桥梁基础工程中常用桩基础设计工艺

桥梁基础工程中常用桩基础设计工艺

桩基建工艺可分为三类：非挤土桩（干燥处理法、土壤保护法和套筒保护法）、部分挤土桩（部分挤土桩和嵌入桩，如本主题演讲的第一个主题演讲。再细分桩的施工方法已超过300种。桩的施工方法的变化、完善及更新可以说是日新月异,与时俱进。一些常用桩的设桩工艺的选择,可详见本专题讲座第一讲,表1列出常用桩的桩型、桩径(桩宽)和桩长。筒式柴油锤打入式钢筋混凝土预制桩和管桩虽然具有桩身质量较可靠、施工速度快及承载力高等优点,但由于其施工时噪声高、振动大和油污飞溅等公害缺点,在城区施工中受到很大限制。静压桩由于桩机能力的限制,桩径和桩长不可能很大。钢管桩因耗钢量大,则很少应用,目前只有在部分成桩困难或特殊要求下在需较强穿透力的地层中还有应用。振动下沉管柱由1957年武汉长江大桥成功使用直径1550mm混凝土管柱后,在深水桥梁基础中发展较快。由武汉长江大桥直径1550mm混凝土管柱到南京长江大桥直径3600mm预应力混凝土管柱到赣江大桥5800mm最大直径管柱。但由于管柱下沉靠施加强大振动力,其振动力要求大于2倍的管柱重力,使振动沉桩机功率太大,受振动力制约管柱的长度和直径都不大可能再大,同时因振动力对周边建筑物(如护岸等)和管柱本身损伤等影响,目前已很少使用。钻孔沉埋空心桩近20多年来在河南、湖南等地试用,其途径是先成孔,后分节沉入管桩,最后环形间隙填石压浆成桩。受钻孔制约其最大直径在3m左右,环形间隙填石压浆与空心桩壳结成一体,其质量可靠性和稳定性受多种因素影响,尚待进一步探索,多年来只在湖南常德澧水大桥等几座桥梁试用、未见推广。钻孔灌注桩是先成孔后灌注混凝土成桩。近30多年来在施工工艺、机械设备及检测技术等方面都取得了长足进展,直径2.5～4.0m、桩长超过100m的大直径超长桩成功使用,在深基础中显示强大优势,成为桥梁基础中的首选形式。但钻孔灌注桩存在以下问题:①桩径再增大,成孔设备及施工稳定性难度很大。②桩径增大,混凝土用量太大,使空心钻孔桩倍受关注,但空心成桩问题始终没有突破。③钻孔桩受桩径制约,大中跨桥梁的桩基只能采用群桩承台的结构形式,群桩在轴力、弯矩荷载作用下、单桩承载力极不均匀,其最大、最小值之比达到3～4,甚至出现负值(一侧桩受压、另一侧桩受拉)既增大了桩长、更增加基础混凝土工程量;④钻孔桩在深水和很厚的湖海相沉积软土覆盖层中,都需设置很长的护筒。如海湾大桥直径2.5～2.8m、长125m桩基中、护筒长45m;南京长江二桥护筒长42m;舟山连岛工程桩长110m、护筒长45～60m,有些长桩永久性钢护筒已接近桩长的1/2～1/3。⑤钻孔桩先天存在的泥浆中灌注混凝土成桩,混凝土强度的稳定性、可靠度低及桩侧阻、端阻的降低和钻孔排污问题都少有突破。以上的问题都制约着钻孔桩的发展。沉井基础一般用于入土较深、荷载很大的大型深基础。其沉入主要靠自重克服井壁摩阻、井内全断面除土降低端阻下沉。因之壁厚受自重和沉入阻抗制约,井壁较厚。在跨径100m以下的桥梁,桥墩桩基竖向荷载在15000kN以下,直径3～8m沉井采用壁厚1.5～2.5m,混凝土量太大,一般很少使用。只有荷载很大,入土较深、截面很大的情况下,沉井才有使用价值。上述分析表明,目前运用各种施工方法和施工机械成桩的共同特点是:在整个成桩过程中需要克服的对象自始至终是“桩的整体”。灌注桩需通过钻(控)形成“完整”的桩孔,然后放置钢筋笼、灌注混凝土成桩;挤土预制桩和管柱在成桩的“全过程中”,通过重锤击和强振动克服“全桩”的侧摩阻和端阻成桩;沉井依靠其巨大的自重在“整个”下沉过程中克服“全部”侧摩阻完成深基础。由于工程建设的需要,桩径和桩长不断增大,“桩的整体”日益庞大,现有的成桩手段越来越力不从心甚至失去生命力。通过上述分析还可以看出:桩径3～15m的超大直径桩,成桩问题成为难点,而超大直径桩只有采用空心截面才经济合理。北京维公工程项目管理有限公司张子良总工程师按照创新、变革的观点,提出“自平衡下沉大直径管桩及其施工方法”全新的成桩模式,在成桩全过程中,不再把“桩的整体”作为施工过程中所克服的对象,而是将“桩的整体”分解为简单的几个部分进行作业。