王 鑫,閆 宇,周生建,佟明利
(1.北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司,北京市 100082;2.中建橋梁有限公司,重慶市 402260;3.秦皇島秦正旅游房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)有限公司,河北秦皇島 066000)
跨海橋梁的基礎(chǔ)選取受地質(zhì)與水文等因素影響較大,而海中基礎(chǔ)施工與河道施工不同,難以采用導(dǎo)改、斷流等常規(guī)的施工方案,因此施工措施的成本很高。選取合適的基礎(chǔ)形式,直接決定了施工是否順利,也對(duì)整個(gè)工程造價(jià)有著較大的影響。我國(guó)近海區(qū)域地層覆蓋層多為砂層,在這樣的地層中如何考慮橋梁基礎(chǔ)形式,是本文需要研究探討的問(wèn)題。
海螺島位于秦皇島市金夢(mèng)海灣南側(cè)、湯河入??谔幍暮S?,是圍填海形成的人工島嶼,圍海造陸面積為47.82 萬(wàn)m2??绾4髽蛉L(zhǎng)1.53 km,面積約3.8 萬(wàn)m2,作為海螺島連接陸地的唯一交通通道,也是保障島內(nèi)生產(chǎn)、生活水源和能源補(bǔ)給的輸送通道。
根據(jù)勘察結(jié)果表明,在勘探深度范圍內(nèi),上部為第四系全新統(tǒng)海陸交互相(Q4mc)沉積的粉質(zhì)、粉細(xì)砂和中粗砂,中部為第四系全新統(tǒng)沖洪積成因(Q4al+pl)的中粗砂和粉質(zhì)黏土,下伏基巖為太古界(Ar)花崗巖、片麻巖(局部穿插偉晶巖脈)。由淺至深的土層分別如圖1 至圖3 所示。樁基設(shè)計(jì)的參數(shù)詳見(jiàn)表1。
表1 樁基設(shè)計(jì)參數(shù)表
圖1 孔位中的淺層砂土
圖2 孔位中的強(qiáng)風(fēng)化花崗巖
圖3 孔位中的中風(fēng)化花崗巖
1.3.1 潮汐、潮位[1]
(1)基面關(guān)系
秦皇島海區(qū)為規(guī)則日潮,其(HK1+H01)/HM2=3.73。
以秦皇島港理論最低潮面(與85 高程的關(guān)系見(jiàn)圖4)為基準(zhǔn),潮汐特征值為:
圖4 秦皇島港理論最低潮面與85 高程的關(guān)系
極端高潮位+2.66 m,極端低潮位-1.71 m;設(shè)計(jì)高潮位+1.76 m,設(shè)計(jì)低潮位-0.15 m;平均高潮位+1.24 m,平均低潮位+0.51 m;平均海平面0.87 m,平均潮差0.73 m,最大潮差2.63 m。
(2)波浪
根據(jù)秦皇島海洋站9 a 波浪10 次資料統(tǒng)計(jì)分析得:常浪向?yàn)镾 向,出現(xiàn)頻率為18.69%,次常浪向?yàn)镾SW 向,出現(xiàn)頻率為11.87%。強(qiáng)浪向?yàn)镋NE 向,該向H4%≥1.5 m 的出現(xiàn)頻率為0.27%,次強(qiáng)浪向S向,其H4%≥1.5 m 的出現(xiàn)頻率為0.16%。
(3)潮流
根據(jù)該海域內(nèi)9 個(gè)測(cè)點(diǎn)資料,計(jì)算出(WK1+W01)/WM2 值,K 小于0.25 且K 值為負(fù),說(shuō)明秦皇島灣的潮流為往復(fù)流,并且潮流沿順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。大致漲潮為W、WSW 方向,落潮為E、ENE 方向。各測(cè)站漲、落潮流方向基本與岸線、等深線垂直。最大流速為0.4 m/s。
(4)水深
項(xiàng)目區(qū)域水深約3 m,最大水深為10 m,透明度為3 m。
(5)水溫
春季表層水溫為10.5℃~20.5℃,夏季表層水溫為27℃~28℃,秋季表層水溫為13.0℃~13.5℃,冬季表層水溫-1.2℃~0.9℃,年最大值31℃出現(xiàn)在7月底8 月初,年最小值-20℃出現(xiàn)在1 月底2 月初。海水增溫在3—8 月份,降溫在當(dāng)年9 月至次年2 月份。
