武廣客運專線王家灣制梁場900t箱梁預制臺座設計和施工

張軍林

(中鐵十一局集團第三工程有限公司,湖北十堰 442012)

1 工程概況

王家灣制梁場是武廣客運專線XXTJⅠ標段4個制梁場之一,承擔413片箱梁的預制任務,其中32 m箱梁405片,24 m箱梁8片。預制箱梁為單箱單室結構,梁底寬5.5 m,梁頂寬13.4 m,梁高3.05 m,單向預應力體系,單片梁質量約820 t。

2 設計要點

2.1 承載力要求

由于箱梁預施應力后梁體重將集中在臺座兩端,這就要求臺座端部的基礎必須有足夠的承載力來承受箱梁的重力。

2.2 沉降要求

由于箱梁制造技術要求較高,箱梁4個支座水平面的相對高差在制梁階段不得超過2 mm,梁底其他處每米高低差不超過10 mm。這就要求預制臺座兩端的不均勻沉降控制在2 mm之內,沉降量控制在10 mm之內。

3 地質情況

王家灣制梁場位于湖北省赤壁市官塘驛鎮胡家嘴村,場地原始地貌單元屬剝蝕低丘區,根據鉆探資料,并結合室內土工試驗成果綜合分析,該場地勘察深度范圍內地層劃分為以下幾層：①素填土：由挖方區取出的黏性土填筑碾壓而成,結構松散,層厚0.8～6.1 m；②粉質黏土：黃色,可塑,局部分布,中偏高壓縮性,層厚0.8～6.1 m；③碎石：褐黃色、灰白色,中密狀,局部分布,層厚1.7～3.4 m；④含角礫紅黏土：棕紅色、褐黃色、黃色,硬塑,中偏低壓縮性土,層厚5.1～19.9 m；⑤含角粉質黏土：黃色,可塑,中等壓縮性土,層厚2.3～5.2 m；⑥石灰巖:灰色、灰白色,堅硬,完整巖石基本質量等級為Ⅰ級,最大揭露厚度8.1 m。

4 臺座基礎設計理論依據及計算方法

臺座設計的基本思路是首先根據本梁場的地質條件,結合在其他梁場制梁臺座設計的經驗教訓,提出本梁場制梁臺座的設計思路和規劃,然后進行有關的計算。

4.1 臺座荷載(圖1)

圖1 臺座上部荷載示意

臺座上部荷載由箱梁自重、內模自重、底模自重、外模自重和施工荷載構成。箱梁自重約8 200 kN；內模重約800 kN；底模重約300 kN；外側模重約600 kN,支撐在外模軌道上,只有少部分荷載作用到制梁臺座上；人施工的作用荷載0.05×(8 200+800+300)=465 kN,取600 kN。

4.2 基礎總體設計方案

一片32 m預制箱梁重約8 200 kN,考慮箱梁底寬5.5 m,底模重300 kN,內模重800 kN,及施工荷載的作用,預制臺座底部的荷載(8 200+800+600)/(5.5×32.6)=54.5 kPa,而梁場內一般地基(素填土除外)的承載力就有120 kPa,考慮到地基承載力較高,中部只需對素填土進行處理即可,采用碎石換填夯實處理,為減少不均勻沉降,上部采用整體性強的筏板基礎。由于箱梁預施應力后梁體重力將轉向臺座兩端,采用一般擴大基礎不能滿足承載力和沉降的要求,所以臺座端部采用樁基礎,以第⑥層石灰巖為持力層。臺座平、立面設計見圖2、圖3。

圖2 臺座平面(單位：mm)

圖3 臺座立面(單位：mm)

4.3 設計理論依據

臺座基礎采用基床系數法進行彈性地基梁的計算。

基床系數法以文克勒(Winkler)地基模型為基礎,假定地基每單位面積上所受的壓力與其相應的沉降量成正比,而地基是由許多互不聯系的彈簧所組成,某點的地基沉降僅由該點上作用的荷載所產生,用公式表示為

P=koy

式中P——單位面積上的反力；

y——地基沉陷；

ko——基床系數。

通過求解彈性地基梁的撓曲微分方程,可求出基礎梁的最大彎矩、剪力和位移。

4.4 工況說明

4.4.1 工況1

箱梁在澆筑剛完成時,臺座上部荷載均勻分布在臺座基礎上,此時的荷載為箱梁自重+內模重+底模重+施工荷載,荷載按箱梁長度方向均勻分布,預制臺座荷載標準值為(8 200+800+300+600)/32.6=303.7 kN/m,設計值為303.7 kN/m×1.35=410 kN/m。采用彈性地基梁的方法計算基礎內力所取的荷載是工況1,即主要驗算中部筏板基礎的內力。

