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        公路橋梁的鉆孔灌注樁設(shè)計與施工技術(shù)研究

        2022-08-15 07:45:58劉志成
        交通世界 2022年21期
        關(guān)鍵詞:清孔護(hù)筒樁基礎(chǔ)

        劉志成

        (衡陽公路橋梁建設(shè)有限公司,湖南 衡陽 421200)

        0 引言

        隨著公路工程數(shù)量的不斷增加,國民經(jīng)濟(jì)水平得到顯著提升。作為公路橋梁的常用施工技術(shù),鉆孔灌注樁適用于各種土質(zhì)條件,可以根據(jù)工程需求制作長度、直徑均符合要求的樁體結(jié)構(gòu),增強(qiáng)地基承載力,保證公路橋梁的施工質(zhì)量。以下結(jié)合工程實例對鉆孔灌注樁設(shè)計和施工技術(shù)進(jìn)行深入探討。

        1 公路橋梁工程概況

        1.1 工程案例

        某高速公路位于山嶺重丘區(qū),地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜;屬于北亞熱帶氣候,年平均氣溫13.7℃,年平均降水量1 120mm。主要技術(shù)參數(shù):路基寬度為12.75m,行車道寬度為3.75m,設(shè)計時速為80km/h。沿線共有10座橋梁,包括特大橋1 座、大橋1 座、中橋2 座、匝道橋6座;主橋位于直線段,采用連續(xù)剛構(gòu);引橋位于城口互通立交,采用40m、30m 預(yù)制T 梁結(jié)構(gòu)。橋臺為重力式U形(肋板式)橋臺、擴(kuò)大(樁)基礎(chǔ),橋墩為柱式墩、空心墩、樁基礎(chǔ)。全橋共有247根樁基,樁長為20~30m不等。

        1.2 施工特點(diǎn)

        (1)本合同段沿線地形陡峭,便道修建難度大且成本高,與既有道路交叉較多,干擾較大,施工中安全風(fēng)險較大。

        (2)井字頭大橋巖質(zhì)較硬,機(jī)械成孔速度慢,影響主橋施工工期。開州岸地形陡峭,引橋基礎(chǔ)及下構(gòu)施工難度大且風(fēng)險較高。

        (3)T 梁預(yù)制場位于井字頭大橋引橋第13—18 跨,需要等其余結(jié)構(gòu)T梁架設(shè)完成后,才能進(jìn)行該位置下構(gòu)及上構(gòu)的安裝工作,施工工期較長。

        (4)預(yù)制鋼箱梁運(yùn)輸受施工范圍內(nèi)便道通行條件影響,運(yùn)輸難度大且風(fēng)險高;單次最大吊裝重量約80t,吊裝難度大。結(jié)合現(xiàn)場條件和工程概況,橋梁樁基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁施工方案。

        2 公路橋梁的鉆孔灌注樁設(shè)計

        鉆孔灌注樁施工中,存在影響其性能的因素,其關(guān)系較為復(fù)雜。所以,應(yīng)結(jié)合工程的實際情況和特點(diǎn),對鉆孔灌注樁進(jìn)行科學(xué)設(shè)計,這樣既能保證設(shè)計方案的合理性,又能為后續(xù)的順利施工提供保障。具體步驟如下:

        2.1 地質(zhì)處理

        為保證設(shè)計方案的合理性,首要任務(wù)是了解施工現(xiàn)場的實際情況,逐樁進(jìn)行勘察,或由施工單位超前鉆探,掌握工程所在地的地質(zhì)情況。如;喀斯特地區(qū),樁長設(shè)計視地質(zhì)情況而定,若基巖厚度在5m 以內(nèi),或小于3倍樁徑,應(yīng)將樁端經(jīng)溶洞進(jìn)入下層基巖[1]。同時,端承樁入巖的深度不能過淺,也不能過深,優(yōu)先保證基巖頂板的厚度,嵌巖的最小深度以0.5m 為宜。若溶洞地板跨度大于5d,應(yīng)分析巖土數(shù)值,注意不能按照一般的構(gòu)造處理。

