本站原创摘 要:承台是桩基础的一个重要组成部分,负责将上部结构的荷载传递给各桩,并将各单桩联结成整体.我国桥梁桩基承台施工,在现行桥涵设计规范中无特别要求.现行的桥梁设计理论大都将承台的刚度视为无限大,将上部荷载传递给各排桩,计算承台下的各排桩所受的荷载.大多数桥梁施工设计中,承台的厚度一般根据经验先确定一个厚度,然后根据承台刚性的检测设,计算出桩顶的反力,根据计算所得的桩顶反力进行受压、冲剪验算.本文基于实例,对实体式桥墩的水中桩基承台施工进行了初步研究.
关 键 词:桥墩,桩基承台,桥梁施工
一、工程概况
某桥梁改造工程中新建桥梁长150米,桥跨布置为45+60+45m,桥面宽度为11m,桥宽布置为:2.5m(人+行道)+8m(行车道)+0.5m(护栏).下部结构主桥桥墩采用实体式桥墩,采用矩形端部接圆弧断面,尺寸为6×2m,端部接R等于1.25m圆弧,矢高0.5m,其中2#墩高11.488m,3#墩高10.906m.
承台为矩形,厚度为2.2m,平面尺寸为8.2×5.2m.每个桥墩基础由6根Φ1.2m钻孔灌注桩组成,桩端均进入微风化岩层.
桥台为桩柱式桥台.盖梁尺寸为11×1.8×1.5m.桥台基础由3根1.2m钻孔灌注桩组成,桩端均进入微风化岩层.钻孔灌注桩采用C25水下混凝土,下部承台结构采用C30混凝土.
上部结构采用悬浇预应力混凝土变截面连续箱梁.该桥设计为单向双车道,设计荷载为公路I级标准,人群荷载按3.5KN/,地震裂度按VII度设防.
二、自然地质概况
该桥场区河床断面为裸露风华凝灰岩层,只有30～50cm沉积於泥.根据工况报告5-1层:强风化凝灰岩:黄灰色-紫灰色,取出岩芯多呈砂土,碎块状,遇水宜软化,中等强度,低压缩性.5-2层:弱风化凝灰层:紫灰色-青灰色,取出岩芯多呈短柱状,裂隙较发育,容许承载力3000kpa.5-3层:微风化凝灰岩:青灰色,取出岩芯多呈柱状、块状构造,局部裂隙发育,锤击声脆,属较高强度岩基,容许承载力5000kpa.
三、水中承台基础施工方案考虑
该桥2#、3#墩基础原设计为扩大基础无桩承台施工.①浅表层虽是岩床,但根据工况报告称,5-1层:强风化凝灰岩:取出岩芯多呈砂土,碎块状,遇水宜软化,中等强度,低压缩性,5-2层:弱风化凝灰层:紫灰色-青灰色,取出岩芯多呈短柱状,裂隙较发育,容许承载力3000kpa等.对水下岩层的裂隙情况不明,扩大基础施工如遇基底岩层裂隙发育,出现坑内涌水将给施工带来极大困难.②由于河床为裸岩且水位较深,对围堰施工带来极大困难,如筑草袋堰围,由于水深坝基较宽,将严重影响航道的入江通航,如打钢板桩围堰则无法入土形成不了稳定坝体,做套箱围堰则圩堰底封水困难,如遇岩床裂隙则难上加难.
经过多方论证,大胆提出桩基承台设计和施工方案,具体思路是:首先进行墩台位置的河床岩层爆破形成承台施工的基坑,利用基坑的有效空间,进行无底钢套箱施工方案的实施,并利用套箱砼封底结构,将钻孔桩、钢套箱结构通过水下砼同体浇注成整体,即解决了水中承台施工的套箱封底及承台施工空间问题,又克服了水中套箱上浮的技术问题,同时为桩基施工提供了一个较好的整体施工条件,而扩大基础承台水下围堰施工中的水的难题也一并刃而解.安全、质量、工期的工作指标将能够得到保证.
