武广客运专线王家湾制梁场900t箱梁预制台座设计和施工

张军林

(中铁十一局集团第三工程有限公司,湖北十堰 442012)

1 工程概况

王家湾制梁场是武广客运专线XXTJⅠ标段4个制梁场之一,承担413片箱梁的预制任务,其中32 m箱梁405片,24 m箱梁8片。预制箱梁为单箱单室结构,梁底宽5.5 m,梁顶宽13.4 m,梁高3.05 m,单向预应力体系,单片梁质量约820 t。

2 设计要点

2.1 承载力要求

由于箱梁预施应力后梁体重将集中在台座两端,这就要求台座端部的基础必须有足够的承载力来承受箱梁的重力。

2.2 沉降要求

由于箱梁制造技术要求较高,箱梁4个支座水平面的相对高差在制梁阶段不得超过2 mm,梁底其他处每米高低差不超过10 mm。这就要求预制台座两端的不均匀沉降控制在2 mm之内,沉降量控制在10 mm之内。

3 地质情况

王家湾制梁场位于湖北省赤壁市官塘驿镇胡家嘴村,场地原始地貌单元属剥蚀低丘区,根据钻探资料,并结合室内土工试验成果综合分析,该场地勘察深度范围内地层划分为以下几层：①素填土：由挖方区取出的黏性土填筑碾压而成,结构松散,层厚0.8～6.1 m；②粉质黏土：黄色,可塑,局部分布,中偏高压缩性,层厚0.8～6.1 m；③碎石：褐黄色、灰白色,中密状,局部分布,层厚1.7～3.4 m；④含角砾红黏土：棕红色、褐黄色、黄色,硬塑,中偏低压缩性土,层厚5.1～19.9 m；⑤含角粉质黏土：黄色,可塑,中等压缩性土,层厚2.3～5.2 m；⑥石灰岩:灰色、灰白色,坚硬,完整岩石基本质量等级为Ⅰ级,最大揭露厚度8.1 m。

4 台座基础设计理论依据及计算方法

台座设计的基本思路是首先根据本梁场的地质条件,结合在其他梁场制梁台座设计的经验教训,提出本梁场制梁台座的设计思路和规划,然后进行有关的计算。

4.1 台座荷载(图1)

图1 台座上部荷载示意

台座上部荷载由箱梁自重、内模自重、底模自重、外模自重和施工荷载构成。箱梁自重约8 200 kN；内模重约800 kN；底模重约300 kN；外侧模重约600 kN,支撑在外模轨道上,只有少部分荷载作用到制梁台座上；人施工的作用荷载0.05×(8 200+800+300)=465 kN,取600 kN。

4.2 基础总体设计方案

一片32 m预制箱梁重约8 200 kN,考虑箱梁底宽5.5 m,底模重300 kN,内模重800 kN,及施工荷载的作用,预制台座底部的荷载(8 200+800+600)/(5.5×32.6)=54.5 kPa,而梁场内一般地基(素填土除外)的承载力就有120 kPa,考虑到地基承载力较高,中部只需对素填土进行处理即可,采用碎石换填夯实处理,为减少不均匀沉降,上部采用整体性强的筏板基础。由于箱梁预施应力后梁体重力将转向台座两端,采用一般扩大基础不能满足承载力和沉降的要求,所以台座端部采用桩基础,以第⑥层石灰岩为持力层。台座平、立面设计见图2、图3。

图2 台座平面(单位：mm)

图3 台座立面(单位：mm)

4.3 设计理论依据

台座基础采用基床系数法进行弹性地基梁的计算。

基床系数法以文克勒(Winkler)地基模型为基础,假定地基每单位面积上所受的压力与其相应的沉降量成正比,而地基是由许多互不联系的弹簧所组成,某点的地基沉降仅由该点上作用的荷载所产生,用公式表示为

P=koy

式中P——单位面积上的反力；

y——地基沉陷；

ko——基床系数。

通过求解弹性地基梁的挠曲微分方程,可求出基础梁的最大弯矩、剪力和位移。

4.4 工况说明

4.4.1 工况1

箱梁在浇筑刚完成时,台座上部荷载均匀分布在台座基础上,此时的荷载为箱梁自重+内模重+底模重+施工荷载,荷载按箱梁长度方向均匀分布,预制台座荷载标准值为(8 200+800+300+600)/32.6=303.7 kN/m,设计值为303.7 kN/m×1.35=410 kN/m。采用弹性地基梁的方法计算基础内力所取的荷载是工况1,即主要验算中部筏板基础的内力。