        2.2 選擇樁型和持力層

        樁基礎(chǔ)根據(jù)不同的受力條件,分為端承樁、摩擦樁等,不同樁基的適用條件、受力特性也存在差異。樁基礎(chǔ)選擇期間,應(yīng)對上部結(jié)構(gòu)荷載進(jìn)行考慮,根據(jù)樁基范圍內(nèi)的施工條件、地質(zhì)狀況等初步制定樁長、樁徑等參數(shù),從經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等方面比對樁基方案,從中選出合適、經(jīng)濟(jì)的樁型。

        持力層決定著樁基礎(chǔ)的承載力,選擇期間應(yīng)注意變形和沉降量應(yīng)滿足相關(guān)規(guī)范要求,盡量選擇堅硬土層,從而減小樁基沉降,提高承載力;若施工現(xiàn)場沒有堅硬的土層,應(yīng)選擇壓縮性能低的土層。

        2.3 計算樁基極限承載力

        在對樁基礎(chǔ)承載力進(jìn)行計算時,通常只計算樁底的壓力,不計算嵌巖段的摩擦阻力,只將其作為安全系數(shù)的儲備。在設(shè)計樁基安全系數(shù)時,應(yīng)充分考慮裂隙發(fā)育、巖體均勻度等要素,一般取2.5~3.0,其中裂隙發(fā)育好的中強(qiáng)風(fēng)化巖體取最大值,裂隙少且堅硬的巖體取最小值。

        2.4 明確樁基數(shù)量和樁長

        (1)明確樁基數(shù)量

        參照承載力的計算結(jié)果,初步估算樁基數(shù)量,計算公式見式(1):

        式中:F為樁基豎向力(kN);G為承臺及承臺以上土的重力(kN);R為單樁承載力(kN)。

        若樁基礎(chǔ)處于受壓狀態(tài),荷載合力與截面形心的作用點(diǎn)重合,可以參照該公式初步擬定樁基根數(shù),然后再驗算樁基受力。若荷載合力、截面形心的作用點(diǎn)差距較大,可適當(dāng)增加樁基數(shù)量,一般為10%~20%。

        (2)明確有效樁長

        豎向荷載下,樁基礎(chǔ)產(chǎn)生兩種沉降,即為相對位移和樁土壓縮。荷載向下傳遞時,當(dāng)單樁的極限承載力達(dá)到某值后,將不再上升,這個樁身的長度就是有效樁長。當(dāng)灌注樁的樁長達(dá)到一定深度后,樁長不斷增加,但承載力不會提升,而是隨著樁長的增加使樁側(cè)摩阻力持續(xù)遞減,使其在某個深度看似為0。樁基滿足樁長要求后,樁身變形也不會因樁長的增加持續(xù)降低[2]。以靜力平衡條件對樁身單元(微小)進(jìn)行分析,獲得荷載作用下的彈性壓縮。鉆孔灌注樁樁頂沉降包括樁端沉降、樁身壓縮兩個部分。

        3 公路橋梁的鉆孔灌注樁施工技術(shù)

        公路橋梁樁基施工是保證工程進(jìn)度、施工水平的關(guān)鍵,復(fù)雜的地質(zhì)情況下,樁基成孔困難,承載力、穩(wěn)定性也無法保證,必須嚴(yán)格把控鉆孔灌注樁的施工過程。

        3.1 工藝流程

        鉆孔灌注樁施工工藝流程見圖2。

        圖2 鉆孔灌注樁施工工藝流程

        3.2 護(hù)筒埋設(shè)

        鉆孔前,為保證機(jī)械設(shè)備垂直鉆進(jìn),避免塌孔情況的出現(xiàn),應(yīng)提前埋設(shè)護(hù)筒。護(hù)筒埋設(shè)過程中,先用挖機(jī)挖好護(hù)筒坑,采用旋挖機(jī)鉆孔,結(jié)合樁位所在地的水文、地質(zhì)等情況,明確護(hù)筒的長度[3]。護(hù)筒頂部應(yīng)略高,保證內(nèi)部泥漿面高出孔外水位線。具體施工中,護(hù)筒埋深3.0m,銅護(hù)筒8mm,必要時在埋設(shè)護(hù)筒的位置挖出部分軟土,將挖出的軟土用于護(hù)筒四周的填充并夯實。施工過程中應(yīng)嚴(yán)格控制護(hù)筒的埋設(shè)誤差,一般不超過5cm。拆除護(hù)筒時,應(yīng)確保灌注樁混凝土的強(qiáng)度達(dá)標(biāo)。

