柱身砼质量难于控制的两大难题。它的产生和发展是我国桥梁基础工程的重大突破。
  (四)超大直径沉挖空心桩
  1.产生:在软弱地层的“无承台钻埋大直径空心桩柱”研究成功之后,为了解决在湖南省山区拱桥基础的困难,课题组将沉井和挖孔两种工艺组合,提出“沉挖空心桩”新型式。1995年在张家界市观音大桥(4×52m石砌板肋拱)工程的施工实践中获得成功。具体做法:①用筑岛法做沉井(刃脚高1m,外径Φ4.5m),然后接高沉井做墩身,外径Φ3.5m(壁厚0.5m);②水中开挖沉井下沉6-8m落在风化岩面;③以水下压浆混凝土或旋喷混凝土两种工艺封闭刃脚达到止水目的;④抽干水人工在风化岩中开挖Φ2.5m挖孔桩(深4-6m);⑤用水下混凝土将挖孔桩和沉井刃脚固结;⑥沉井内不填混凝土,作为空心墩的组成部分,这样形成一种“沉挖空心桩(墩)”新结构。
  2.特点:将沉井和挖孔桩两种传统工艺相结合的方法特别适用山区砂卵石下含有不透水粘土的地层。它施工速度快,空心结构又能节省大量砼体积;以人工开挖为主,不需大型设备,因此在地方公路工程具有重要的现实意义。
  3.桃源大桥发展:1995年湖南省公路设计澳门十大平台网站体育娱乐官网网址及时将观音大桥所创沉挖空心桩(墩)新技术推广在桃源沅水大桥。在16×54m箱肋拱中采用二根分离式(Φ4.5/Φ2.5m)无承台变截面沉挖空心桩(墩);在2×l00m钢管砼拱中采用二根分离式(Φ6/Φ4m)无承台变截面沉挖空心桩(墩)。桃源大桥在1000m长跨连拱桥中,19个墩台38个分离式沉挖桩同时开工,仅用一年时间就提前完成了全部下部构造,钻孔与桩基方案相比较节省了1000多万元,充分显示了具有中国特色的“沉挖空心桩”的巨大生命力。桃源大桥创造了百米拱桥无承台的新纪录。
  4.推广:“沉挖空心桩”的诞生解决了地方公路桥梁水下基础工程中缺乏大型钻机设备的困难,填补了砂卵石地基上大直径空心桩柱的空白,因此迅速得到推广。仅湖南省内推广六座大桥,共计73根长1051m。
  (五)桥梁组合工程桩承载力计算
  众所周知,在深水中进行灌注桩施工,首先要在施工平台上施打钢护筒。以前在桥梁基础设计中一般都没有考虑施工钢护筒的共同作用,常常按等截面计算实际上是一种浪费。尽管变截面桩己经开始在一些桥梁工程中使用,但总体上一般性理论研究相对缺乏。因此变截面组合桩的水平承载力计算以及按沉降量确定允许承载力不仅是桩基理论自身发展的需要,更是工程界的迫切要求。
  1.竖直承载力
  1)单桩竖直承载力由土对桩的支承能力、桩身材料强度以及上部结构所容许的桩顶沉
  降量三方面控制。一般单桩承载力的理论研究已有不少方法,例如:荷载传递法、弹性理论法、剪切位移法、有限单元法等。但是由于钻孔桩的施工因素诸多,以致尚没有公认的承载力(N)—沉降量(S)相关曲线理论计算方法。目前桩基设计仅仅以极限承载力除安全系数来确定,承载力(N)与沉降量(S)关系仍以荷载试验来求得。
  2)2005年,上官兴教授通过十年多对钻孔桩沉降曲线的研究工作,结合苏通大桥17根试桩资料提出了“钻孔桩荷载沉降曲线(σ-y)计算法”[文献3、4]。思路是紧紧抓住沉降的三个阶段特性,以30根试桩丰富数据为依据,从工程师所熟悉的方法入手,归纳提出一系列的简明计算公式,再引入不同的经验系数使理论计算沉降曲线十分接近实测值,精度能够达到工程的需要。该方法的研究特点是首次反映了钻孔泥浆工艺水平对垂直承载力的影响。
  2.水平承载力
  1)采用拱桥方案时,由于水平推力大,必须用大直径钻孔桩基础。但桩径大于2.5m以后,很难通过砂卵覆盖层,因此首先应考虑用大直径沉井来作护筒,形成变截面桩。当沉井通过覆盖层之后一定深度时,由于土抗力弯矩的减少又可以减少桩径,变为挖(钻、埋)孔桩,直至持力层来承担垂直力。这种不同工艺所形成的变截面桥梁组合桩基础既安全、又经济,还便于施工,值得推广。但是各种不同型式的无承台变截面组合桩都遇到一个共同的难题:即如何计算水平力作用下的内力。在现行的“桥规”和一般桩基书籍中均没有答案,国内现行各规范手册仅有对等截面单桩水平承载力的设计法。
  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。可以用在超大直径桥梁组合工程桩设的计中。
  (六)主要参考文献
  [1]王伯惠,上官兴.《中国钻孔灌注桩新发展》.人民交通出版社,1999.8.
  [2]冯忠居,上官兴.《大直径钻埋预应力砼空心桩》.人民交通出版社,2005.
  [3]上官兴.《用荷载(N)-沉降(S)曲线确定桩垂直承载力》.全国大口径工程井南京会
  议论文集,1999.
  [4]熊国辉,蒋伟.超长钻孔桩沉降曲线研究(苏通法).《2006年全国桥梁学术会议论文
  集》.人民交通出版社,2006年.
  作者:蒋伟,华东交通大学土木建筑学院硕士研究生
  邮编:330013电话:13755642660

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