大跨度跨海大桥平台匝道桥钻孔灌注桩变形分析

大跨度跨海大桥平台匝道桥钻孔灌注桩变形分析

1钢护筒与土体质量在湾海大桥的平台桥上，有98个孔桩，均为单孔基础。桩底高度为-86.0m-96.0m，桩顶高度为+3m。标高在-40.0m～+3m段,桩径为2.5m,标高在-40.0m以下桩段,桩径为2.0m。施工中投入使用的钢护筒为Q235A卷制螺旋焊管,直径为2.50m,壁厚20mm,长47m,重57.9t,护筒顶面标高+7m,底面标高-40m,施工时平均海床面标高约为-20m,钢护筒入土深度约20m。匝道桥区域地质报告显示,钻孔桩钢护筒穿过的深度范围内大部分为灰色淤泥质亚粘土层(标高-20.68～-45.69m):饱和,流塑,局部软塑,夹1～3mm粉砂薄层,与淤泥质亚粘土的厚度比为1∶8,具水平层理,连续分布(W=37.8%,γ=18.0kN/m3,e=1.085,IP=15.3,IL=1.26,a0.1-0.2=0.52MPa-1,Es=3.97MPa,N=3.9击),为软弱地基土,强度极低,工程地质条件极差。2钢管的安装和变形2.1钢护筒测量方案插打方案是否满足设计要求,护筒根据匝道桥施工进度要求及设备资源配置的实际情况,钢护筒采取两种方案整根插打,插打后的测量复测结果表明,所有钢护筒的平面位置、标高及垂直度满足设计及规范要求。2.1.1锤击感官压打匝道桥钻孔桩钢护筒采用“路桥建设桩8号”打桩船进行整根吊装插打,见图1所示,采用该船配备的D180柴油锤作为锤击设备,插打时将D180打桩锤的锤击能量降到一档,并以轻锤慢打方式进行。利用打桩船配备的GPS-RTK测量定位系统进行钢护筒平面位置、标高、倾斜度的控制,并采用常规测量方法进行进一步的校核。2.1.2钢护筒的吊挂及测量采用振桩锤插打钢护筒时,先在钻孔桩施工栈桥的临时钢管桩上设置导向架,然后由200t浮吊整根起吊钢护筒插入导向架内,再由浮吊提吊DZJ135电动振桩锤振沉钢护筒,见图2所示。钢护筒平面位置、标高及倾斜度的控制采用常规测量方法。DZJ135电动振桩锤性能参数见表1。2.2m钻头钻进后,下锚点的移动钻破杭州湾跨海大桥海中平台匝道桥共98根钻孔桩,利用2.0m钻头实施钻孔,其中无法顺利通过的钢护筒有9根,卡钻后,利用D1.5m或D1.0m钻头钻进后扫孔,然后潜水员水下摸探,查明的变形情况见表2。表2中示出的B16、E18号孔钢护筒的变形情况基本一致,在利用2.0m钻头钻进卡钻后,然后采用1.5m钻头进行钻进仍无法通过,之后采用1.0m钻头并多次调整钻头中心后,才能基本钻出钢护筒底口。扫孔后,潜水员摸探后探明,钢护筒从距离底口约12m处开始变形,护筒底口变形情况极为严重,见图3所示。3刚性氧化物检测B16、E18墩钢护筒的变形最大,我们在桩位四周进行了地质钻探,在地质钻孔的过程中未发现有刚性障碍物,因此我们推断刚性障碍物也不是其他钢护筒产生变形的原因之一。经过认真分析,认为钢护筒的变形主要是由以下原因综合作用引起的。(1)桩位地质条件对B16、E18墩钢护筒进行桩周地质钻探时发现淤泥质亚粘土层中的粉砂夹层,单层厚度约30～90mm,与淤泥质亚粘土的厚度比为1∶3,较典型钻探孔地质报告中显示的数据大,地质条件较为不利。由于匝道桥为单桩基础,相对群桩基础来说分散的区域较大,地质条件出现变化大的概率较大,由此认为其他钢护筒变形的桩位地质条件也较为不利。而钢护筒材质、壁厚的设计很难按照每个桩位的地质条件来考虑,地质条件不利时,钢护筒的刚度相对不足,这是引起钢护筒变形的基本原因。