(6)鹽度
受氣候和大陸徑流影響,海水鹽度表層平均值為28.5~30.5,全年最高值為33.5,以夏季最低,冬季最高,近岸鹽度隨入海徑流的變化而不同。
上覆蓋層厚度約10~15 m,常水位水深2~3 m,近島處水深7~8 m。
根據(jù)場(chǎng)地工程地質(zhì)條件、擬建(構(gòu))筑物荷載和使用功能,該工程宜采用樁基礎(chǔ)方案。根據(jù)當(dāng)?shù)匾延惺┕そ?jīng)驗(yàn),采用鉆(沖)孔灌注樁方案,以第⑥、⑥1層強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖、⑥2層強(qiáng)風(fēng)化混合片麻巖或第⑦層中風(fēng)化混合花崗巖、第⑦1層中風(fēng)化混合片麻巖作為樁端持力層[1]。
根據(jù)已有鉆孔資料進(jìn)行單樁承載力估算(主要樁徑為2 m),采用⑦層中風(fēng)化巖做樁端持力層時(shí),完全滿足承載力的設(shè)計(jì)要求;采用⑥1層和⑥2層強(qiáng)風(fēng)化巖做樁端持力層時(shí),樁端進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化層(⑥層、⑥1層和⑥2層)不少于20~25 m 時(shí),可以滿足承載力的設(shè)計(jì)要求。為了減少沉降,應(yīng)首先采用⑦層中風(fēng)化巖或⑥1層和⑥2層強(qiáng)風(fēng)化巖做樁端持力層。
該場(chǎng)地上部地層主要為松散、飽和的粉細(xì)砂和中粗砂,且分布有灰黑色流塑至軟塑的粉質(zhì)黏土,該地層均易塌孔和縮頸,如采用鉆(沖)孔灌注樁必須進(jìn)行護(hù)壁,并妥善處理泥漿,以防海(河)水污染。
在鉆(沖)孔灌注樁成孔過(guò)程中,強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖中下部及中風(fēng)化巖層中會(huì)遇到成孔進(jìn)尺困難,進(jìn)度較慢的情況,同時(shí)強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖和中風(fēng)化混合花崗巖層中均穿插有堅(jiān)硬的偉晶巖脈。
海中施工基礎(chǔ)施工難度大、成本高,施工措施在總造價(jià)中占很大的比重,因此應(yīng)根據(jù)各外部條件對(duì)施工方案進(jìn)行選取,最終確定基礎(chǔ)形式。常用的水中基礎(chǔ)形式施工主要有以下幾種,根據(jù)該項(xiàng)目情況對(duì)各方案進(jìn)行適用性比較。
(1)土圍堰
如圖5 所示,土圍堰應(yīng)用廣、成本低、施工簡(jiǎn)單,但受到風(fēng)浪和水深影響,在海中施工難以實(shí)現(xiàn)。
圖5 土圍堰施工示意圖
(2)鋼板樁圍堰
如圖6 所示,鋼板樁圍堰常在河道與海中有所應(yīng)用,但深水基礎(chǔ)中尚需采用雙排鋼板樁,造價(jià)較高。
圖6 鋼板樁圍堰施工示意圖
(3)鋼套箱圍堰
如圖7 所示,鋼套箱圍堰在海中基礎(chǔ)施工時(shí)應(yīng)用較多,整體性強(qiáng),適用于大多情況,造價(jià)較高。
圖7 鋼套箱圍堰施工示意圖
(4)樁基鋼護(hù)筒(無(wú)圍堰)
如圖8 所示,鋼護(hù)筒施工應(yīng)用廣、成本低、施工簡(jiǎn)單,但僅能實(shí)施樁基,難以實(shí)現(xiàn)承臺(tái)施工。
(5)基礎(chǔ)形式選取
綜合該項(xiàng)目造價(jià)及施工難度考慮,土圍堰基本不可行,而樁基鋼護(hù)筒造價(jià)遠(yuǎn)低于其余兩種圍堰形式。
考慮到下伏基巖為花崗巖,其承載能力較強(qiáng),因此考慮用樁接柱基礎(chǔ),采用搭設(shè)鋼棧橋做為施工便道及施工平臺(tái),樁基施工采用鋼套筒,省去圍堰的施工方式。
