大直径空心桩基础的发展及在桃源沅水大桥中的应用

胡永春

(湖南省公路机械工程有限公司)

1 空心桩的特点

(1)能够消除桩身隐患,确保工程质量,在成桩施工过程中,能够直接人工观察,旁站监理,对工程施工能够一目了然,心中有数。

(2)施工工艺和设备比较简单,可以充分利用现有机具,符合我国国情。

(3)无须重大设备,容易多点平行施工,有利于加快工程进度。

(4)桩侧摩阻力和桩底反力均能显著提高,可做成扩底桩,同时可对桩底土层进行夯实、压浆加固等技术措施,桩的垂直承载力能显著增大,桩的设计长度可减短。

(5)采用空心桩,减少了桩身混凝土用量,与同截面的实心桩相比,可节省混凝土体积50%左右。

(6)桩身采用预制装配使基础工程走上了工厂化,有利于组织流水作业,加快工程进度,实现文明施工。

但是空心桩也有缺点,即桩由于一节一节地施工而带来施工节段过多的问题,这一方面会使桩的整体性变差,另一方面也会增加钢筋接头的数量。这就要求我们一方面要加强施工质量的控制,另一方面要寻求新的先进的施工方法以克服以上两个缺点。

2 空心桩基础的发展

空心桩基是在总结钻孔灌注桩经验的基础上,为了消除桩身隐患,提高工程质量,减少圬工体积,降低工程成本,并使基础工程走向工厂化,装配化施工而提出来的一种适合我国国情的基础施工方法。

我国于 20世纪 70年代中期开始进行空心钻孔桩的试验工作。交通部第一航务工程局于 1975年进行了几次空心桩的试验,试验所采用的成桩方法为:先钻一圆形孔,在孔中放置充气囊作为模具,再灌注混凝土而成空心桩。在此试验后,因技术上的原因,该单位没有再进行类似的试验,但为以后的工作提供了一定经验。交通部科研院和河南省于 20世纪 80年代对大直径空心桩进行了钻埋空心桩的试验研究,经过 6年的努力,终于在 1992年完成了“无承台大直径钻埋预应力空心桩施工技术”的试验研究,开发了一种全新的桩基施工工艺。他们先于 1990年在国道 207线洛阳伊河大桥工地进行了实桥试验工作,首先完成了一根工艺桩试验,并开挖检查桩周、桩底注浆效果;继而在大桥南台完成 2根预应力空心桩及做对比试验的其它类型桩基 4根,并进行了荷载试验工作。从该桥的试验情况看,空心桩施工质量保证率较高,其承载能力提高 25%。

在交通部“八五”行业联合攻关计划里,由湖南省交通厅承担的“洞庭湖区桥梁修建新技术的开发研究”课题中,进一步将空心桩技术和湖南省大跨径无承台变戴截面大直径桩技术相结合,进行推广应用,并确定湘北干线哑吧渡大桥为科研试验桥。1993年7月湖南省公路机械工程公司担任了该桥的施工任务工作。哑吧渡大桥地处洞庭湖区的南县,属于典型的湖海相软弱地基,试验桩由 1#墩 2Ф250 cm钢筋混凝土空心桩发展为 2#墩以后的Ф250 cm予应力空心桩。随即又将河道中每墩 2Ф 250 cm空心桩的 6#、7#、8#墩发展为 Ф380～Ф300变截面单桩单柱墩结构。1994年 6月试验获得全面成功。湖南省公路设计公司旋即将这一新成果推广应用于湘北干线的南华渡大桥中,其中2×50m斜拉桥主塔采用 4Ф250 cm无承台的四桩柱式桥塔;及湘北干线的石龟山大桥,其56m+3×80m+56m主桥连续刚构桥全部采用Ф500-Ф400 cm单桩柱式桥墩。这两座桥于1994年 11月开工,其中湖南省公路机械工程公司仅用了 4个多月时间就完成了南华渡大桥全桥 47根共 1 320m的空心桩基的施工。

1995年 7月湖南省公路机械公司承接了桃源沅水大桥后,对于砂砾石覆盖地基上如何发展空心桩基础,与湖南省省公路设计公司进行了密切合作。在 1#墩进行沉挖空心桩试验成功后,全桥 19个墩台全部采用了无承台空心桩基础这一结构,桩径发展为通航孔 5#、7#墩的 Ф750 cm。

空心桩基础以其质量可靠,工期短,造价低的特点得到广泛的应用。

3 桃源沅水大桥沉挖空心桩基础施工

桃源沅水大桥,全长 1 200 m,桥宽 16 m,是一座箱肋拱—中承拱大桥。主桥分孔为 4×56 m(箱肋拱)+2×108m(钢管中承拱)+12×56m(箱肋拱)。