(2)钢护筒土压力根据以往钢护筒插打应力试验的经验,钢护筒底端出现的环向应力很大,而轴向应力相对较小。环向应力大的原因是由于钢护筒在下沉过程中,钢护筒底口土体一部分挤入钢护筒内,但是大部分挤出钢护筒外,使钢护筒内外形成较大土压力差所致。当出现的环向应力值大于钢护筒非弹性屈曲环向临界应力值时,钢护筒将会产生变形。由表2可以看出,采用振桩锤插打的钢护筒变形情况比打桩船插打的严重,究其原因是,振桩锤插打主要是利用能量液化土体的方式来实现下沉,使钢护筒内土体的差量较打桩船的大,引起的环向应力较大,变形也就较大。(3)不圆度大小的影响大量的工程实例和试验表明,不圆度对受压构件的非弹性屈曲环向临界应力十分敏感,大量数据表明没有经过特殊精加工的试件,其弹性屈曲环向临界应力只能达到计算值的15%～60%。钢护筒制作过程并非精加工,不圆度不可能等于0,并且在运输、插打时也会使钢护筒的不圆度增大。若不圆度增大或超过钢护筒设计容许值时,钢护筒的变形危险就大大增加。综上所述,钢护筒产生变形的主要原因是:地质条件变为不利,钢护筒插打时环向应力增大,钢护筒的刚度相对不足,而不圆度的增大又使钢护筒的非弹性屈曲环向临界应力值变小,最终导致钢护筒屈曲,失稳变形。4外变形钢护筒根据匝道桥钻孔桩现场施工的实际情况,我们主要采取了2种方法进行处理。除B16、E18号护筒外的其余变形钢护筒采用水下电气切割法;因B16、E18号钢护筒变形太大,水下切割危险性会很大,若采取注浆法加固桩周土体则需要较长的周期,而且注浆加固后危险性能减少多少也很难估量,因此B16、E18护筒采用拔除重插法进行处理。4.1水下电气切分法4.1.1施工设备处理变形护筒的水下施工设备,共计10余台套,见表3。4.1.2施工方法(1)钻头扫孔施工扫孔、清孔主要是为了清理变形钢护筒内壁上的粘土,以方便查明钢护筒的变形情况,确定切割部位。由于原2.0m钻头已经无法钻进,因此采用1.5m或1.0m钻头钻进,在钻头的护圈上沿周长方向均匀安装6根直径为40mm以上长度为40cm左右的钢丝绳,用作扫孔之用,小钻头边钻进边进行扫孔。小钻头钻进的深度不宜过深,钻出护筒底口1m左右即可,以防止对孔壁的稳定性产生影响。(2)细胞密度置换为了减少潜水员潜水作业的难度,将钢护筒内的泥浆(密度约为1.09～1.15g/cm3)置换成海水(1.02～1.03g/cm3),降低密度。(3)潜水员四轴水局部钻机将钻头提起到钢护筒开始变形位置的上方,以方便潜水员操作。利用吊篮将潜水员吊到孔内水面上,然后潜水员沿着钻杆下到孔底,摸清钢护筒变形情况。(4)缝割时的切割摸清钢护筒的变形情况后,确定切割分块数量,然后进行水下切割。切割时先进行竖缝切割,然后再进行环缝切割。应该注意的是,切割竖缝时应从上而下进行,并且不应将竖缝全部切完,应在钢护筒的端部留置1～2cm竖缝不切割,以防止环缝切割完毕后,被切除的部分掉入孔内。(5)潜水员概念吊出切割完成后,潜水员在每块切除的部分上栓接吊具,潜水员撤离后利用吊机逐块吊出。当被切除部分较少时,可将吊具栓在小钻头上,再利用起钻换钻头之机,将切除部分吊出。(6)检查孔径和铁件吊除完毕后,可利用简易检孔器(直径比钻头稍大的短截钢筋笼)对孔径进行检查(若潜水员经验丰富,此步工序可减),然后利用电磁铁检查孔底,若有遗留铁件应做清理。同时,可根据现场施工的实际情况,若有需要可在孔内回填部分粘土,确保孔壁稳定。