橋梁基礎(chǔ)工程中常用樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)工藝

樁基建工藝可分為三類：非擠土樁（干燥處理法、土壤保護(hù)法和套筒保護(hù)法）、部分?jǐn)D土樁（部分?jǐn)D土樁和嵌入樁，如本主題演講的第一個(gè)主題演講。再細(xì)分樁的施工方法已超過(guò)300種。樁的施工方法的變化、完善及更新可以說(shuō)是日新月異,與時(shí)俱進(jìn)。一些常用樁的設(shè)樁工藝的選擇,可詳見(jiàn)本專題講座第一講,表1列出常用樁的樁型、樁徑(樁寬)和樁長(zhǎng)。筒式柴油錘打入式鋼筋混凝土預(yù)制樁和管樁雖然具有樁身質(zhì)量較可靠、施工速度快及承載力高等優(yōu)點(diǎn),但由于其施工時(shí)噪聲高、振動(dòng)大和油污飛濺等公害缺點(diǎn),在城區(qū)施工中受到很大限制。靜壓樁由于樁機(jī)能力的限制,樁徑和樁長(zhǎng)不可能很大。鋼管樁因耗鋼量大,則很少應(yīng)用,目前只有在部分成樁困難或特殊要求下在需較強(qiáng)穿透力的地層中還有應(yīng)用。振動(dòng)下沉管柱由1957年武漢長(zhǎng)江大橋成功使用直徑1550mm混凝土管柱后,在深水橋梁基礎(chǔ)中發(fā)展較快。由武漢長(zhǎng)江大橋直徑1550mm混凝土管柱到南京長(zhǎng)江大橋直徑3600mm預(yù)應(yīng)力混凝土管柱到贛江大橋5800mm最大直徑管柱。但由于管柱下沉靠施加強(qiáng)大振動(dòng)力,其振動(dòng)力要求大于2倍的管柱重力,使振動(dòng)沉樁機(jī)功率太大,受振動(dòng)力制約管柱的長(zhǎng)度和直徑都不大可能再大,同時(shí)因振動(dòng)力對(duì)周邊建筑物(如護(hù)岸等)和管柱本身?yè)p傷等影響,目前已很少使用。鉆孔沉埋空心樁近20多年來(lái)在河南、湖南等地試用,其途徑是先成孔,后分節(jié)沉入管樁,最后環(huán)形間隙填石壓漿成樁。受鉆孔制約其最大直徑在3m左右,環(huán)形間隙填石壓漿與空心樁殼結(jié)成一體,其質(zhì)量可靠性和穩(wěn)定性受多種因素影響,尚待進(jìn)一步探索,多年來(lái)只在湖南常德澧水大橋等幾座橋梁試用、未見(jiàn)推廣。鉆孔灌注樁是先成孔后灌注混凝土成樁。近30多年來(lái)在施工工藝、機(jī)械設(shè)備及檢測(cè)技術(shù)等方面都取得了長(zhǎng)足進(jìn)展,直徑2.5～4.0m、樁長(zhǎng)超過(guò)100m的大直徑超長(zhǎng)樁成功使用,在深基礎(chǔ)中顯示強(qiáng)大優(yōu)勢(shì),成為橋梁基礎(chǔ)中的首選形式。但鉆孔灌注樁存在以下問(wèn)題:①樁徑再增大,成孔設(shè)備及施工穩(wěn)定性難度很大。②樁徑增大,混凝土用量太大,使空心鉆孔樁倍受關(guān)注,但空心成樁問(wèn)題始終沒(méi)有突破。③鉆孔樁受樁徑制約,大中跨橋梁的樁基只能采用群樁承臺(tái)的結(jié)構(gòu)形式,群樁在軸力、彎矩荷載作用下、單樁承載力極不均勻,其最大、最小值之比達(dá)到3～4,甚至出現(xiàn)負(fù)值(一側(cè)樁受壓、另一側(cè)樁受拉)既增大了樁長(zhǎng)、更增加基礎(chǔ)混凝土工程量;④鉆孔樁在深水和很厚的湖海相沉積軟土覆蓋層中,都需設(shè)置很長(zhǎng)的護(hù)筒。如海灣大橋直徑2.5～2.8m、長(zhǎng)125m樁基中、護(hù)筒長(zhǎng)45m;南京長(zhǎng)江二橋護(hù)筒長(zhǎng)42m;舟山連島工程樁長(zhǎng)110m、護(hù)筒長(zhǎng)45～60m,有些長(zhǎng)樁永久性鋼護(hù)筒已接近樁長(zhǎng)的1/2～1/3。⑤鉆孔樁先天存在的泥漿中灌注混凝土成樁,混凝土強(qiáng)度的穩(wěn)定性、可靠度低及樁側(cè)阻、端阻的降低和鉆孔排污問(wèn)題都少有突破。以上的問(wèn)題都制約著鉆孔樁的發(fā)展。