4.4.2 工況2

箱梁拆除內模并預施應力后梁體重力將轉向臺座兩端,此時假設臺座基礎中部不受力,兩端承受箱梁的自重,此時的荷載僅為箱梁自重+底模自重,每端樁承臺上部的荷載標準值為(8 200+300)/2=4 250 kN,設計值為4 250 kN×1.35=5 737.5 kN。工況2主要是驗算端部樁基礎的受力。

4.5 基床系數的確定

由于臺座底部兩端采用樁基礎,中部采用碎石換填處理,基礎剛度不一致,故應確定2種基床系數。根據《建筑地基處理技術及地基基礎工程標準規范實施手冊》表21-2-3基床系數k經驗數值法,端部為支承在石灰巖上的樁基礎,k1=3×105kN/m3,中部為碎石換填處理,k2=3×104kN/m3。

4.6 計算結果

按臺座長度方向分10個單元,由Winkler彈性地基梁電算程序計算結果如下：

跨中最大彎矩為1 070 kN·m,臺座長度的1/3處剪力最大Qmax=568 kN,豎向最大位移9 mm。

根據以上計算結果,核算該基礎截面尺寸,其抗剪承載力R=1 668 kN,截面尺寸足夠。該筏板基礎配筋按雙向雙層布置,下部長向按φ22@150配,As=2 532 mm2/m,配筋率0.42%,容許彎矩M=2 084 kN·m,滿足要求,其余按構造配筋。最大位移9 mm,滿足沉降要求。

4.7 樁基計算

4.7.1 樁承臺沖切計算

4樁承臺單樁沖切凈反力(設計值)Nl=5 737.5/4=1 434.375 kN,設計承臺厚度1 300 mm,混凝土強度等級C25。

按GB50007—2002之公式(8.5.17-5)、(8.5.17-6)、(8.5.17-7)計算,計算得抗沖切力=2 021 kN。

滿足抗沖切要求。

4.7.2 承載力計算

鉆孔樁直徑600 mm,C25混凝土,根據6號、7號、15號孔的地質報告計算樁基承載力(表1)。

表1 樁基承載力

樁承臺自重G=1.3×4.9×3×25=477.75 kN

單樁承受荷載P=(4 250+477.75)/4=1182 kN

單樁承載力特征值=2 120 kN>1 182 kN,滿足要求。

4.7.3 沉降計算

根據《橋梁樁基計算與檢測》中單樁沉降計算的簡化法,單樁沉降主要是由樁身材料彈性壓縮變形ΔC和樁底處巖層的壓縮變形ΔK組成,即

S=ΔC+ΔK=NlEA+NC0A

式中N——作用于樁頂的豎向壓力；

E——樁身材料的受壓彈性模量；

l——樁的長度；

C0——樁底處巖層的豎向抗力地基系數；

A——樁的橫截面面積。

按孔7號資料進行計算,S=3.41 mm<10 mm,滿足要求。

5 預制臺座施工

5.1 施工技術要點

由于箱梁自重較大,底模預設反拱,對支點高差和臺座頂部高差要求極其嚴格。預制臺座有以下施工要點。

(1)預制臺座端部嵌巖樁施工,嵌巖深度和樁身質量必須符合規范要求；

(2)中部地基采用碎石換填夯實并無不均勻沉降；

(3)為防止應力集中,中部筏板和端部樁承臺連接處設置楔形塊過渡；

(4)預制臺座頂面高差控制在2 mm/m，最大高差不超過5 mm。

5.2 施工措施

5.2.1 樁基主要施工措施

樁基采用正循環鉆進成孔,在施工過程中控制好樁的入巖深度和樁頂浮漿厚度,并注意溶洞的發現和處理。

(1)溶洞的發現和處理

該梁場位于石灰巖地區,溶洞比較發育,施工前在每個樁位都進行了超前鉆,鉆進完整巖石深度以下4～5 m。現場發現溶洞后采用壓力注漿,注漿孔口壓力維持在1.5 MPa后,注漿壓力呈直線上升為止,吸漿量不大于40 L/min,維持30 min時,可結束注漿。當達不到上述結束標準時,應清孔再次注漿,以確保樁端以下3倍樁徑范圍內無溶洞。

(2)入巖深度控制

按規范要求,嵌巖樁入巖深度≥D，并不小于0.5 m,采用正循環鉆進成孔取樣比較麻煩,因此主要從以下3點判斷其入巖：①由泥漿置換出來的沉渣來判斷,沉渣含有很多細小的巖石小顆粒而泥土很少時；②當樁機振動較厲害,鉆頭有回彈現象時；③時間,一般在地質條件變化不大的情況下,樁機鉆到巖石的時間在4～6 h；當入巖時就在鉆桿上做一記號,當鉆桿鉆進這一記號附近并所用時間大于2 h時，即認為入巖深度達到要求。

(3)浮漿的控制

由于澆筑的混凝土較厚,通常粗骨料會沉底,上層產生的浮漿較多,在灌注混凝土的時候一般超灌0.5～1 m,并在澆筑上層混凝土時適當加入一些碎石防止樁上層混凝土強度降低。

