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（華東交通高校土建學院 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，來滿意我國橋梁建設(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)目標改革開放以來，隨著國民經(jīng)濟持續(xù)高漲，我國馬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)，而和其相關(guān)的基礎(chǔ)工程卻始終改變不多，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，承臺水下施工困難，不但工期長、造價

2、高，最令建設(shè)者“頭痛”的是常受到洪水影響和威逼。因此在百米跨徑以內(nèi)橋梁實現(xiàn)“無承臺”是基礎(chǔ)工程師的幻想。 2樁徑新紀錄在我校巖土探討生教學和探討工作中發(fā)覺：聞名“國家級有突出貢獻科技專家”上官興教授早在上世紀九十年頭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”、“2×50m斜拉橋”、“2×100m鋼管砼中承拱”、“120m頂推系桿拱”和“4×52m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)建了6m沉挖空心樁、4m鉆埋空心樁和5.6m變截面鉆孔樁等超大樁徑記錄，其技術(shù)水平已居國際前列。 3“

3、組合樁”名稱在橋涵施工手冊中定義直徑大于2.5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)工程中經(jīng)常將上述幾種基礎(chǔ)型式進行組合運用，稱為“橋梁組合工程樁”。綜合以上兩方面狀況，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的組合樁狀況（樁徑以出河床面的直徑為準）。在圖1中列舉了有關(guān)圖片。本文系探討生畢業(yè)論文，它簡介“超大直徑橋梁組合工程樁”實踐狀況，供年

4、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1A 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25.6/3.5/3m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3/2.5/2m單排無承臺表

5、1B 超大直徑挖孔樁、沉挖空心樁橋名上部橋墩、基礎(chǔ)說明1挖孔樁張家界鷺鷥?yōu)炒髽?8m石砌板肋拱5.1/5m單排無承臺南昌八一大橋（北）160m斜拉橋4.5/4m單排無承臺湘潭湘江二橋90m連續(xù)梁7/3.5m單排無承臺長沙湘江南大橋50m頂推連續(xù)梁3.5/2.8/1.8m單排無承臺2沉挖空心樁瀏陽天馬大橋70m連續(xù)梁8/6/4.5/2.5m單排無承臺洞口大橋42.5m石砌板肋拱6.5 /8/5/4m單排無承臺桃源沅水大橋100m鋼管中承拱6/7.5/4m單排無承臺里耶酋水大橋53m雙曲拱5/6/3m獨樁 桃源沅水大橋59m箱肋拱4.5/5/2.5m單排無承臺張家界觀音大橋52m石砌板肋拱3.5/

6、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1C 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（5.6/3.5/3m鉆孔樁）b常德石龜山橋（5/4m鉆埋空心樁） 30+55+3×80+55+30=410m懸拼連續(xù)梁 c桃源沅水大橋 2×100m鋼管砼拱 d張家界鷺鷥?yōu)炒髽?（64m沉挖空心樁） 6×48

7、m石砌板肋拱（5m挖孔樁）圖1. 超大直徑橋梁組合工程樁圖片（二）變截面超大直徑鉆孔樁 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。粵湘公司以2×160m獨塔斜拉橋和21×50m頂推連續(xù)梁方案中標。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船泊碰撞力為限制的狀況下，主墩設(shè)計為242.5m鉆孔灌注樁，樁長5572m。50m頂推梁橋墩設(shè)計為61.5m鉆孔樁，上設(shè)承臺。1）變截面樁產(chǎn)生：用160t振動錘施打3m鋼護筒入土14m，考慮沖刷后仍有8m的細

8、沙復蓋層。假如考慮鋼護筒的共同作用，則18（3/2.5m）樁和242.5m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（140MPa）狀況下，又可將2.5m嵌巖樁徑削減到2m。這樣就形成了一根直徑（32.52m）的變截面、大直徑鉆孔灌注樁。這種新構(gòu)思為主墩基礎(chǔ)工程削減了6根長樁，節(jié)約費用高達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)計沒有照實考慮鋼護筒作用的緣由所在。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)計院的細心設(shè)計和湖南路橋

9、一公司的細心施工，僅用五個月時間成功完成。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6×50+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，廣東馬路設(shè)計院郭范圍高工將有承臺的61.5m鈷孔樁修改為2（3/2.5/2m）變截面、無承臺、單排雙樁雙柱墩。由于取消了承臺，給施工帶來極大的便利，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，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)的威力是不行阻擋的。廣東九江大橋50m橋跨無承臺變截面樁新結(jié)

10、構(gòu)的產(chǎn)生，給保守的樁基礎(chǔ)設(shè)計帶來了巨大的沖擊。88-92年間在湖南省十多座大橋，施工單位都劇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)計院趙國強高工剛好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（5m/3.5m），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，安徽銅陵長江大橋剛好修改設(shè)計，又創(chuàng)鉆孔樁徑（4.6/4/2.8m）新記錄。由于種種緣由，除湖南省外國內(nèi)很少推廣考慮

11、鋼護筒參和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，才正式采納變截面樁（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相互結(jié)合，創(chuàng)建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120m中承拱主墩設(shè)計的變截面樁徑為(5.6/3.5/3m)，創(chuàng)

12、中國鉆孔樁之最（如圖2），又將湘潭二橋90m單排樁記錄推動了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)計大膽地將兩樁間全部的橫向聯(lián)系都取消，形成獨樁獨柱新結(jié)構(gòu)。2004年，它經(jīng)受了百年一遇的洪水考驗，安穩(wěn)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船泊碰撞為限制的橋墩都有非常重要的意義，這是值得橋梁基礎(chǔ)工程師特殊關(guān)注的。圖2 5.6/3.