沉井基礎(chǔ)一般用于入土較深、荷載很大的大型深基礎(chǔ)。其沉入主要靠自重克服井壁摩阻、井內(nèi)全斷面除土降低端阻下沉。因之壁厚受自重和沉入阻抗制約,井壁較厚。在跨徑100m以下的橋梁,橋墩樁基豎向荷載在15000kN以下,直徑3～8m沉井采用壁厚1.5～2.5m,混凝土量太大,一般很少使用。只有荷載很大,入土較深、截面很大的情況下,沉井才有使用價(jià)值。上述分析表明,目前運(yùn)用各種施工方法和施工機(jī)械成樁的共同特點(diǎn)是:在整個(gè)成樁過(guò)程中需要克服的對(duì)象自始至終是“樁的整體”。灌注樁需通過(guò)鉆(控)形成“完整”的樁孔,然后放置鋼筋籠、灌注混凝土成樁;擠土預(yù)制樁和管柱在成樁的“全過(guò)程中”,通過(guò)重錘擊和強(qiáng)振動(dòng)克服“全樁”的側(cè)摩阻和端阻成樁;沉井依靠其巨大的自重在“整個(gè)”下沉過(guò)程中克服“全部”側(cè)摩阻完成深基礎(chǔ)。由于工程建設(shè)的需要,樁徑和樁長(zhǎng)不斷增大,“樁的整體”日益龐大,現(xiàn)有的成樁手段越來(lái)越力不從心甚至失去生命力。通過(guò)上述分析還可以看出:樁徑3～15m的超大直徑樁,成樁問(wèn)題成為難點(diǎn),而超大直徑樁只有采用空心截面才經(jīng)濟(jì)合理。北京維公工程項(xiàng)目管理有限公司張子良總工程師按照創(chuàng)新、變革的觀點(diǎn),提出“自平衡下沉大直徑管樁及其施工方法”全新的成樁模式,在成樁全過(guò)程中,不再把“樁的整體”作為施工過(guò)程中所克服的對(duì)象,而是將“樁的整體”分解為簡(jiǎn)單的幾個(gè)部分進(jìn)行作業(yè)。在成樁過(guò)程中,注意形成“個(gè)別”和“部分”將“樁的整體”分解為簡(jiǎn)單的幾個(gè)部分(絕大多數(shù)情況下分解為兩個(gè)部分就足以滿足成樁施工要求),在整個(gè)成樁過(guò)程中需要克服的對(duì)象自始至終是“樁的某個(gè)部分”,而且在這個(gè)過(guò)程中其它部分還可以起“幫忙”作用。在管樁沉放到預(yù)定位置時(shí)再將各部分連接為整體,形成完整的樁基礎(chǔ)。管樁頂設(shè)接枝式千斤頂自平衡下沉大直徑管樁施工技術(shù)是采用全斷面除土和改進(jìn)的頂拉工藝,將管樁沉放到預(yù)定深度。具體作法是:將管樁分節(jié)預(yù)制,管樁各節(jié)節(jié)間設(shè)中斷間,安裝頂壓千斤頂,管壁預(yù)留孔道,穿入拉桿通過(guò)管樁頂設(shè)置的穿心式千斤頂將管樁各節(jié)聯(lián)接為一體(圖1a)。利用上節(jié)管樁與土體間摩阻和自重作支撐頂壓下節(jié)管樁下沉,然后利用下節(jié)管樁摩阻和自重,拉上節(jié)管樁跟進(jìn),管樁各節(jié)互為支撐,交替頂壓下沉,利用自身摩阻和自重實(shí)現(xiàn)自平衡下沉。管樁下沉至預(yù)定深度后封底,張緊、錨固拉桿,封閉中繼間,澆筑頂板,使管樁連接為整體(圖1b)。管樁大直徑下直徑管樁優(yōu)勢(shì)從樁的形態(tài)來(lái)看,打破傳統(tǒng)成樁模式的束縛,實(shí)現(xiàn)新的成樁方式。解決了大直徑、薄壁、空心樁的成樁問(wèn)題。自平衡下沉大直徑管樁為非擠土靜壓樁,適宜樁徑3～15m,樁長(zhǎng)可大于100m,壁厚可選用1/20樁徑。在橋梁基礎(chǔ)中,采用樁柱合一的結(jié)構(gòu)形式,不設(shè)承臺(tái)。從樁的承載能力來(lái)看,可大大提高豎向單樁承載力,合理利用地基持力層,有效減小樁長(zhǎng)。樁徑大,樁底無(wú)沉渣,如有必要可擴(kuò)底以增大端承面積,充分利用端阻,單樁承載力可達(dá)20萬(wàn)kN以上,為樁柱合一,取消承臺(tái),簡(jiǎn)化基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)創(chuàng)造條件;樁的抗彎、抗推、抗扭剛度大,可充分利用土的彈性阻抗。