超大直徑橋梁組合工程樁

1、超大直徑橋梁組合工程樁蔣偉 刁心宏（華東交通大學(xué)土建學(xué)院 江西南昌）摘 要 ：不同結(jié)構(gòu)的組合設(shè)計是一門新技術(shù)， 也是結(jié)構(gòu)優(yōu)化發(fā)展的方向。 本文綜述幾種不同 基礎(chǔ)型式有效組合形成的超大直徑橋梁組合樁，來滿足我國橋梁建設(shè)蓬勃發(fā)展的形勢需求。 關(guān)鍵詞 ：無承臺 變截面 超大直徑組合式樁（一）橋梁組合工程樁的發(fā)展1基礎(chǔ)目標(biāo)改革開放以來，隨著國民經(jīng)濟持續(xù)高漲，我國公路橋梁工程也得到了突飛猛進的發(fā)展。 跨徑愈來愈大， 上部結(jié)構(gòu)型式千姿百態(tài)， 而與其相關(guān)的基礎(chǔ)工程卻一直變化不多， 缺乏原創(chuàng) 技術(shù)。 橋梁工程師普遍 “重上輕下 ”。設(shè)計為了趕進度常套用圖紙，連中小跨徑的河流中都滿 布承臺。眾所周知，承臺水下施

2、工困難，不但工期長、造價高，最令建設(shè)者 “頭痛 ”的是常受 到洪水影響和威脅。因此在百米跨徑以內(nèi)橋梁實現(xiàn) “無承臺 ”是基礎(chǔ)工程師的夢想。2樁徑新紀(jì)錄在我校巖土研究生教學(xué)和研究工作中發(fā)現(xiàn)：著名 “國家級有突出貢獻科技專家 ”上官興教授早在上世紀(jì)九十年代就已提出一套完整的 “變截面、 無承臺、 大直徑組合樁技術(shù) ”，文 獻1。在他主持的工程中，先后在90m連續(xù)梁” “ 2 X 5斜拉橋”、“ 2 X 10鋼管砼中承拱”、 “120m頂推系桿拱”和“4X 52石拱橋”等不同橋型的樁基設(shè)計中，均實現(xiàn)了無承臺”相繼創(chuàng)造了6m沉挖空心樁、4m鉆埋空心樁和 56m變截面鉆孔樁等超大樁徑記錄，其技 術(shù)水平已

3、居國際前列。3“組合 樁”名稱在橋涵施工手冊中定義直徑大于2.5 m的樁稱為大直徑樁。但要實現(xiàn)百米跨徑橋梁樁基礎(chǔ)無承臺，樁徑要達到4m,5m ,6m因此本文定義為 超大直徑樁”。通用基礎(chǔ)工程手冊中常將沉井” 挖孔” 鉆孔”和 預(yù)制打入樁”等定義為不同的基礎(chǔ)型式。為了解決所遇不同地質(zhì)土層施工中困難和實現(xiàn)無承臺”在橋梁基礎(chǔ)工程中常常將上述幾種基礎(chǔ)型式進行組合使用，稱為“橋梁組合工程樁”。綜合以上兩方面情況， 我們把上述樁定義為 超大直徑橋梁組合工程樁 ”在表1中列舉了國內(nèi)大于 3m的組合樁情況（樁徑以出河床面的直徑為準(zhǔn)）。在圖1中列舉了有關(guān)圖片。本文系研究生畢業(yè)論文， 它簡介 超大直徑橋梁組合工程

