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特大桥深水基础技术方案之探讨——空气幕管柱基础
2014-08-25  中国桥梁网 分享到:

   1. 前言

   随着我国国民经济稳步持续地高速发展,交通工程量也相应大大增加,需新建的特大桥、港湾巨型码头的数量越来越多,技术要求和规模越来越大。从远景看将来跨越琼州海峡、渤海湾海峡和台湾海峡的交通工程也正在研究之中。这些超级大工程(Superinfrastructure)的共性问题是:投资巨大、技术复杂、环境影响因素较多,因而风险系数也相应大。故对其功能(Performance)、可施工性(Constructionability)、经济指标(Economical Index)、工期(Construction Period)和耐久性(Durability)必须十分重视。而特大桥基础工程方案的比选范围狭窄,特别在深海区、厚覆盖层或地质、水文、环境、气候恶劣较复杂的桥位区域,受风、浪、地震、海啸、船撞等因素的破坏袭击几率较大。因此对基础结构的承载力和抗灾能力要求越来越高,其安全度、耐久性、整体稳固性、经济性和防腐等课题也是研究关键。

   早期设计的特大桥基础都力求达到新鲜岩层,这样能安全承受任何施加的预见荷载,这是桥梁工程界最稳妥的设计理念。因为基础工程的稳定可靠可以满足100年以上的规范要求。如果基础工程结构本身的抗腐蚀能力及其耐久性能得到科学的预控,就不必为日后的养护维修难度付出沉重的代价。因此,超大型建筑的基础工程在选择方案时,应选择质量可预控的方案,取得主动权,确保其长久性。

   鉴于此,本文针对当前桥梁工程界对大桥基础工程常偏好于钻孔灌注桩基础方案提出一些拙见。
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   2. 大直径超长钻孔桩基础之不足

   自上世纪70年代以来,大直径钻孔灌注桩逐渐受到偏爱。其主要优点是设备简单、操作方便、变水下作业为陆上作业,因而可简化施工过程,降低造价,且可增加工点,缩短工期。故钻孔桩在其他水工、建筑等工程领域也得到了广泛应用。但钻孔桩在施工过程中,由于水文、地质条件复杂,影响因素较多或操作稍有不当就极易造成塌孔,缩颈、断桩、桩身夹带泥沙或存在孔洞等缺陷的隐患。为了护壁成孔,启用高比重的泥浆或就地造浆,易使孔壁泥皮过厚,孔底的沉渣也随之积聚加厚。前者将会使摩阻力大大降低[5]。在灌注水下混凝土时,往往使混凝土夹带泥沙,桩身强度下降,因而在成桩过程中,质量事故几率较大。此外,在钻孔桩的施工工艺中,对钻渣、泥浆造成的污染还没有完善的处理措施。

   近来,为了改善钻孔桩的质量,已采用优质的膨润土加适量的碱作为制作低比重优质泥浆护壁的原料。但价格昂贵,级配要求严格。为了节约原材料,必须有循环净化系统的设施来循环倒用泥浆,需有一定的场地,因而要增加投资和工序。在水中的钻孔桩施工时,必须设置施工平台和钢护筒,耗钢量很大。无论是采用高比重泥浆还是低比重优质泥浆,作用仅仅是对钻孔进行护壁。但却降低桩侧的摩阻力.这样不得不增加桩长,但钻孔加深势必又加大泥浆比重来护壁,于是出现了恶性循环(例如桩长已超过120m,承载力仍不能达到设计要求时,就在桩侧、桩底压浆,造价势必提高,以直径2.5m计,每延米已达到3万元以上的纪录)。

   用泥浆护壁的钻孔桩即使承载力达到要求,但如果在施工中投放长钢筋笼,其保护层也难以保证均匀.钢护筒以下防腐的耐久性措施并不到位。另外.采用超长钻孔桩时忽略了临界深度这一重要的理论性概念及摩阻力沿着桩长变化的分布影响因素。根据试验可知,砂土中钻孔桩沿着桩长方向的表皮摩阻力,在某一深度内(即临界深度Lc≤10~15D,D为孔径),随着深度的增长很快达到它的最大值。超出此深度后(L≈20D)摩阻力虽仍有增长,但增长缓慢。当L=40D时,增长率等于常数。如果按现行规范的计算方法,过分地加大桩长以图提高承载力,不仅达不到预期效果,反而会造成浪费和增加施工难度。因此用大直径的摩擦桩,尤其用泥浆护壁的大直径钻孔桩是很不经济的。这是因为:[4]