在成桩过程中,注意形成“个别”和“部分”将“桩的整体”分解为简单的几个部分(绝大多数情况下分解为两个部分就足以满足成桩施工要求),在整个成桩过程中需要克服的对象自始至终是“桩的某个部分”,而且在这个过程中其它部分还可以起“帮忙”作用。在管桩沉放到预定位置时再将各部分连接为整体,形成完整的桩基础。管桩顶设接枝式千斤顶自平衡下沉大直径管桩施工技术是采用全断面除土和改进的顶拉工艺,将管桩沉放到预定深度。具体作法是:将管桩分节预制,管桩各节节间设中断间,安装顶压千斤顶,管壁预留孔道,穿入拉杆通过管桩顶设置的穿心式千斤顶将管桩各节联接为一体(图1a)。利用上节管桩与土体间摩阻和自重作支撑顶压下节管桩下沉,然后利用下节管桩摩阻和自重,拉上节管桩跟进,管桩各节互为支撑,交替顶压下沉,利用自身摩阻和自重实现自平衡下沉。管桩下沉至预定深度后封底,张紧、锚固拉杆,封闭中继间,浇筑顶板,使管桩连接为整体(图1b)。管桩大直径下直径管桩优势从桩的形态来看,打破传统成桩模式的束缚,实现新的成桩方式。解决了大直径、薄壁、空心桩的成桩问题。自平衡下沉大直径管桩为非挤土静压桩,适宜桩径3～15m,桩长可大于100m,壁厚可选用1/20桩径。在桥梁基础中,采用桩柱合一的结构形式,不设承台。从桩的承载能力来看,可大大提高竖向单桩承载力,合理利用地基持力层,有效减小桩长。桩径大,桩底无沉渣,如有必要可扩底以增大端承面积,充分利用端阻,单桩承载力可达20万kN以上,为桩柱合一,取消承台,简化基础结构创造条件;桩的抗弯、抗推、抗扭刚度大,可充分利用土的弹性阻抗。大直径环形截面,抗水平作用和扭矩能力强。从桩型的结构特点来看,单柱单桩排除群桩承台各桩受力不均,甚至出现部分桩出现受拉的问题;维护结构与受力结构合一,可应用于50m以上水深的基础工程。从施工角度来看,该大直径管桩正常使用时的受力结构同时也是施工时的维护结构,施工过程安全可靠,不存在安全隐患;该大直径管桩施工方法简便,易于推广。施工全过程采用机械化施工,但主要是千斤顶及油泵等简单机械,费用低廉,易于运输,维修简单,耗能低,减少对大型成桩设备的依赖,从而加快施工进度。在水中施工时可预拼浮运,取消钢护筒、钢套箱和钢围堰,无需泥浆护壁。管桩采用先预制后下沉的方法,妥善地解决钻孔桩空心成桩的难题。此外,管桩因采用临时支护与永久结构合一,下沉过程可彻底排除临时支护垮坍,坍孔的施工风险,施工安全有可靠保障。管桩大直径管桩优势与钻、挖孔灌注桩相比,该大直径管桩彻底打破大直径钻孔灌注桩不易成孔的困境,克服钻孔灌注桩无法有效利用桩端阻力及桩身混凝土质量不易保障等难题;彻底消除挖孔桩施工中的安全隐患。与打入式桩和管柱相比,该大直径管桩可解决打入式桩和管柱因受设备能力和工程地质制约而桩径和桩长无法加大的问题,消除该类桩的高耗能、重锤击与强震动的弊端。与沉井相比,该大直径管桩实现自平衡下沉,可克服由于沉井只能依靠自重自由下沉,壁厚受自重制约无法减少,使得小型薄壁沉井难以实现的不足。自平衡下沉属于强迫下沉,施工下沉过程更容易控制。管桩下沉不受自重制约,管壁厚度取决于结构受力和构造要求,这种环形截面偏心受压构件,可充分利用高强混凝土的强度,壁厚可做到外径的1/20左右,较多地减少壁厚,并为水中浮运创造出条件。该大直径管桩成桩过程中,混凝土为现场预制,可以使用高强混凝土,钢筋工程和混凝土工程易于检查,质量有可靠保证。自平衡下沉大直径管桩的施工过程符合现代环保理念。成桩过程无需泥浆护壁,施工现场不设泥浆池,从根本上解决了泥浆对环境的污染。成桩设备简单,主要是千斤顶和油泵系统,施工噪音很低,消除了传统成桩设备由于重锤击、强震动、高功率造成的噪声污染。在获得相同承载能力的前提下,较传统桩基类型混凝土和钢筋用量大大降低,并且不采用大型的高耗能成桩设备,从而大大降低能源的消耗。由上可知,自平衡下沉大直径管桩是具有低能耗、无噪声、无震动、薄壁特点的新桩型。自平衡下沉大直径管桩的设计和施工完全可按现行规范进行,利用成熟施工方法和工艺。深水基础施工自平衡下沉大直径管桩可在无水地层、含水地层和深水条