4、樁 ”實踐情況，供年輕一代橋梁 工程師參考，希望他們在自己的工程實踐中進一步發(fā)展和創(chuàng)新。表1.超大直徑橋梁組合工程樁一覽表表1-A 超大直徑變截面鉆孔樁橋名上部基礎(chǔ)說明1韶關(guān)五里亭大橋120m系桿拱2 5.6/ 3.5/ 3m單排無承臺2江西湖口大橋318m雙塔斜拉橋 5.3/ 5/ 3.5m有承臺3湘潭湘江二橋90m連續(xù)梁5/3.5m單排無承臺4銅陵長江大橋423m斜拉橋 4.6/ 4/ 2.8m單排無承臺5武漢天心州大橋504m公鐵兩用斜拉橋4.5/4m有承臺6南昌八一大橋（南）160m斜拉橋4.4/4m有承臺7沅陵沅水大橋85m連續(xù)梁4/3.5m單排無承臺8廣東九江大橋50m頂推連續(xù)梁3

5、/2.5/2m單排無承臺表1-B 超大直徑挖孔樁、沉挖空心樁橋名上部橋墩、基礎(chǔ)說明1張家界鷺鷥?yōu)炒髽?8m石砌板肋拱5.1/5m單排無承臺挖南昌八一大橋（北）160m斜拉橋4.5/4m單排無承臺孔湘潭湘江二橋90m連續(xù)梁7/ c!3.5m單排無承臺樁長沙湘江南大橋50m頂推連續(xù)梁 3.5/ 2.8/ 1.8m單排無承臺2沉瀏陽天馬大橋70m連續(xù)梁8/湃4.5/2.5m單排無承臺洞口大橋42.5m石砌板肋拱 6.5 / 8/ /54m單排無承臺挖桃源沅水大橋100m鋼管中承拱6/7.5/4m單排無承臺空里耶酋水大橋53m雙曲拱5/6/3m獨樁心桃源沅水大橋59m箱肋拱4.5/ 5/ 2.5m單排

6、無承臺樁張豕界觀音大橋52m石砌板肋拱3.5/4.5/ 2.5m單排無承臺廣州鶴洞大橋360m斜拉橋3/4m底擴孔樁）有承臺表1 - C超大直徑鉆埋空心樁橋名上部基礎(chǔ)說明1.翠林橋50m連續(xù)梁3/2.5m單排無承臺2.南華渡大橋50m斜拉橋3/2.5m四柱無承臺3.啞巴渡大橋30m頂推連續(xù)梁4/3m獨樁獨柱4.石龜山大橋80m連續(xù)梁5/4m獨樁獨柱a.韶關(guān)五里亭大橋35+120+35=190m頂推系桿拱主墩 （5.6/3.5/礙樁）b .常德石龜山橋 （5/4鉆埋空心樁）c.桃源沅水大橋 2 X100m鋼管砼拱（6/4m沉挖空心樁）d.張家界鷺鷥?yōu)炒髽?用8m石砌板肋拱（5m挖孔樁）圖1.超大

7、直徑橋梁組合工程樁圖片直徑鉆孔樁（二）變截面超大1. 廣東九江大橋提出1985年，廣東九江大橋?qū)嵭袊鴥?nèi)首次橋梁工程項目（設(shè)計、施工）總承包招標(biāo)。粵湘公司以2 xi60m獨塔斜拉橋和21爲(wèi)Om頂推連續(xù)梁方案中標(biāo)。為降低工程造價，在斜拉 橋主墩基礎(chǔ)中棄用了雙壁鋼圍堰內(nèi)加鉆孔樁的常規(guī)方法，在水深16m中大膽地推出高樁承臺新結(jié)構(gòu)。在以2000t船泊碰撞力為控制的情況下，主墩設(shè)計為242.5n鉆孔灌注樁，樁長5572m。50m頂推梁橋墩設(shè)計為 6 1.5m鉆孔樁，上設(shè)承臺。1） .變截面樁產(chǎn)生：用160t震動錘施打 3m鋼護筒入土 14m，考慮沖刷后仍有 8m的細(xì)沙復(fù)蓋層。如果考慮鋼護筒的共同作用，貝U

