大直徑空心樁基礎的發展及在桃源沅水大橋中的應用

胡永春

(湖南省公路機械工程有限公司)

1 空心樁的特點

(1)能夠消除樁身隱患,確保工程質量,在成樁施工過程中,能夠直接人工觀察,旁站監理,對工程施工能夠一目了然,心中有數。

(2)施工工藝和設備比較簡單,可以充分利用現有機具,符合我國國情。

(3)無須重大設備,容易多點平行施工,有利于加快工程進度。

(4)樁側摩阻力和樁底反力均能顯著提高,可做成擴底樁,同時可對樁底土層進行夯實、壓漿加固等技術措施,樁的垂直承載力能顯著增大,樁的設計長度可減短。

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

(6)樁身采用預制裝配使基礎工程走上了工廠化,有利于組織流水作業,加快工程進度,實現文明施工。

但是空心樁也有缺點,即樁由于一節一節地施工而帶來施工節段過多的問題,這一方面會使樁的整體性變差,另一方面也會增加鋼筋接頭的數量。這就要求我們一方面要加強施工質量的控制,另一方面要尋求新的先進的施工方法以克服以上兩個缺點。

2 空心樁基礎的發展

空心樁基是在總結鉆孔灌注樁經驗的基礎上,為了消除樁身隱患,提高工程質量,減少圬工體積,降低工程成本,并使基礎工程走向工廠化,裝配化施工而提出來的一種適合我國國情的基礎施工方法。

我國于 20世紀 70年代中期開始進行空心鉆孔樁的試驗工作。交通部第一航務工程局于 1975年進行了幾次空心樁的試驗,試驗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。在此試驗后,因技術上的原因,該單位沒有再進行類似的試驗,但為以后的工作提供了一定經驗。交通部科研院和河南省于 20世紀 80年代對大直徑空心樁進行了鉆埋空心樁的試驗研究,經過 6年的努力,終于在 1992年完成了“無承臺大直徑鉆埋預應力空心樁施工技術”的試驗研究,開發了一種全新的樁基施工工藝。他們先于 1990年在國道 207線洛陽伊河大橋工地進行了實橋試驗工作,首先完成了一根工藝樁試驗,并開挖檢查樁周、樁底注漿效果;繼而在大橋南臺完成 2根預應力空心樁及做對比試驗的其它類型樁基 4根,并進行了荷載試驗工作。從該橋的試驗情況看,空心樁施工質量保證率較高,其承載能力提高 25%。

在交通部“八五”行業聯合攻關計劃里,由湖南省交通廳承擔的“洞庭湖區橋梁修建新技術的開發研究”課題中,進一步將空心樁技術和湖南省大跨徑無承臺變戴截面大直徑樁技術相結合,進行推廣應用,并確定湘北干線啞吧渡大橋為科研試驗橋。1993年7月湖南省公路機械工程公司擔任了該橋的施工任務工作。啞吧渡大橋地處洞庭湖區的南縣,屬于典型的湖海相軟弱地基,試驗樁由 1#墩 2Ф250 cm鋼筋混凝土空心樁發展為 2#墩以后的Ф250 cm予應力空心樁。隨即又將河道中每墩 2Ф 250 cm空心樁的 6#、7#、8#墩發展為 Ф380～Ф300變截面單樁單柱墩結構。1994年 6月試驗獲得全面成功。湖南省公路設計公司旋即將這一新成果推廣應用于湘北干線的南華渡大橋中,其中2×50m斜拉橋主塔采用 4Ф250 cm無承臺的四樁柱式橋塔;及湘北干線的石龜山大橋,其56m+3×80m+56m主橋連續剛構橋全部采用Ф500-Ф400 cm單樁柱式橋墩。這兩座橋于1994年 11月開工,其中湖南省公路機械工程公司僅用了 4個多月時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月湖南省公路機械公司承接了桃源沅水大橋后,對于砂礫石覆蓋地基上如何發展空心樁基礎,與湖南省省公路設計公司進行了密切合作。在 1#墩進行沉挖空心樁試驗成功后,全橋 19個墩臺全部采用了無承臺空心樁基礎這一結構,樁徑發展為通航孔 5#、7#墩的 Ф750 cm。

空心樁基礎以其質量可靠,工期短,造價低的特點得到廣泛的應用。

3 桃源沅水大橋沉挖空心樁基礎施工

桃源沅水大橋,全長 1 200 m,橋寬 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。

1995年 8月,湖南省公路機械工程公司進場后,首先在1#墩進行了 Ф400挖孔樁試驗,由于孔徑太大,及砂礫石滲水性極強,混凝土護壁成拱能力弱,挖孔不到 4m即塌孔,試驗以失敗告終。

在這關鍵時刻:采用輕型沉井穿過透水性極強的砂礫石覆蓋層,再進行嵌巖樁施工的基礎構思便提了出來,湖南省公路設計公司上官興總工與工地技術人員一拍即合,8月下旬,工地便在 2#墩開始進行試驗,一個月內,Ф500～300 cm(外徑 500 cm,內徑 300 cm)的輕型沉進便順利沉至 9m以下的基巖面,并開始人工嵌巖樁的施工。試驗宣告成功后,于是推廣到全橋 19個墩臺中。

3.1 沉挖空心樁構造

作為拱橋基礎,沉挖空心樁以其孔徑大,截面剛度大,在覆蓋層中能產生較大的水平抗力,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、內徑、嵌巖樁徑)的沉挖心樁結構(見下圖),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,而必須對刃角進行封水后,才能進行嵌巖樁挖孔施工。

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,采用鋼管樁平臺及浮運鋼沉井方法施工樁筒。

3.3 沉挖空心樁關鍵施工技術

輕型樁筒的下沉及刃角封水為沉挖空心樁的兩項關鍵技術。

(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行,桃源沅水大橋曾采用泥漿泵進行強排水下沉:內徑Ф300 cm的井內僅能容納 3臺 120 m3/h的泥漿泵,而Ф500 cm的井內僅能容納8臺泥漿泵,強排水人工挖土施工條件惡劣,效果較差。

不排水機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,往往無功而返,效率極低。

空氣吸泥機由 Ф300mm鋼導管及兩臺 12m3/min空壓機組成,在 4m以下水中效果較好,但經常被大粒徑漂石堵塞導管。

氣壓抓斗是由壓縮空氣推動活塞進行開閉的,在樁筒內能強行(主動)抓取砂礫石,且不論水深淺均能作業,是一種較為可靠的施工設備。氣壓抓斗與汽車吊配合,移動方便,可以實現多樁,多墩流水作業 。

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,采用炮震下沉時必須嚴格控制藥量,以防樁筒被炸裂。

樁筒下沉要嚴格控制其偏位。

(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,必須對刃角進行封水后方能進行挖孔嵌巖樁施工,刃角封水采用筒內靜壓注漿,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,其中筒內靜壓注漿采用較普遍。

4 結束語

大直徑空心樁不僅能作軟弱地基的橋梁基礎,也能作砂礫石地基的橋梁基礎。以其樁徑大承載力大,可以采用單樁單柱結構,并且能作為連續梁橋,斜拉橋,連續剛構,中承拱橋的橋梁基礎而被廣泛應用。同時也因其具有質量可靠,施工機具簡單,施工速度快,以及由于空心形式,減輕自重,節約混凝土用量,造價經濟等優點,而具有廣闊的發展前景。

[1] 王伯惠,上官興 .中國鉆孔灌注樁新發展[M].人民交通出版社,2001.

[2] 謝世敏.大直徑空心樁基礎施工工藝的研究[J].中外建筑,1989,(5).

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