4.1.3水下切割作业(1)水下切割过程中,应始终保持孔内水位高于孔外水位,防止出现漏浆和塌孔,以确保潜水员安全。(2)因本水下切割属深潜作业,潜水员水下操作时间不应超过40min,并且要做好潜水员出孔后的减压工作,同时潜水员配员应满足连续进行水下切割作业。(3)严格按照潜水作业、吊装作业操作规程进行施工。4.1.4未发生重新钻孔漏浆本项目匝道桥钻孔灌注桩施工过程中,对变形钢护筒实施水下切割后未发生重新钻孔漏浆的现象。若发生漏浆(究其原因为水下切割引起了土体扰动,形成了漏浆通道)可根据实际情况,选取回填砂浆、护筒内注浆、护筒外注浆、内套管、冲击锤加固以及采用综合法进行处理。4.2浮吊配合大型液压振桩锤液压方案研究由于B16、E18号钢护筒变形严重,从安全施工、确保工期方面考虑,经比选研究选取了采用浮吊配合大型液压振桩锤拔除,然后重新插打的处理方案。4.2.1设备列表排除钢护筒拔除的主要设备为大型浮吊和液压振桩锤,这两种主要设备是决定能否成功实施拔除的关键。(1)拔桩设备选择原则拔桩原理是通过振桩锤对钢护筒的强制垂直振动,将能量传递到桩周土体,使桩周土体产生短期性的液化,大大减少土体对钢护筒的摩阻力,从而使锤重、钢护筒重和摩阻力之和在起吊设备最大额定起吊能量范围之内,以实现拔除。拔桩设备选择原则如下。①振桩锤的激振力大于桩周的摩阻力,振幅、偏心力矩满足要求。②起吊设备的起吊能量应大于锤重(含夹具)、钢护筒重和摩阻力之和。(2)激振力满足要求①激振力要求:液压振桩锤的激振力P>桩周土体摩阻力R,即:式中:f为土体单位面积的动摩阻力,kPa,从表4选取;u为钢护筒周长,m;L为钢护筒的入土深度,约20m。②振幅要求:各类型的土质对最小振幅的要求有所不同。在砂质土壤里,振动造成的液化程度较高,要求较小,约2mm即可;在粘土里,由于土壤能跟随护筒壁运动,振幅要求达到6mm才能摆脱土壤;在非常理想的情况下,如水下的砂质土壤只要2mm就足够了。根据实际情况应满足:液压振桩锤产生的振幅(F)=2×(偏心力矩÷(锤重+桩重))>6mm。(2)③振桩锤容许拔桩力要求:因液压振桩锤的振动部件为精加工件,容许限额的拔桩力,若拔桩力超过容许值,振桩锤将停止工作,甚至损坏。要求:锤重+桩重+桩周土体摩阻力<振桩锤容许拔桩力(3)按照上述3点要求,初步选定ICE-V360液压振桩锤作为拔桩锤,具体技术参数见表5。由此可见,ICE-V360液压振桩锤的激振力满足要求,下面验证式(2)、式(3):按照式(2):振幅(F)=2×(偏心力矩÷(锤重+桩重))=2×(130.2÷(18779+57900))=3.4mm,由于钢护筒内已经施钻并扫孔,因此可认为所需要的振幅为要求的1/2,即是满足振幅(F)=3.4mm>6mm×0.5即可,故振幅满足要求。按照式(3):锤重+桩重+桩周土体摩阻力=(187790+579000+1570800)×10-3=2337.59kN,此值大于振桩锤容许拔桩力2002kN。由此看来,所选锤的容许拔桩力不满足要求,因此我们决定在施工中以浮吊的起吊力不超过容许拔力来控制,仍选择该锤进行施工。(3)起吊能力比较按照选择原则,浮吊的起吊能力应大于:锤重、桩重和桩周土体摩阻力之和(2337.59kN),即起吊能力应大于233.759t。但是选择的振桩锤容许拔力为200.2t,因此选择了起吊能力为200t的浮吊,并为确保施工安全,在施工时浮吊的起吊力施加按照最高180t来控制。