8、18 （32.5m樁與242.5r樁抗水平力的效果相等；由于樁尖嵌巖段由于沒有彎矩只有垂直支承力，在充分利用樁尖的花崗巖高強度（140）情況下，又可將 2.5m嵌巖樁徑減少到 2m這樣就形成了一根直徑（ 3/2.5/2n）的變截面、大直徑鉆孔灌注樁。這種新構(gòu)思為主墩基礎(chǔ)工程減少了6根長樁，節(jié)省費用高達120萬元（85年價格）。變截面方案設(shè)計的難點在于橋規(guī)和一般手冊中均沒有不同土層中不同樁徑的水平力作用下內(nèi)力計算方法，這也是長期以來制約設(shè)計沒有如實考慮鋼護筒作用的原因所在。廣東九江大橋通航孔主墩基礎(chǔ)18根變截面大直徑樁，通過湖南交通設(shè)計院的精心設(shè)計和湖南路橋一公司的精心施工，僅用五個月時間勝利完

9、成。開創(chuàng)了國內(nèi)深水高樁承臺樁利用鋼護筒形成變截面樁的先河。2） .無承臺方案提出：九江大橋北岸6 X50+40=340m頂推連續(xù)梁在水中還有六個橋墩。由于工期緊迫 1997年初，在上官興總工倡議下，廣東公路設(shè)計院郭范圍高工將有承臺的61.5m鈷孔樁修改為2 （3/2.5/2變截面、無承臺、單排雙樁雙柱墩。由于取消了承 臺，給施工帶來極大的方便，湖南路橋一公司僅用三個月時問、搶在洪水前完成 12 根變截 面樁任務(wù)，充分顯示了無承臺的優(yōu)越性。這是國內(nèi)首例 50m 橋墩單排無承臺樁基。2湘潭湘江二橋發(fā)展新技術(shù)的威力是不可阻擋的。廣東九江大橋 50m 橋跨無承臺變截面樁新結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生， 給保守的樁基礎(chǔ)設(shè)

10、計帶來了巨大的沖擊。 88-92 年間在湖南省十多座大橋，施工單位都強烈 要求將小直徑群樁修改為無承臺變截面樁。 橋梁工程沒有創(chuàng)新，就沒有進步，也就沒有生 命力。湖南省交通設(shè)計院趙國強高工和時將湘潭湘江二橋水中 12 個橋墩全面修改為無承臺 變截面大直徑樁，在中國鉆孔樁發(fā)展史中寫出了光輝的篇章。湘潭湘江二橋在 90m 橋跨， 20m 橋?qū)捴兴鶎嵤┏晒Φ膯闻艧o承臺變截面大直徑樁（5m3.5m,在92年武漢全國第十次橋梁會議上，被專家譽為中國鉆孔灌注樁發(fā)展的里程碑。在它的推動下，安徽銅陵長江大橋和時修改設(shè)計，又創(chuàng)鉆孔樁徑（4.60442.8尬新記錄。 由于種種原因, 除湖南省外國內(nèi)很少推廣考慮鋼護

11、筒參與作用形成的變截面樁。直到2003年在"蘇通長江大橋”1088m斜拉橋主墩設(shè)計中，才正式采用變截面樁（2.8/2.5m）。創(chuàng)新的技術(shù)為何推廣遲來18年值得深思。3沉井 鉆孔組合樁1）組合： 對于深水大跨徑和巖層深的橋梁可以將沉井、挖孔和鉆孔等幾種工藝因地制 宜地互相結(jié)合, 創(chuàng)造出新的橋梁組合工程樁基。 例如用沉井做大直徑鉆孔樁的護筒來實現(xiàn)無 承臺,這樣既解決了大直徑鋼護筒施打下沉的困難, 又可利用沉井做重型鉆孔機的施工平臺。 當(dāng)沉井內(nèi)挖孔困難時,可改為鉆孔和沖孔,形成沉井 鉆孔組合樁。 2002 年,中交四航設(shè) 計 院 黃 劍 虹 工 程 師 將 韶 關(guān) 五 里 亭 大 橋 12