        3.3 泥漿制備

        鉆孔灌注樁施工過程中,通常會過度依賴泥漿。因此,應(yīng)提高對泥漿制備的關(guān)注度。結(jié)合工程的實際情況,科學(xué)配置泥漿,嚴(yán)格監(jiān)控泥漿質(zhì)量,提高泥漿的性能。重視對地質(zhì)情況的踏勘,選擇科學(xué)、合理的制備方法,保證泥漿稠度符合要求。泥漿制備過程中,優(yōu)質(zhì)黏土的塑性指數(shù)為25,粒徑小于0.074mm,黏土含量大于50%。泥漿指標(biāo)應(yīng)滿足:黏土層黏度16~22Pa·s,黏土層比重 1.05~1.2,pH 值 8~10,砂層黏度 19~25s,含砂量4%~8%,膠體率大于96%。此外,為保護(hù)周圍環(huán)境,避免泥漿污染,應(yīng)在鉆井作業(yè)中合理處理廢棄泥漿,隨時將其運(yùn)至廢棄區(qū)域。

        3.4 鉆孔和清孔

        3.4.1 鉆孔

        鉆孔作業(yè)前,做好相關(guān)的準(zhǔn)備工作,如確定鉆孔位置,準(zhǔn)備鉆孔設(shè)備等。同時,做好試鉆處理,結(jié)合區(qū)域的實際情況,優(yōu)化調(diào)整相關(guān)器具和參數(shù)。借助試鉆的方式,獲得成孔參數(shù),如設(shè)備的運(yùn)行情況、孔底沉渣量、孔壁穩(wěn)定性等,為鉆孔施工提供可靠依據(jù)。試成孔結(jié)束后,結(jié)合參數(shù)繪制檢測(孔徑)曲線,以判斷地層參數(shù)。

        該工程鉆孔深度較深,實際施工易受地質(zhì)變化的情況影響??刹捎玫妆P穩(wěn)固設(shè)備進(jìn)行鉆孔,如回旋鉆機(jī)。鉆孔操作中,注意鉆進(jìn)垂直度,防止成孔出現(xiàn)偏斜。如鉆進(jìn)施工遇到堅硬的巖石,可用黏土對表層進(jìn)行填平處理;如鉆孔處地質(zhì)條件相對較差,可采用添加清水鉆進(jìn)的方式,借助自然造漿對護(hù)壁進(jìn)行處理,或用紅黏土護(hù)壁,使泥漿密度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求,即1.3t/m3。實際鉆孔中,結(jié)合土層情況適當(dāng)施加壓力,逐漸恢復(fù)正常壓力;注意控制鉆進(jìn)速度,根據(jù)鉆頭的性質(zhì)明確轉(zhuǎn)速,如鋼粒鉆頭100r/min,合金鉆頭180r/min。

        3.4.2 清孔

        鉆孔結(jié)束后清孔,防止孔內(nèi)沉渣影響樁基承載力。清孔操作的目的是增強(qiáng)泥漿的流動性,促使內(nèi)部砂礫、巖粒懸浮,以便帶出內(nèi)部沉渣,實現(xiàn)清孔的目標(biāo)。在對沉渣厚度進(jìn)行檢測時,可使用電阻、超聲波等方法。當(dāng)前常用的清孔方法有氣舉反循環(huán)、泵吸反循環(huán)和正循環(huán)清孔,相比于前兩種方法,正循環(huán)清孔的施工成本最低,加之旋挖樁清孔無法一次完成,需要進(jìn)行二次清孔,而且第一次清孔對沉渣厚度也沒有太高的要求[4]。二次清孔時,泥漿比重不斷降低,可控制為1.1~12。此外,確保沉渣厚度為100mm左右。使用的導(dǎo)管,盡量選擇無縫鋼管,厚度3mm,直徑300mm。多數(shù)情況下,清孔結(jié)束后的泥漿指標(biāo)不能過高,如黏度16~20s,含砂率3%,待各項指標(biāo)均符合設(shè)計要求后,再進(jìn)行下一步操作。