四、水中承台施工顺序:
①钢套箱制作、预拼、检查,②河床爆破及清理,③钢套箱浮运、就位、下沉及调平加固,④安装钢护筒及脚手平台,⑤水下套箱砼封底,⑥桩基施工,⑦套箱内抽水、安装内支撑,⑧钢套箱及封底砼堵漏,切割钢护筒及凿除桩头、多余砼封底表层,⑨安装承台钢筋、浇注承台混凝土,⑩接高墩身施工,钢套箱水下切割拆除.
五、施工方法与措施简要
(1)场地平整及水下爆破
2#、3#墩台距两侧河岸约10m,需修建通向水中2#、3#墩台的施工便道码头.水中承台因无施工空间,需用水下爆破方式对承台的河床基坑实施控制爆破.由于近旁有新建桥梁正在通行,爆破施工对其结构的影响是必须要考虑的.为此多次组织桥梁专家及爆破专家进行爆破施工方案的论证,确定如下施工要点:
①因该承台施工考虑采用套箱施工技术方案,故要求爆破平面尺寸为15.5×12.5米,爆破深度为承台设计底标高以下1.5米.
②决定夜间实施交通封闭爆破施工.
③利用爆破打眼施工搭设的钢管支架平台,进行爆破面的全范围竹排草袋覆盖,防护附近建筑不受损坏.
④为便于水中打捞爆碴,要求爆破后最大石块重量不超过300kg.
(2)钢套箱、钢护筒的施工方法
该工程水中承台为低桩承台,河床标高与承台标高重叠,利用爆破拓展的施工基坑空间,下沉无底钢套箱,并将钢护筒底口下沉至距底0.5m处固定,然后进行水下砼浇注与基坑岩床结合成整体,克服了岩床施工带来的困难和不利因素,同时利用封底砼与钢护筒及桩基的整体作用解决了套箱上浮问题.
(3)钢套箱设计要点
钢套箱设计为无底四周封闭的单壁钢结构,分别由套箱侧板、内支撑系统两部分组成.
①套箱侧板
套箱侧板长宽尺寸根据承台尺寸制作.长为8.2m,宽为5.2m,侧板分4个侧面制作,长为承台四周边长,高度根据水深确定为9.5m以上,并高出水面100cm防止涨潮漫水,侧板面板采用δ6mm钢板制作面板,骨架及加劲肋采用14b号槽钢、∠125×10等边角钢,套箱板所有拼接缝采用胶条止水.在现场码头加工及拼装检查.
②内支撑系统
内支撑系统采用水平支撑,以20b工字钢作为横梁、32b工字钢作为顶撑,上下两层顶撑之间设置10#槽钢拉杆使顶撑间相对稳定.
③套箱砼封底结构
套箱封底结构采用C20砼,砼封底厚度拟取1.5m.
钢套箱结构尺寸:8.2*5.2*9.5m,
套箱结构抗上浮验算(确定砼底厚度)
上浮力按排水体积计算:8.4*5.3*9.5等于422.9m3,即套箱上浮力为F浮等于423t,
单个承台有6根桩,桩的最大净间距为:1.8m,桩与套箱间距为:0.5m,
钢护筒D1.4m,桩径1.2m,钢护筒下口距坑底h等于0.5m,封底厚度取h等于1.5m,C20砼[ft]等于1.1MPa,6根桩与封底砼结合产生抗上浮力(只计封底砼与与灌注砼接触部位高度0.5m):
F结抗浮等于1/1.4(6*Uh[ft])等于0.71*6*3.14*1.2*0.5*1.1等于883t>F浮等于423t,
砼封底及钢套箱自重:计100t,F总抗浮等于F结抗浮+F重抗浮等于983t,大于上浮力2倍.
按砼应力扩散角450计算,1.5m砼结构厚度,足够将桩基锚固力扩散至整个套箱结构.