12、0m 中 承 拱 主 墩 設(shè) 計 的 變 截 面 樁 徑 為 （5.6/3.5/3創(chuàng)1中國鉆孔樁之最 （如圖2）,又將湘潭二橋 90m單排樁記錄推進了 30m。2）施工：上部5.6m砼和鋼沉井系用筑島法和在平臺中沉放。施工至強風(fēng)化巖面（深11m）后，在沉井頂上安裝 3.5m沖擊鉆機。鉆孔樁至微風(fēng)化巖面（深15m），再換鉆頭（3m） 嵌巖深5m,形成組合樁。3）特點：由于沉井在砂礫覆蓋層中的巨大抗推剛度，約束了樁的水平位移，所以設(shè)計2004年，它經(jīng)受了百年大膽地將兩樁間所有的橫向聯(lián)系都取消，形成獨樁獨柱新結(jié)構(gòu)。遇的洪水考驗，安然無恙。這種考慮鋼護筒（沉井）作用的超大直徑橋梁組合工程樁對于拱橋和以

13、船泊碰撞為控制的橋墩都有十分重要的意義，這是值得橋梁基礎(chǔ)工程師特別關(guān)注的。g I-L.I nddQi*'、6PR洞庭湖區(qū)橋地基軟弱、缺乏砂石（三）鉆埋預(yù)應(yīng)力空心樁圖墩）5.6/3.5/3m變截面鉆孔樁1 成果推廣1）來由：湖南省交通廳在承擔(dān)交通部八五”行業(yè)聯(lián)合科技攻關(guān)項目梁建設(shè)新技術(shù)的開發(fā)研究的課題研究中，由于洞庭湖區(qū)湖河岔交錯、材料，修路不易建橋更難。針對這一特點，課題組在學(xué)習(xí)河南省公路局和交通部公路科研所“鉆埋空心樁”新技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合湖南無承臺大直徑樁的特點，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)，改進工藝，提出了更為完善的的 無承臺、大直徑鉆埋預(yù)應(yīng)力空心樁柱”技術(shù)。湖南省公路設(shè)計公司積極推廣發(fā)展已通過

14、交通部鑒定的鉆埋空心樁成果，在短短三年中完成了 84根，總長2293m的大直徑鉆埋空心樁，取得了減少水下30%體積的顯著效果。其中常德石龜山大橋3 >80m連續(xù)梁獨墩獨柱基礎(chǔ)中所實施的鉆埋空心樁樁徑達（5/）紀(jì)錄，為世界之最（如圖3 ）。哽出丄圖35/4m鉆埋空心樁2）特點： 無承臺大直徑鉆埋預(yù)應(yīng)力空心樁柱 "具有結(jié)構(gòu)新穎、受力合理、節(jié)省材料和實現(xiàn)裝配化施工的特點。在百米橋跨中使用可以取消難于施工的承臺砼。如進一步改進在東海大橋和杭州灣大橋的地質(zhì)情況中推廣應(yīng)用，將會產(chǎn)生十分巨大的經(jīng)濟效益。2. 施工技術(shù)無承臺大直徑鉆埋預(yù)應(yīng)力空心樁柱是一種全新的樁基施工技術(shù)，它集當(dāng)今國際、國內(nèi)樁

15、基先進技術(shù)之大成。其特點如下：1) 屬鉆孔埋入施工法。 集鉆孔樁和預(yù)制樁優(yōu)點于一體，既可以有效防止鉆孔樁成樁過 程坍孔而引起基樁質(zhì)量事故，又可解決沉入樁沉不下去或沉樁偏差過大的質(zhì)量事故；2) 樁身采用預(yù)制。 空心樁節(jié)分段豎拼、分段設(shè)置預(yù)應(yīng)力和分段吊裝入孔成樁。由于基 樁的預(yù)制和鉆孔可平行作業(yè)，故可實現(xiàn)工廠化施工，并為樁基采用高強度砼開辟了道路；3) 樁節(jié)拼接。 采用環(huán)氧樹脂膠粘縫方法，速度快、質(zhì)量好，極好地簡化了接頭構(gòu)造；4) 帶底的空心樁。 充分利用水浮力來緩解對吊機起吊能力的需求，在發(fā)展中國家適用 性好；5) 樁周填石壓漿。 使水泥漿在壓力下擠密和滲入周土，大大提高了樁周摩阻力，樁底 二次