        3.5 制作和吊放鋼筋籠

        3.5.1 鋼筋籠制作

        鋼筋籠制作前,應(yīng)對鋼材質(zhì)量進(jìn)行檢測,按設(shè)計要求對鋼筋的長度、直徑、數(shù)量等參數(shù)進(jìn)行檢測。若鋼筋直徑在1.2m 以內(nèi),可使用灌注樁的方式進(jìn)行施工。對于直徑、長度均比較大的鋼筋籠,可在主筋內(nèi)側(cè)增加加強(qiáng)筋。為方便鋼筋籠的吊放施工,可以分兩節(jié)制作,四側(cè)主筋間隔不少于5m,設(shè)置耳環(huán)。為確保主筋數(shù)量達(dá)標(biāo),可按照式(1)計算:

        式中:N1為搭頭的數(shù)量;N2為樁數(shù);N3為每米鋼筋的重量;L為鋼筋長度;g為鋼筋直徑。

        鋼筋籠的制作允許有偏差,但偏差不能超過規(guī)定值:主筋間距±10mm,鋼筋直徑±10mm,箍筋直徑±20mm,鋼筋籠總長±100mm,保護(hù)層厚度±10mm。

        橋梁工程的鋼筋籠使用機(jī)械連接法進(jìn)行拼裝,對于這種鋼筋籠,為保證質(zhì)量和性能,可在臺架上制作,精準(zhǔn)定位。拼裝鄰近節(jié)段的鋼筋籠時,以骨架為加工模具,在主筋上標(biāo)記,確保鋼筋精準(zhǔn)對接。若鋼筋籠制作過程中,鋼筋端部不夠平整,會在預(yù)拼裝時出現(xiàn)間隙偏差,影響連接套筒的尺寸。為防止各種問題的出現(xiàn),可以在制作直螺紋套筒時,適當(dāng)延長外部長度,最大不能超過8mm,從而保證鋼筋的連接質(zhì)量。

        3.5.2 鋼筋籠吊放

        鋼筋籠吊放過程中,應(yīng)平穩(wěn)、緩慢吊放,嚴(yán)格控制下放垂直度和速度,避免下放擺動損壞孔壁。為保證鋼筋籠順利下放,應(yīng)在正式下放前清理孔洞,在周圍放置墊塊,方便保護(hù)孔壁;調(diào)整鋼筋籠的數(shù)量、距離,采用加固措施進(jìn)行加固,增強(qiáng)鋼筋籠的穩(wěn)定性。若灌注樁樁徑較大,為防止下放鋼筋籠時破壞孔壁,可使用主筋下端內(nèi)彎的方式,保證下放效果;若鋼筋籠下放難度大,應(yīng)及時找尋原因,進(jìn)行針對性處理,符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)后再下放。

        3.6 混凝土澆筑

        二次清孔結(jié)束,沉渣厚度達(dá)標(biāo)后,進(jìn)行混凝土的澆筑施工。結(jié)合施工要求,使用C30混凝土。正式澆筑前,安排專人對坍落度進(jìn)行測量,將其控制在180~220mm;確??變?nèi)管道、孔底間距符合施工標(biāo)準(zhǔn)要求,一般不超過30cm;觀察壓力平衡閥的參數(shù),對混凝土的需求量進(jìn)行簡單預(yù)測[5];第一批灌注的混凝土,應(yīng)保證導(dǎo)管埋設(shè)深度大于0.8m,使用導(dǎo)管之前,應(yīng)提前拼裝,同時進(jìn)行水密試驗;將預(yù)先均勻攪拌的混凝土放入料斗,剪開鋼絲,在混凝土中埋入防水螺栓;做好導(dǎo)管的提升處理,防止埋管或卡管;控制混凝土的灌注速度,保障成樁質(zhì)量。

        4 結(jié)語

        在公路橋梁施工中運(yùn)用鉆孔灌注樁施工技術(shù),可以保證施工質(zhì)量和公路橋梁的使用壽命。本文結(jié)合某項目工程分析了鉆孔灌注樁的設(shè)計方法及施工技術(shù)要點(diǎn),鉆孔灌注樁施工難度大,要保證樁基承載力,必須從護(hù)筒埋設(shè)、泥漿制備、鉆孔和清孔等方面把控施工質(zhì)量。此外,施工企業(yè)要了解原材料的采購標(biāo)準(zhǔn),定期檢查、維修施工設(shè)備,并組織相關(guān)人員參與培訓(xùn),從而充分發(fā)揮鉆孔灌注樁施工的技術(shù)優(yōu)勢。

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