4.4.2 工况2

箱梁拆除内模并预施应力后梁体重力将转向台座两端,此时假设台座基础中部不受力,两端承受箱梁的自重,此时的荷载仅为箱梁自重+底模自重,每端桩承台上部的荷载标准值为(8 200+300)/2=4 250 kN,设计值为4 250 kN×1.35=5 737.5 kN。工况2主要是验算端部桩基础的受力。

4.5 基床系数的确定

由于台座底部两端采用桩基础,中部采用碎石换填处理,基础刚度不一致,故应确定2种基床系数。根据《建筑地基处理技术及地基基础工程标准规范实施手册》表21-2-3基床系数k经验数值法,端部为支承在石灰岩上的桩基础,k1=3×105kN/m3,中部为碎石换填处理,k2=3×104kN/m3。

4.6 计算结果

按台座长度方向分10个单元,由Winkler弹性地基梁电算程序计算结果如下：

跨中最大弯矩为1 070 kN·m,台座长度的1/3处剪力最大Qmax=568 kN,竖向最大位移9 mm。

根据以上计算结果,核算该基础截面尺寸,其抗剪承载力R=1 668 kN,截面尺寸足够。该筏板基础配筋按双向双层布置,下部长向按φ22@150配,As=2 532 mm2/m,配筋率0.42%,容许弯矩M=2 084 kN·m,满足要求,其余按构造配筋。最大位移9 mm,满足沉降要求。

4.7 桩基计算

4.7.1 桩承台冲切计算

4桩承台单桩冲切净反力(设计值)Nl=5 737.5/4=1 434.375 kN,设计承台厚度1 300 mm,混凝土强度等级C25。

按GB50007—2002之公式(8.5.17-5)、(8.5.17-6)、(8.5.17-7)计算,计算得抗冲切力=2 021 kN。

满足抗冲切要求。

4.7.2 承载力计算

钻孔桩直径600 mm,C25混凝土,根据6号、7号、15号孔的地质报告计算桩基承载力(表1)。

表1 桩基承载力

桩承台自重G=1.3×4.9×3×25=477.75 kN

单桩承受荷载P=(4 250+477.75)/4=1182 kN

单桩承载力特征值=2 120 kN>1 182 kN,满足要求。

4.7.3 沉降计算

根据《桥梁桩基计算与检测》中单桩沉降计算的简化法,单桩沉降主要是由桩身材料弹性压缩变形ΔC和桩底处岩层的压缩变形ΔK组成,即

S=ΔC+ΔK=NlEA+NC0A

式中N——作用于桩顶的竖向压力；

E——桩身材料的受压弹性模量；

l——桩的长度；

C0——桩底处岩层的竖向抗力地基系数；

A——桩的横截面面积。

按孔7号资料进行计算,S=3.41 mm<10 mm,满足要求。

5 预制台座施工

5.1 施工技术要点

由于箱梁自重较大,底模预设反拱,对支点高差和台座顶部高差要求极其严格。预制台座有以下施工要点。

(1)预制台座端部嵌岩桩施工,嵌岩深度和桩身质量必须符合规范要求；

(2)中部地基采用碎石换填夯实并无不均匀沉降；

(3)为防止应力集中,中部筏板和端部桩承台连接处设置楔形块过渡；

(4)预制台座顶面高差控制在2 mm/m，最大高差不超过5 mm。

5.2 施工措施

5.2.1 桩基主要施工措施

桩基采用正循环钻进成孔,在施工过程中控制好桩的入岩深度和桩顶浮浆厚度,并注意溶洞的发现和处理。

(1)溶洞的发现和处理

该梁场位于石灰岩地区,溶洞比较发育,施工前在每个桩位都进行了超前钻,钻进完整岩石深度以下4～5 m。现场发现溶洞后采用压力注浆,注浆孔口压力维持在1.5 MPa后,注浆压力呈直线上升为止,吸浆量不大于40 L/min,维持30 min时,可结束注浆。当达不到上述结束标准时,应清孔再次注浆,以确保桩端以下3倍桩径范围内无溶洞。

(2)入岩深度控制

按规范要求,嵌岩桩入岩深度≥D，并不小于0.5 m,采用正循环钻进成孔取样比较麻烦,因此主要从以下3点判断其入岩：①由泥浆置换出来的沉渣来判断,沉渣含有很多细小的岩石小颗粒而泥土很少时；②当桩机振动较厉害,钻头有回弹现象时；③时间,一般在地质条件变化不大的情况下,桩机钻到岩石的时间在4～6 h；当入岩时就在钻杆上做一记号,当钻杆钻进这一记号附近并所用时间大于2 h时，即认为入岩深度达到要求。

(3)浮浆的控制

由于浇筑的混凝土较厚,通常粗骨料会沉底,上层产生的浮浆较多,在灌注混凝土的时候一般超灌0.5～1 m,并在浇筑上层混凝土时适当加入一些碎石防止桩上层混凝土强度降低。