下伏基巖中的中風(fēng)化花崗巖層承載能力很強(qiáng),但該層距海底約25~50 m,采用樁間嵌入該層的嵌巖樁不夠經(jīng)濟(jì);如采用摩擦樁形式,將樁尖放在強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層中,則承載能力略小于上部反力。綜合這兩層的特點(diǎn),將樁長(zhǎng)設(shè)置為20~25 m,采用樁端后壓漿技術(shù)以增加樁端部承載力及樁端附近的側(cè)摩阻,即可滿足承載力要求,還能做到每根樁平均減少10~20 m 樁長(zhǎng)。近島處水深7~8 m,考慮加大灌注樁直徑。經(jīng)反復(fù)試算及比選,該方案可實(shí)施性強(qiáng),且極大節(jié)約了工程造價(jià),最終得到采用。
根據(jù)人民交通出版社出版的《公路施工手冊(cè)橋涵(上冊(cè))》[2]第七章鉆(挖)孔樁基礎(chǔ)中:
鋼護(hù)筒長(zhǎng)度取值計(jì)算公式為
式中:L 為護(hù)筒埋置深度,m;H 為施工水位至河床表面深度,m;h 為護(hù)筒內(nèi)水頭,即護(hù)筒內(nèi)水位與施工水位之差,m;γw為護(hù)筒內(nèi)泥漿容重,kN/m3;γo為水的容重,10 kN/m3;γd為護(hù)筒外河床土的飽和容重,kN/m3。
式中:Δ 為土粒的相對(duì)密度;砂土平均取2.5,黏性土平均取2.70;e 為飽和土的孔隙比;砂土為0.33~1.0,黏性土為0.17~0.43,軟土為1~2.3;
該項(xiàng)目覆蓋層以砂層為主,Δ=2.5,e=0.6。根據(jù)以上算式得出各鋼護(hù)筒的埋深及總長(zhǎng),并制定相應(yīng)施工專項(xiàng)方案。工藝流程圖如9 所示。
圖9 工藝流程圖
在樁基鉆孔施工過(guò)程中,發(fā)生部分鋼護(hù)筒下沉的現(xiàn)象,多表現(xiàn)為旋挖鉆終孔、一次清孔作業(yè)完成后鋼護(hù)筒均勻下沉一段距離,導(dǎo)致樁基塌孔、鋼護(hù)筒偏位,如圖10(a)、(b)所示。
圖10 鋼護(hù)筒打入后明顯下沉
樁基鋼護(hù)筒按計(jì)算長(zhǎng)度制作,打設(shè)時(shí)均以振動(dòng)錘錘擊貫入至不再下沉為止。樁基采用旋挖鉆作業(yè)成孔,鉆孔過(guò)程產(chǎn)生輕微擾動(dòng)。通過(guò)對(duì)下沉鋼護(hù)筒樁基再次清渣時(shí)發(fā)現(xiàn),孔底沉渣多為卵石結(jié)構(gòu),屬中粗砂、粗粒砂層構(gòu)造,如圖11 所示。
圖11 鋼護(hù)筒孔底沉渣
對(duì)出現(xiàn)問(wèn)題的樁基鋼護(hù)筒參數(shù)及地質(zhì)情況進(jìn)行復(fù)核,做出各樁基與地層對(duì)比參照?qǐng)D12。
根據(jù)式(3)對(duì)樁基鋼護(hù)筒受地層土的側(cè)摩阻力進(jìn)行計(jì)算,某樁鋼護(hù)筒側(cè)摩阻力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2,各鋼護(hù)筒側(cè)摩阻力遠(yuǎn)大于鋼護(hù)筒本身重量,即按原設(shè)計(jì)埋深長(zhǎng)度打設(shè)鋼護(hù)筒符合受力要求。
表2 鋼護(hù)筒側(cè)摩阻力計(jì)算例表
式中:Qsk 為樁基鋼護(hù)筒受地層土的側(cè)摩阻力,kPa;k 為系數(shù);L 為樁基周長(zhǎng),m;Lsi 為地質(zhì)土層長(zhǎng)度,m;q 對(duì)應(yīng)極限摩擦阻力,kPa。