桥位地处沅水中游,其覆盖层为 8～20m砂砾石,基岩为红砂岩,砾层中夹有 30%～40%的漂石,且砂砾层透水性极强。

1995年 8月,湖南省公路机械工程公司进场后,首先在1#墩进行了 Ф400挖孔桩试验,由于孔径太大,及砂砾石渗水性极强,混凝土护壁成拱能力弱,挖孔不到 4m即塌孔,试验以失败告终。

在这关键时刻:采用轻型沉井穿过透水性极强的砂砾石覆盖层,再进行嵌岩桩施工的基础构思便提了出来,湖南省公路设计公司上官兴总工与工地技术人员一拍即合,8月下旬,工地便在 2#墩开始进行试验,一个月内,Ф500～300 cm(外径 500 cm,内径 300 cm)的轻型沉进便顺利沉至 9m以下的基岩面,并开始人工嵌岩桩的施工。试验宣告成功后,于是推广到全桥 19个墩台中。

3.1 沉挖空心桩构造

作为拱桥基础,沉挖空心桩以其孔径大,截面刚度大,在覆盖层中能产生较大的水平抗力,而只需较小桩径(Ф250～400 cm)的嵌岩且嵌岩长度可以大为减短。作为净跨径100m的钢管中承拱边墩的 5#、7#墩就各采用了两根Ф750-Ф400-Ф400(外径、内径、嵌岩桩径)的沉挖心桩结构(见下图),沉控空心桩由沉挖筒及其下的挖孔嵌岩桩两部分组成。

3.2 沉挖空心桩施工工艺

沉挖空心桩其岩面以上部分桩筒采用沉井施工方法下沉,嵌岩桩部分即为常规的人工挖孔嵌岩桩。由于轻型桩筒很难沉落至岩面,且砂砾透水性极强,而必须对刃角进行封水后,才能进行嵌岩桩挖孔施工。

桩筒制作→桩筒下沉→刃角封水→挖孔嵌岩桩施工。6#墩处河槽中心,水深 8m,流速 3m/s,采用钢管桩平台及浮运钢沉井方法施工桩筒。

3.3 沉挖空心桩关键施工技术

轻型桩筒的下沉及刃角封水为沉挖空心桩的两项关键技术。

(1)轻型桩筒下沉。

轻型桩筒下沉采用排水人工挖土(石)下沉和不排水机械除土(石 )下沉。

人工挖孔下沉只能在地下水位以上及渗水量小的地基中进行,桃源沅水大桥曾采用泥浆泵进行强排水下沉:内径Ф300 cm的井内仅能容纳 3台 120 m3/h的泥浆泵,而Ф500 cm的井内仅能容纳8台泥浆泵,强排水人工挖土施工条件恶劣,效果较差。

不排水机械除土下沉是在水中及渗水量大的地基中一种较理想的方法。

冲抓锥,由于是通过钢丝绳收拢抓斗,靠其自重抓取砂砾,特别在砂砾石中夹有大量漂石,由于漂石卡住抓斗叶辨,往往无功而返,效率极低。

空气吸泥机由 Ф300mm钢导管及两台 12m3/min空压机组成,在 4m以下水中效果较好,但经常被大粒径漂石堵塞导管。

气压抓斗是由压缩空气推动活塞进行开闭的,在桩筒内能强行(主动)抓取砂砾石,且不论水深浅均能作业,是一种较为可靠的施工设备。气压抓斗与汽车吊配合,移动方便,可以实现多桩,多墩流水作业 。

轻型桩筒由于自身重量轻,靠其自身重力一般只能下沉6～8m。必须辅以炮震下沉,采用炮震下沉时必须严格控制药量,以防桩筒被炸裂。

桩筒下沉要严格控制其偏位。

(2)刃角压浆封水。

轻型桩筒由于自身重量轻,特别是由于砂砾石自然滚落边坡的影响以及近岩面存在一层较大的漂石,桩筒难以沉落至岩面,一般悬浮在岩石 50～100 cm左右,由于砂砾层渗水量极大,必须对刃角进行封水后方能进行挖孔嵌岩桩施工,刃角封水采用筒内静压注浆,筒外帷幕注浆,水玻璃双液注浆及高压旋喷注浆等方法,取得了较好的效果,其中筒内静压注浆采用较普遍。

4 结束语

大直径空心桩不仅能作软弱地基的桥梁基础,也能作砂砾石地基的桥梁基础。以其桩径大承载力大,可以采用单桩单柱结构,并且能作为连续梁桥,斜拉桥,连续刚构,中承拱桥的桥梁基础而被广泛应用。同时也因其具有质量可靠,施工机具简单,施工速度快,以及由于空心形式,减轻自重,节约混凝土用量,造价经济等优点,而具有广阔的发展前景。

[1] 王伯惠,上官兴 .中国钻孔灌注桩新发展[M].人民交通出版社,2001.

[2] 谢世敏.大直径空心桩基础施工工艺的研究[J].中外建筑,1989,(5).

[3] 胡定成.大直径空心桩技术现状及环形孔钻具的研究[J].探矿工程,2000,(4).