大直徑環(huán)形截面,抗水平作用和扭矩能力強(qiáng)。從樁型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來(lái)看,單柱單樁排除群樁承臺(tái)各樁受力不均,甚至出現(xiàn)部分樁出現(xiàn)受拉的問(wèn)題;維護(hù)結(jié)構(gòu)與受力結(jié)構(gòu)合一,可應(yīng)用于50m以上水深的基礎(chǔ)工程。從施工角度來(lái)看,該大直徑管樁正常使用時(shí)的受力結(jié)構(gòu)同時(shí)也是施工時(shí)的維護(hù)結(jié)構(gòu),施工過(guò)程安全可靠,不存在安全隱患;該大直徑管樁施工方法簡(jiǎn)便,易于推廣。施工全過(guò)程采用機(jī)械化施工,但主要是千斤頂及油泵等簡(jiǎn)單機(jī)械,費(fèi)用低廉,易于運(yùn)輸,維修簡(jiǎn)單,耗能低,減少對(duì)大型成樁設(shè)備的依賴,從而加快施工進(jìn)度。在水中施工時(shí)可預(yù)拼浮運(yùn),取消鋼護(hù)筒、鋼套箱和鋼圍堰,無(wú)需泥漿護(hù)壁。管樁采用先預(yù)制后下沉的方法,妥善地解決鉆孔樁空心成樁的難題。此外,管樁因采用臨時(shí)支護(hù)與永久結(jié)構(gòu)合一,下沉過(guò)程可徹底排除臨時(shí)支護(hù)垮坍,坍孔的施工風(fēng)險(xiǎn),施工安全有可靠保障。管樁大直徑管樁優(yōu)勢(shì)與鉆、挖孔灌注樁相比,該大直徑管樁徹底打破大直徑鉆孔灌注樁不易成孔的困境,克服鉆孔灌注樁無(wú)法有效利用樁端阻力及樁身混凝土質(zhì)量不易保障等難題;徹底消除挖孔樁施工中的安全隱患。與打入式樁和管柱相比,該大直徑管樁可解決打入式樁和管柱因受設(shè)備能力和工程地質(zhì)制約而樁徑和樁長(zhǎng)無(wú)法加大的問(wèn)題,消除該類樁的高耗能、重錘擊與強(qiáng)震動(dòng)的弊端。與沉井相比,該大直徑管樁實(shí)現(xiàn)自平衡下沉,可克服由于沉井只能依靠自重自由下沉,壁厚受自重制約無(wú)法減少,使得小型薄壁沉井難以實(shí)現(xiàn)的不足。自平衡下沉屬于強(qiáng)迫下沉,施工下沉過(guò)程更容易控制。管樁下沉不受自重制約,管壁厚度取決于結(jié)構(gòu)受力和構(gòu)造要求,這種環(huán)形截面偏心受壓構(gòu)件,可充分利用高強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度,壁厚可做到外徑的1/20左右,較多地減少壁厚,并為水中浮運(yùn)創(chuàng)造出條件。該大直徑管樁成樁過(guò)程中,混凝土為現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制,可以使用高強(qiáng)混凝土,鋼筋工程和混凝土工程易于檢查,質(zhì)量有可靠保證。自平衡下沉大直徑管樁的施工過(guò)程符合現(xiàn)代環(huán)保理念。成樁過(guò)程無(wú)需泥漿護(hù)壁,施工現(xiàn)場(chǎng)不設(shè)泥漿池,從根本上解決了泥漿對(duì)環(huán)境的污染。成樁設(shè)備簡(jiǎn)單,主要是千斤頂和油泵系統(tǒng),施工噪音很低,消除了傳統(tǒng)成樁設(shè)備由于重錘擊、強(qiáng)震動(dòng)、高功率造成的噪聲污染。在獲得相同承載能力的前提下,較傳統(tǒng)樁基類型混凝土和鋼筋用量大大降低,并且不采用大型的高耗能成樁設(shè)備,從而大大降低能源的消耗。由上可知,自平衡下沉大直徑管樁是具有低能耗、無(wú)噪聲、無(wú)震動(dòng)、薄壁特點(diǎn)的新樁型。自平衡下沉大直徑管樁的設(shè)計(jì)和施工完全可按現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行,利用成熟施工方法和工藝。深水基礎(chǔ)施工自平衡下沉大直徑管樁可在無(wú)水地層、含水地層和深水條