5.2.2 上部承台施工措施

上部承台施工主要是注意3条条形基础梁的高程控制,梁顶面高程分为3条梁同截面顶面高程和单独每条梁顶面高程。

(1)同截面3条梁顶面高程控制

在施工过程中,都是通过同一高程基准点进行高程控制。3条梁是并行施工的,在每条梁施工前,用水准仪通过高程基准点反复复核高程,最后确定3条梁梁端的顶面高程。施工完成后进行验收,同一截面梁的高程相对误差控制在5 mm之内,符合要求。

(2)单独每条梁顶面高程控制

在安装好模板后,对模板高程进行复核,高差控制在2 mm/m,最大不超过5 mm以内；用于加固模板的方木设置在低于模板面10 cm处,浇筑完混凝土对其抹光前,在方木上沿梁顶面架一条长约6 m的平整槽钢；认真复核该槽钢顶面高程,确定与设计梁顶面高程一致后,抹平光面,再用1 m长的铝合金靠尺对梁沿纵向进行复核,确保梁顶面的纵向平整度符合规范要求；然后将槽钢前移,直到每5 m段光面完成。施工完成后进行验收,单独每条梁的高程相对误差控制在2 mm/m,最大高差不超过5 mm,符合要求。

6 沉降观测

6.1 水准点的选择和埋设

以挖方区较稳定且不易被破坏的点,将10 m长的钢筋打进地下并用水泥浇灌固定,设水泥桩点作为基准点(图4)。

6.2 沉降观测点的布设

工作基点(以下简称基点)是沉降观测的基准点。基点利用已有的、稳定性好的埋石点和墙脚水准点,采用1 m长钢筋打入地下,共计3个,利用基准点对工作基点作连续一周7次观测。假如高差值之差在1 mm以内,则认为工作基点是稳定的,并假定Ⅰ号基点高程为0。

观测点固定在制梁台座上,采用φ14 mm的加长型膨胀螺栓,与制梁台座侧面保持50°～60°夹角,露出制梁台座外面长度为20 mm左右。

6.3 观测结果

7号制梁台座最先使用,对7号制梁台座从钢筋笼入模、落内模、桥面板拼装、混凝土灌注、早期张拉进

图4 所有制梁台位沉降观测示意

行连续观测,发现台座两端最大沉降量为5 mm,不均匀沉降在2 mm之内,完全满足设计要求。

7 结论

(1)单桩承载力设计取值必须有一定的富余量。理论计算得到的单桩承载力特征值为2 120 kN,但是取的设计值为1 500 kN,桩基高应变检测结果承载力极限值为3 121～3 339 kN,即承载力特征值1 560～1 670 kN。承载力与理论计算值不符,经分析有以下几个方面的原因。

①检测方法的误差。本工程采用高应变法检测钻孔桩的承载力,采用实测曲线拟合法建立力学模型,拟合法要输入一些参数,由于灌注桩的特殊性,某些参数的值不易取准,这将影响分析结果。

②场地地质不均匀引起的误差。由于场地地质情况不均匀,岩土的取样不能完全代表场地所有的地质情况,造成参数取值的误差。

表2为岩石单轴饱和抗压强度统计表。

表2 岩石单轴饱和抗压强度统计 MPa

从表2可以看出,石灰岩的抗压强度相差较大,最大值为最小值的1.85倍。

③桩基施工方面的原因。桩底沉渣过厚或入岩深度不够深也会影响桩的承载力。

(2)预制台座施工必须控制好台座端部桩基施工及台座顶面高程误差。

(3)根据上述方法设计出的预制台座,第一批制出的4片梁,都在台座上进行了预应力张拉,一个月后观测的最大沉降量为5 mm,不均匀沉降在2 mm之内,基本满足要求。可见,预制台座中部不一定要打桩,并且相对于箱梁的制造周期4 d来说,基础的沉降是一个长期而缓慢的过程,只要及时调整底模,在生产完一片梁就调整一次反拱度,就不会有问题。计算所得的沉降量偏小主要是没有考虑到桩底沉渣的压缩量,特别是在前期,桩底沉渣的压缩量在总压缩量中占相当大的比值。

[1]铁建设[2005]160号,客运专线铁路桥涵工程施工质量验收暂行标准[S].

[2]TB10415—2003,铁路桥涵工程施工质量验收标准[S].

[3]GB50007—2002,建筑地基基础设计规范[S].

[4]JGJ79—2002,建筑地基处理技术规范[S].

[5]李 闻.铁路客运专线预制梁场存梁台座设计研究[J].铁道标准设计，2009(S1).

[6]李 昂.建筑地基处理技术及地基基础工程标准规范实施手册[M].北京：金版电子出版公司,2003.