(4)钢套箱封底
钢护筒平台就位后,即在平台上可布置多根刚性导管,导管下口距底10~20cm.套箱封底采用商品混凝土封底浇注施工,混凝土采用C20,坍落度为150~200mm.为防止交通堵塞影响,造砼封底工作失败,利用晚上交通流量小进行砼浇注施工,为了方便地给各导管喂料浇灌,采用移动泵车泵送喂料.
每根导管刚开始灌注时所用的混凝土坍落度宜采用下限,以利形成锥坡保证导管埋深,首批混凝土需要数量应通过计算保证导管埋深0.8m,
按V等于3.14R2/3近似计算控制,防止导管砼埋深不够穿孔出水.
灌注封底水下混凝土时,需要的导管间隔及根数,应根据导管作用半径及封底面积确定.经查阅有关资料,导管作用半径随导管下口超压力大小而异,其关系如下:
超压力(kpa)75100150250
导管作用半径(m)<2.53.03.54.0
导管埋深及导管直径的选择,有关资料有下列规定:
灌筑深度(m)<1010~1515~20>20
导管最小埋深(m)0.6~0.81.11.31.5
导管不同间距的最小埋深
导管间距(m)≤5678
导管最小埋深(m)0.6~0.90.9~1.21.2~1.41.3~1.6
导管直径与砼泵输送能力关系
导管直径应与砼泵的输送能力相适应,其关系如下:
砼泵输送能力(m3/h)81015203040
导管直径(mm)180200240260300350
根据现场实际灌注深度、导管布设的设计间距以及混凝土泵输送能力,导管的最小埋深为0.8米,导管直径为250mm.
根据现场实际水位情况,导管下口超压力约80kpa,则导管作用半径取2.5米.导管下口与套箱坑底的间距,为确保首罐混凝土的封底效果,导管下口与套箱底的间距取10~20cm.灌注过程中导管尽量不动,如砼不下灌,随砼面徐徐上升严格控制导管的提升量,导管埋深须与导管内砼下落深度相适应.
在灌注过程中,必须注意混凝土的堆高和扩展情况,使每盘混凝土灌注后形成适宜的堆高和不陡于1∶5的流动坡度,抽拔导管严格控制导管的最小埋深不小于0.8米,确保导管内不进水.按照导管编号顺序浇注并测深,混凝土面的最终灌注高度,比设计值高出约150mm,待7天后强度达到要求,进行钻机平台施工.
(5)水中墩承台施工
1)施工准备
最后一根钻孔桩完毕7天后,灌注砼强度达封底砼底板结构的锚固要求,(即套箱整体结构的锚固需要,利用灌注桩的锚固力,克服水的浮力造成套箱结构的上浮破坏)用潜水泵排除套箱内的河水,安装内支撑系统,气割切割拆除钢护筒及多余钢平台结构,人工凿除多余桩头,整平凿除承台底标高以上的封底砼.
2)承台钢筋及砼施工
在承台钢筋及砼施工时,用钢套箱作为水中承台模板进行操作.由于施工空间是在水下进行,由安全员负责进行套箱安全工作情况的临控,确保安全.
施工材料运输利用浮吊负责大件材料运输,散材从施工便道码头搭设的栈桥由人工运输,结构工程施工按照施工技术规范要求,进行承台钢筋安装和砼浇注常规施工.
六、结语
该工程通过实施桩基承台设计方案,证明该方案通过采取爆破作业方法拓宽承台基坑施工空间,通过无底钢套箱施工,将钻孔灌注桩与钢套箱结构的砼封底浇注成整体,解决了在裸岩且岩层裂隙发育的河床进行扩大基础施工的诸多难题,亦解决了套箱施工上浮的问题.实践证明该方案及采取的施工方法与措施是安全可靠、切实可行的,防止了各种意外困难情况的出现,保证并提高了施工进度,为顺利完成该桥工程建设任务提供了可靠的技术保障.