16、壓漿既可處理樁底沉淀， 又可使樁底土得到預(yù)壓密實和加固作用， 充分地發(fā)揮樁底土反 力作用。3推有關(guān)問題研討1) 允許沉降量： 超大直徑鉆埋空心樁在研制過程中遇到了重重阻力。首先是理論研究跟不上，質(zhì)檢站按中國規(guī)范的小直徑樁極限沉降量S =4m ,來作為04空心樁的允許沉降量，發(fā)出樁要破壞的信號， 使高層領(lǐng)導(dǎo)惶恐不安。 如今引進了德國和美國橋規(guī)， 大家終于知道了 樁允許沉降量與樁直徑 D成正比(為1),就是說 04空心樁在施工過程中沉降4m，與1鉆孔樁沉降 1cm 同在允許范圍內(nèi)，屬彈性范圍，不會破壞。2) 質(zhì)量事故： 石龜山大橋設(shè)計鉆埋空心樁共有 20 根，除 35#橋墩因施工管理不善連續(xù)出現(xiàn)3

17、次質(zhì)量事故外，其余 19根質(zhì)量完好。鉆孔埋空心樁的事故率n=1/20=5%，與鉆孔樁一樣屬正常范圍。十年過去了， 連續(xù)觀測空心樁沉降早已算定。但極個別管理人員向廳、局 領(lǐng)導(dǎo)誣告石龜山橋僅有一根0 4m 鉆埋空心樁， 結(jié)果計算事故率是 100% 。十分遺憾這種常識 性的錯誤得不到和時更正，終于將“鉆埋空心樁”這朵鮮艷科技之花埋葬了十年。3）2005 年西安公路大學(xué)馮忠居博士論文大直徑鉆埋預(yù)應(yīng)力砼空心樁獲得國務(wù)院交 通部資助，在人民交通出版社橋梁樁基新技術(shù)專著出版文獻 2 。全面系統(tǒng)地闡述了鉆埋空心樁的受力機理，并推倒出樁的強度和承載力計算方法，為它的推廣發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。 科技發(fā)展的歷程說明，

18、很多創(chuàng)新的好東西是先實踐后有理論的。4）具有中國特色的 “無承臺大直徑鉆埋預(yù)應(yīng)力空心樁柱 ”最突出的優(yōu)點是取消了難于施 工的大體積承臺砼體積，它具有結(jié)構(gòu)新穎、受力合理、節(jié)省材料和實現(xiàn)裝配化施工的特點， 經(jīng)濟效益十分顯著。 鉆埋空心樁的出現(xiàn)終于克服了鉆孔灌注樁尖軟墊層以和柱身砼質(zhì)量難 于控制的兩大難題。 它的產(chǎn)生和發(fā)展是我國橋梁基礎(chǔ)工程的重大突破。（四）超大直徑沉挖空心樁1產(chǎn)生 ：在軟弱地層的“無承臺鉆埋大直徑空心樁柱”研究成功之后，為了解決在湖 南省山區(qū)拱橋基礎(chǔ)的困難， 課題組將沉井和挖孔兩種工藝組合， 提出“沉挖空心樁” 新型式。1995年在張家界市觀音大橋（4拓2m石砌板肋拱）工程的施工實