5.2.2 上部承臺施工措施

上部承臺施工主要是注意3條條形基礎梁的高程控制,梁頂面高程分為3條梁同截面頂面高程和單獨每條梁頂面高程。

(1)同截面3條梁頂面高程控制

在施工過程中,都是通過同一高程基準點進行高程控制。3條梁是并行施工的,在每條梁施工前,用水準儀通過高程基準點反復復核高程,最后確定3條梁梁端的頂面高程。施工完成后進行驗收,同一截面梁的高程相對誤差控制在5 mm之內,符合要求。

(2)單獨每條梁頂面高程控制

在安裝好模板后,對模板高程進行復核,高差控制在2 mm/m,最大不超過5 mm以內；用于加固模板的方木設置在低于模板面10 cm處,澆筑完混凝土對其抹光前,在方木上沿梁頂面架一條長約6 m的平整槽鋼；認真復核該槽鋼頂面高程,確定與設計梁頂面高程一致后,抹平光面,再用1 m長的鋁合金靠尺對梁沿縱向進行復核,確保梁頂面的縱向平整度符合規范要求；然后將槽鋼前移,直到每5 m段光面完成。施工完成后進行驗收,單獨每條梁的高程相對誤差控制在2 mm/m,最大高差不超過5 mm,符合要求。

6 沉降觀測

6.1 水準點的選擇和埋設

以挖方區較穩定且不易被破壞的點,將10 m長的鋼筋打進地下并用水泥澆灌固定,設水泥樁點作為基準點(圖4)。

6.2 沉降觀測點的布設

工作基點(以下簡稱基點)是沉降觀測的基準點。基點利用已有的、穩定性好的埋石點和墻腳水準點,采用1 m長鋼筋打入地下,共計3個,利用基準點對工作基點作連續一周7次觀測。假如高差值之差在1 mm以內,則認為工作基點是穩定的,并假定Ⅰ號基點高程為0。

觀測點固定在制梁臺座上,采用φ14 mm的加長型膨脹螺栓,與制梁臺座側面保持50°～60°夾角,露出制梁臺座外面長度為20 mm左右。

6.3 觀測結果

7號制梁臺座最先使用,對7號制梁臺座從鋼筋籠入模、落內模、橋面板拼裝、混凝土灌注、早期張拉進

圖4 所有制梁臺位沉降觀測示意

行連續觀測,發現臺座兩端最大沉降量為5 mm,不均勻沉降在2 mm之內,完全滿足設計要求。

7 結論

(1)單樁承載力設計取值必須有一定的富余量。理論計算得到的單樁承載力特征值為2 120 kN,但是取的設計值為1 500 kN,樁基高應變檢測結果承載力極限值為3 121～3 339 kN,即承載力特征值1 560～1 670 kN。承載力與理論計算值不符,經分析有以下幾個方面的原因。

①檢測方法的誤差。本工程采用高應變法檢測鉆孔樁的承載力,采用實測曲線擬合法建立力學模型,擬合法要輸入一些參數,由于灌注樁的特殊性,某些參數的值不易取準,這將影響分析結果。

②場地地質不均勻引起的誤差。由于場地地質情況不均勻,巖土的取樣不能完全代表場地所有的地質情況,造成參數取值的誤差。

表2為巖石單軸飽和抗壓強度統計表。

表2 巖石單軸飽和抗壓強度統計 MPa

從表2可以看出,石灰巖的抗壓強度相差較大,最大值為最小值的1.85倍。

③樁基施工方面的原因。樁底沉渣過厚或入巖深度不夠深也會影響樁的承載力。

(2)預制臺座施工必須控制好臺座端部樁基施工及臺座頂面高程誤差。

(3)根據上述方法設計出的預制臺座,第一批制出的4片梁,都在臺座上進行了預應力張拉,一個月后觀測的最大沉降量為5 mm,不均勻沉降在2 mm之內,基本滿足要求。可見,預制臺座中部不一定要打樁,并且相對于箱梁的制造周期4 d來說,基礎的沉降是一個長期而緩慢的過程,只要及時調整底模,在生產完一片梁就調整一次反拱度,就不會有問題。計算所得的沉降量偏小主要是沒有考慮到樁底沉渣的壓縮量,特別是在前期,樁底沉渣的壓縮量在總壓縮量中占相當大的比值。

[1]鐵建設[2005]160號,客運專線鐵路橋涵工程施工質量驗收暫行標準[S].

[2]TB10415—2003,鐵路橋涵工程施工質量驗收標準[S].

[3]GB50007—2002,建筑地基基礎設計規范[S].

[4]JGJ79—2002,建筑地基處理技術規范[S].

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[6]李 昂.建筑地基處理技術及地基基礎工程標準規范實施手冊[M].北京：金版電子出版公司,2003.