   (1)端阻力按孔径的二次方增长,而摩擦力仅按一次方增长。所以,在大直径的桩中不去利用端阻力是不合理的。

   (2)在同样的土层中,泥浆护壁的钻孔桩,其摩阻力要比打入桩小得多。这是因为打入桩时,土体被向外挤,使土的水平应力增大,产生较大的摩阻力。当用钻孔桩时,土向孔内移动,致使土的水平应力降低,摩阻力也就降低。

   (3)由于以摩擦力为主的桩应服从最小桩距2.5D的规定,以D=2.5m为例,其桩距就需6.25m,显然会使承台座板尺寸加大,造成不必要的经济损失。

   因此,当结构上要求用大直径桩时,宜采用充分发挥摩阻力和端阻力的柱桩基础方案。

   3. 空气幕管柱基础新方案的优势

   管柱基础和空气幕沉井施工是我国较成熟的技术,将管柱基础与空气幕技术相结合可提高施工效率和下沉深度。这是一种较可靠的基础方案,[2]相比之下它的优点在于管柱是一种具有较大承载力的少桩基础(武汉大桥在N3号墩,曾做过Φ155cm管柱的单柱静载试验,达到45000KN的承载力尚未达到极限),故可大大降低造价。

   管柱本身是主体受力结构,在工厂或工地预制,其质量及保护层可以得到严格预控。减少了下沉钢筋笼和清孔的工序,避免了钻孔桩易发生的一些通病。适应各种复杂地基条件的施工,如溶洞,破碎岩石带及个别障碍物。嵌入基岩的管柱基础自身的空间刚构剐度和强度足以抗拒所受之水平力及力矩。管柱基础可设计部分斜管柱,以抗拒较大的水平力,而钻孔浇注桩就难以斜向进行泥浆护壁钻孔。

   如果岩层较深,管柱底达不到岩面,只需将管柱下沉到坚实的持力层上,将空气幕的管道全部压浆封闭,水泥浆一郎分从气龛喷出,使管柱壁变得粗糙。这样端阻力和摩阻力部得到充分发挥,可大大提高承载力。

   由于工序减少,施工简单,可以利用现有的施工设备,施工进度容易得到保证。在下沉过程中,除用导向装置外,还可以通过各向空气幕来调整倾斜和位移,工程质量较为可靠。无环境污染的问题发生,施工也很安全。

   应该指出,特大桥基础工程的耐久性不仅仅是百年大计的要求,而应是像长江三峡大坝那样的数百年大计的永久性事业。上部结构出了问题容易被发现、可以加固维修或更换,而下部结构尤其水面以下的基础结构如果出了质量问题,维修的难度就大得多了,甚至是无法修复。众所周知,特大桥的桥位往往是决定线路走向的关键,一旦出了严重质量问题要改线,将会影响到整个区间线路、地方的规划设计和布局,造成的经济、社会、政治、民生问题,影响是难以估量的。在方案中为了确保作为主要受力的管柱本身强度得到无裂缝、无渗透、无腐蚀的预控,可采用相应的掺和剂在预制管柱时按比例要求掺入到搅拌机中与混凝土一起搅拌。在管柱出厂后可在柱壁上涂刷相应的制剂,两者都可起到保护管柱的耐久作用。随着科技的发展,这类制剂的质量有所提高,为管柱基础的耐久性提供了支持。

   4. 结束语

   科学发展、科技创新的成果往往来源于科学试验,“实践是检验真理的唯一标准。”采用管柱基础在长江、黄河等大江大河上修建的数十座特大桥在质量上已经过数十年的考验,质量是完全可靠的。本文希望通过试验来完善一种崭新的方案,把管柱桩和空气幕相结合,在深水基础工程中做一些新的尝试。若能取得成功,则将充分利用空气动力学这一领域的清洁能源为桥梁工程服务。从科学发展观出发,势必会从整体质量上、经济效益上、节能环保上、安全耐久性上都带来可喜的收获。

   参考文献

   [1]殷万寿、朱海涛:“对用现行规范指导设计大直径钻孔桩出现承载力不足问题的思考”《铁道标准设计》2006年第7期。

   [2]朱海涛、唐寰澄:“特大桥基础工程新方案—空气幕管柱基础”《第十七届全国桥粱学术会议论文集》上册2006年人民交通出版社,

   [3]朱海涛、吴彬俊:“钢筋混凝土桥梁病害的主要成周及修补加固范例”中国土木工程学会2005年中外桥梁病害整治大会论文集》。

   [4]殷万寿编著:《深水基础工程》(第二版)中国铁道出版社2003年出版。

   [5]刘海清、陈阵、黄文机:“对钻孔柱承载力不足的思考”《第十五届全国桥梁学术论文集》2002年同济大学出版社出版。

   [6]苏宏雯、黄融、毕桂平:“大直径超长混凝士钻孔桩压浆技术的应用”《世界桥梁》2004年增刊。

   《桥梁》2008第4期 总第24期
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