4.2.2安装钢板内贴焊为防止新钢护筒插打后再次发生变形,我们采取了加强钢护筒底口段刚度的措施,即在钢护筒的底部3m范围内,贴焊一层材质为Q235A,厚度为20mm的钢板,为避免贴焊的钢板阻碍钢护筒在导向架内下放,外加钢板采用了内贴焊在钢护筒内壁的方式。同时,为了防止重新钻孔时出现漏浆、塌孔,将钢护筒的长度增加2m,底口标高降低2m,标高到达-42m。4.2.3浮吊施力拔桩工艺(1)移开钻机、拆除桩位上方的钻孔平台、割除钢护筒与平台临时钢管桩之间的横向联系,为拔桩提供作业面。与此同时,为防止钢护筒在振动上拔时顶部夹桩器处管壁因高频振动而发生疲劳,撕裂破坏,在钢护筒顶部50cm范围内,护筒壁对应的夹桩器处焊接2cm厚的钢板,做加劲处理,见图4所示。(2)浮吊运输振桩锤、动力站驻位,连接振桩锤与动力站管道、栓接吊索、吊具,然后浮吊将振桩锤吊至钢护筒顶部,进行夹桩,见图5所示。(3)启动振桩锤向下振沉钢管桩,先用振桩锤的振动能量将钢护筒周的土体液化,此时浮吊不对振桩锤施加向上荷载。当钢护筒发生缓慢下沉时,说明振桩锤的振动能量已经将护筒周的土体初步液化,可进行下一步的浮吊施力拔桩。若长时间振动都无法使钢护筒下沉,则说明振桩锤的能量无法将钢护筒底端的土体液化,拔桩很可能难以成功,应考虑更换设备。(4)将土体液化后,振桩锤持续振动,浮吊施力实施拔桩,见图6所示。浮吊施力应逐级缓慢进行,切忌在瞬间将起吊力施加到最大。经过较长时间的振动,当前级的起吊力无法使钢护筒上拔时再缓慢加大。当前级起吊力能使钢护筒上拔时,保持该起吊力即可。若上拔速度过慢,将起吊力缓慢增加到下一级。当浮吊施力到最大并经过振桩锤长时间振动仍无法将钢护筒上拔时,应放弃操作。在操作的过程中,浮吊吊机操作手应密切注意吊机测力仪的读数,并与拔桩现场密切联系。(5)浮吊将钢护筒拔除一定高度后,停止上拔,并对钢护筒做临时加固后,将拔出段割除,由振桩锤夹住、浮吊吊到施工平台之上,见图7所示。然后浮吊再吊着振桩锤按照上述方法再次夹桩、振动拔桩。(6)再次振动上拔一定高度后,停锤,由浮吊直接拔桩,若浮吊能在振桩锤容许拔力的范围内将钢护筒上拔,说明浮吊已经能将钢护筒直接拔出。此时可割除拔出段、吊离,振桩锤撤离,然后浮吊直接将剩余的钢护筒拔出、调离、放置,见图8所示,拔桩结束。(7)按照前述方法,利用浮吊、DZJ135电动振桩锤、导向架插打新钢护筒,然后恢复钻孔平台,钻机归位继续进行钻孔施工。通过上述方法,我们利用200t浮吊配合ICE-V360液压振桩锤成功地将B16、E18号钢护筒拔除,拔除的钢护筒变形情况见图9所示,并且重新插打的钢护筒顺利地完成了钻孔桩施工。两根钢护筒拔除时,浮吊测力仪显示的最大起吊力约为180t,较上述计算出的233.759t小,说明桩周土体摩阻力计算值偏大。4.2.4守海上施工操作规程(1)海上拔桩施工危险性很大,拔桩所使用的吊具、索具必须具有足够的安全系数,同时所有操作人员必须严格遵守海上施工操作规程和起重吊装操作规程。(2)吊机的测力仪必须灵敏准确,拔桩时应缓慢加载,切忌超载工作。正常条件下,若在额定加载范围内无法成功拔除,应放弃。(3)海上作业时,受到大风、浪、潮影响时,浮吊的起吊力很难控制,容易出现超荷而导致危险,应选择在风平浪静的时段进行拔桩施工,同时也需要注意潮水的流向。5钢护筒的插打要遵守合法性原则(1)关于钢护筒变形的原因分析,目前还没有这方面的专题理论和实验研究可以借鉴,本文对钢护筒变形原因的分析也只是定