13、5/3m變截面鉆孔樁（三）鉆埋預應力空心樁（墩） 1成果推廣1）來由：湖南省交通廳在擔當交通部“八五”行業(yè)聯(lián)合科技攻關(guān)項目洞庭湖區(qū)橋梁建設(shè)新技術(shù)的開發(fā)探討的課題探討中，由于洞庭湖區(qū)湖河岔交織、地基懦弱、缺乏砂石材料，修路不易建橋更難。針對這一特點，課題組在學習河南省馬路局和交通部馬路科研所“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、大直徑鉆埋預應力空心樁柱”技術(shù)。湖南省馬路設(shè)計公司主動推廣發(fā)展已通過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，取得了削減水下30體積的顯著效果。其中常德

14、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（5/4m）紀錄，為世界之最（如圖3）。圖3 5/4m鉆埋空心樁 2）特點：“無承臺大直徑鉆埋預應力空心樁柱”具有結(jié)構(gòu)新奇、受力合理、節(jié)約材料和實現(xiàn)裝配化施工的特點。在百米橋跨中運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)狀況中推廣應用，將會產(chǎn)生非常巨大的經(jīng)濟效益。 2施工技術(shù) “無承臺大直徑鉆埋預應力空心樁柱”是一種全新的樁基施工技術(shù)，它集當今國際、國內(nèi)樁基先進技術(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

15、沉入樁沉不下去或沉樁偏差過大的質(zhì)量事故；2）樁身采納預制?？招臉豆?jié)分段豎拼、分段設(shè)置預應力和分段吊裝入孔成樁。由于基樁的預制和鉆孔可平行作業(yè)，故可實現(xiàn)工廠化施工，并為樁基采納高強度砼開拓了道路；3）樁節(jié)拼接。采納環(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實力的需求，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，樁底二次壓漿既可處理樁底沉淀，又可使樁底土得到預壓密實和加固作用，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

16、是理論探討跟不上，質(zhì)檢站按中國規(guī)范的小直徑樁極限沉降量=4m，來作為4空心樁的允許沉降量，發(fā)出樁要破壞的信號，使高層領(lǐng)導惶恐擔心。如今引進了德國和美國橋規(guī)，大家最終知道了樁允許沉降量和樁直徑D成正比（為1%D），就是說4空心樁在施工過程中沉降4m，和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=1/20=5%，和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)導誣告石龜山橋僅有一根4m鉆埋空心樁，結(jié)果計算

17、事故率是100%。非常缺憾這種常識性的錯誤得不到剛好更正，最終將“鉆埋空心樁”這朵艷麗科技之花安葬了十年。3）2005年西安馬路高校馮忠居博士論文大直徑鉆埋預應力砼空心樁獲得國務院交通部資助，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，許多創(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應力空心樁柱”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)新奇、受力合理、節(jié)約材料和實現(xiàn)裝配化施工的特點，經(jīng)濟效益非常顯著。鉆埋空心樁的出現(xiàn)最終克服了鉆

18、孔灌注樁尖軟墊層以及柱身砼質(zhì)量難于限制的兩大難題。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：在懦弱地層的“無承臺鉆埋大直徑空心樁柱”探討成功之后，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（4×52m石砌板肋拱）工程的施工實踐中獲得成功。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；抽干水人工在風化巖中開挖2.5m挖

19、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)合的方法特殊適用山區(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)約大量砼體積；以人工開挖為主，不需大型設(shè)備，因此在地方馬路工程具有重要的現(xiàn)實意義。3桃源大橋發(fā)展：1995年湖南省馬路設(shè)計公司剛好將觀音大橋所創(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箱肋拱中采納二根分別式（4.52.5m）無承臺變截面沉挖空心樁（墩）；在2×l00m鋼管砼拱中采納二根分別式（64m）

20、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個分別式沉挖樁同時開工，僅用一年時間就提前完成了全部下部構(gòu)造，鉆孔和樁基方案相比較節(jié)約了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)建了百米拱橋無承臺的新紀錄。4推廣：“沉挖空心樁”的誕生解決了地方馬路橋梁水下基礎(chǔ)工程中缺乏大型鉆機設(shè)備的困難，填補了砂卵石地基上大直徑空心樁柱的空白，因此快速得到推廣。僅湖南省內(nèi)推廣六座大橋，共計73根長1051m。圖4 64m沉挖空心樁（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

21、般都沒有考慮施工鋼護筒的共同作用，經(jīng)常按等截面計算事實上是一種奢侈。盡管變截面樁己經(jīng)起先在一些橋梁工程中運用，但總體上一般性理論探討相對缺乏。因此變截面組合樁的水平承載力計算以及按沉降量確定允許承載力不僅是樁基理論自身發(fā)展的須要，更是工程界的迫切要求。 1豎直承載力1）單樁豎直承載力由土對樁的支承實力、樁身材料強度以及上部結(jié)構(gòu)所容許的樁頂沉降量三方面限制。一般單樁承載力的理論探討已有不少方法，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平安系數(shù)來確定，承載力（N）和沉降量（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探討工作，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（-y）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)，從工程師所熟識的方法入手，歸納提出一系列的簡明計算公式，再引入不同的閱歷系數(shù)使理論計算沉降曲線非常接近實測值，精度能夠達到工程的須要(如圖5)。該方法的探討特點是首次反映了鉆孔泥漿工藝水平對垂直承載力的影響。 圖5 鉆孔樁-y沉降曲線圖4 桃源沅水大橋橋墩水平力試驗