鋼護(hù)筒打設(shè)時(shí)已進(jìn)入③中粗砂或⑤粗粒砂層,且驗(yàn)算數(shù)據(jù)表明地層側(cè)阻力足以維持鋼護(hù)筒穩(wěn)定。但通過(guò)隨護(hù)筒下沉掉落孔底的沉渣來(lái)看,原設(shè)計(jì)護(hù)筒底部砂層夾雜卵石,判斷是阻礙護(hù)筒連續(xù)錘擊貫入不下沉的原因,成孔后護(hù)筒底部所處地層不穩(wěn)定,產(chǎn)生局部塌孔,海水裹著砂層流入孔內(nèi)造成鋼護(hù)筒下沉,應(yīng)為主要原因。對(duì)下沉鋼護(hù)筒的樁位地層對(duì)比發(fā)現(xiàn),砂層實(shí)際側(cè)阻力不足,與理論計(jì)算有誤差,判斷該處海域因曾進(jìn)行過(guò)臨時(shí)填筑工程,所以部分海底覆蓋層受到過(guò)擾動(dòng),非原狀砂層,密實(shí)度不夠,在水中的側(cè)摩阻力未達(dá)到其理論值。此外,采用旋挖鉆一次清孔作業(yè)過(guò)程中,鉆頭的擾動(dòng)對(duì)鋼護(hù)筒產(chǎn)生影響,也是誘發(fā)護(hù)筒底部地層不穩(wěn)和溜塌的因素之一。
為確保鋼護(hù)筒垂直度及偏位情況滿足設(shè)計(jì)要求,需要對(duì)產(chǎn)生下沉的鋼護(hù)筒重新拔出、接長(zhǎng)并按設(shè)計(jì)樁位坐標(biāo)重新打設(shè)。為避免再次出現(xiàn)下沉,此次護(hù)筒底須嵌入強(qiáng)風(fēng)化層,直至振動(dòng)錘擊貫入不再下沉為止。鉆孔及清孔作業(yè)過(guò)程中盡量減少對(duì)鋼護(hù)筒及樁位地質(zhì)條件的擾動(dòng),施工作業(yè)操作須規(guī)范。
經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際接長(zhǎng)鋼護(hù)筒的處理結(jié)果看,樁基鋼護(hù)筒打設(shè)嵌入強(qiáng)風(fēng)化層后,處于比較穩(wěn)定狀態(tài)。個(gè)別樁基鋼護(hù)筒二次接長(zhǎng)后護(hù)筒底部仍位于⑤粗粒砂層,距離強(qiáng)風(fēng)化層仍有一段距離,此時(shí)錘擊鋼護(hù)筒已不再下沉。雖能成孔,但在孔內(nèi)發(fā)現(xiàn)與泥漿顏色不符的黑色泥狀物,經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè),護(hù)筒外壁存在空洞,判斷黑色淤泥為孔外滲入,即從接長(zhǎng)后的鋼護(hù)筒底部泄漏流入孔內(nèi),此時(shí)孔內(nèi)、外有連通,成樁風(fēng)險(xiǎn)大?,F(xiàn)場(chǎng)采取將成孔樁基回填至護(hù)筒底部,從護(hù)筒外向護(hù)筒底部注入混凝土的方式封堵空洞泄漏處,待封堵混凝土凝固后再進(jìn)行后續(xù)施工。此現(xiàn)象的發(fā)生也證明了鋼護(hù)筒須一次連續(xù)打設(shè)嵌入強(qiáng)風(fēng)化穩(wěn)定層才能保證樁基質(zhì)量,出現(xiàn)問(wèn)題再接長(zhǎng)、復(fù)打只會(huì)造成地質(zhì)條件的二次破壞,對(duì)樁基質(zhì)量無(wú)益。
對(duì)于尚未施工的樁基,鋼護(hù)筒擬打設(shè)長(zhǎng)度按嵌入強(qiáng)風(fēng)化層考慮。一次難以打設(shè)嵌入強(qiáng)風(fēng)化層的,采用旋挖鉆引孔的方式輔助鋼護(hù)筒打設(shè),直至鋼護(hù)筒嵌入強(qiáng)風(fēng)化層為止。
橋梁在海中施工,由于環(huán)境因素的影響,施工措施成本很高。能否選取合適的基礎(chǔ)形式直接決定了施工是否順利,也對(duì)整個(gè)工程造價(jià)有著較大的影響。在該項(xiàng)目中,針對(duì)擬建場(chǎng)區(qū)上部覆蓋層為砂層、下伏基巖為花崗巖的特點(diǎn),制定了樁接柱的基礎(chǔ)方案結(jié)合鋼護(hù)筒海中成孔的施工措施,避免了海中圍堰施工,極大節(jié)約了工程造價(jià),降低了施工難度。針對(duì)施工中出現(xiàn)的鋼護(hù)筒下沉問(wèn)題,予以充分分析、徹底解決,并取得了良好的效果。