19、踐中獲得成功。具體做法：用筑島法做沉井（刃腳高1m,外徑 4.5m）,然后接高沉井做墩身，外徑3.5m （壁厚0.5m）;水中開挖沉井下沉 6-8m落在風(fēng)化巖面； 以水下壓漿混凝土或旋噴混凝土兩種工藝封閉刃腳達到止水目的； 抽干水人工在風(fēng)化巖中開挖 2.5m挖孔樁（深4-6m）; 用水下混凝土將挖孔樁和沉井刃腳固結(jié)； 沉井內(nèi)不填混凝土, 作為空心墩的組成部分, 這 樣形成一種“沉挖空心樁（墩） ”新結(jié)構(gòu)。2特點： 將沉井和挖孔樁兩種傳統(tǒng)工藝相結(jié)合的方法特別適用山區(qū)砂卵石下含有不透 水粘土的地層。 它施工速度快, 空心結(jié)構(gòu)又能節(jié)省大量砼體積；以人工開挖為主, 不需大型 設(shè)備,因此在地方公路工程具

20、有重要的現(xiàn)實意義。3桃源大橋發(fā)展 ： 1995年湖南省公路設(shè)計公司和時將觀音大橋所創(chuàng)沉挖空心樁（墩）新技術(shù)推廣在桃源沅水大橋（如圖4）。在16）54m箱肋拱中采用二根分離式（42.5m 無承臺變截面沉挖空心樁（墩）；在2 XOOm鋼管砼拱中采用二根分離式（ 6/4m）無承臺變截面沉挖空心樁（墩）。桃源大橋在1000m長跨連拱橋中，19個墩臺38個分離式沉挖樁同時開工，僅用一年時間就提前完成了全部下部構(gòu)造，鉆孔與樁基方案相比較節(jié)省了1000多萬元，充分顯示了具有中國特色的“沉挖空心樁”的巨大生命力。桃源大橋創(chuàng)造了百米拱橋無承臺的新紀(jì)錄。4推廣：“沉挖空心樁”的誕生解決了地方公路橋梁水下基礎(chǔ)工程中

21、缺乏大型鉆機設(shè)11|CU)Mu u1； hC.'：'K.A- MS i因此迅速得到推廣。 僅湖南省內(nèi)推備的困難，填補了砂卵石地基上大直徑空心樁柱的空白, 廣六座大橋，共計 73根長1051m。（五）橋梁組合工程樁承載力計算眾所周知，在深水中進行灌注樁施工， 首先要在施工平臺上施打鋼護筒。以前在橋梁基礎(chǔ)設(shè)計中一般都沒有考慮施工鋼護筒的共同作用，常常按等截面計算實際上是一種浪費。盡管變截面樁己經(jīng)開始在一些橋梁工程中使用，但總體上一般性理論研究相對缺乏。因此變截面組合樁的水平承載力計算以和按沉降量確定允許承載力不僅是樁基理論自身發(fā)展的需要， 更是工程界的迫切要求。1.豎直承載力1）單

22、樁豎直承載力由土對樁的支承能力、樁身材料強度以和上部結(jié)構(gòu)所容許的樁頂沉降量三方面控制。一般單樁承載力的理論研究已有不少方法，例如：荷載傳遞法、彈性理論法、剪切位移法、有限單元法等。但是由于鉆孔樁的施工因素諸多，以致尚沒有公認(rèn)的承載 力（N）沉降量（S）相關(guān)曲線理論計算方法。目前樁基設(shè)計僅僅以極限承載力除安全系 數(shù)來確定，承載力（N）與沉降量（S）關(guān)系仍以荷載試驗來求得。2） 2005年，上官興教授通過十年多對鉆孔樁沉降曲線的研究工作，結(jié)合蘇通大橋17根試樁資料提出了 鉆孔樁荷載沉降曲線（C計算法”文獻3、4。思路是緊緊抓住沉降的 三個階段特性，以30根試樁豐富數(shù)據(jù)為依據(jù)，從工程師所熟悉的方法入手，歸納提出一系 列的簡明計算公式，再引入不同的經(jīng)驗系數(shù)使理論計算沉降曲線十分接近實測值，精度能夠達到工程的需要（如圖5）。該方法的研究特點是首次反映了鉆孔泥漿工藝水平對垂