預(yù)制型植入嵌巖樁設(shè)計(jì)與施工研究

邊 峰， 王志勇， 劉淑偉， 巫緒敏

(安徽省交通勘察設(shè)計(jì)院有限公司，安徽 合肥 230011)

0 引 言

工程地處池州市東至縣香隅鎮(zhèn)境內(nèi),距上游在建望東長(zhǎng)江公路大橋約2.7km,工程規(guī)劃建設(shè)4個(gè)1個(gè)1 000噸級(jí)兼顧3 000噸級(jí)泊位,其中1個(gè)固體化學(xué)品進(jìn)出口泊位、1個(gè)液體化學(xué)品進(jìn)出口泊位和2個(gè)散雜貨進(jìn)口泊位。工程區(qū)域位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)下?lián)P子臺(tái)坳沿江拱斷褶帶石臺(tái)穹褶斷束,石臺(tái)穹褶斷束是沿江拱斷褶帶南部的次級(jí)單元,南以江南深斷裂與皖南陷褶斷帶相接,場(chǎng)地覆蓋層僅為1m左右,下部均為微風(fēng)化石灰?guī)r石灰?guī)r,飽和抗壓強(qiáng)度平均值約38.67MPa,且局部分布有溶洞。本工程所在區(qū)域水文、地質(zhì)情況較復(fù)雜,水流風(fēng)浪較大,水位差大,且?guī)r面起伏大,覆蓋層較淺,裸巖、礁石、溶洞多發(fā)。根據(jù)以上情況,碼頭結(jié)構(gòu)形式采用高樁框架結(jié)構(gòu),樁基采用預(yù)制型植入嵌巖鋼管樁。

1 嵌巖樁分類及國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r

1.1 嵌巖樁分類

嵌巖樁是指樁的下部有相當(dāng)一段長(zhǎng)度澆筑于堅(jiān)硬巖層中的鉆孔灌注樁,下端可嵌入中等風(fēng)化、微風(fēng)化或新鮮基巖。目前主要分為灌注型嵌巖樁、灌注型錨桿嵌巖樁、預(yù)制型植入嵌巖樁、預(yù)制型芯柱嵌巖樁、預(yù)制型錨桿嵌巖樁、組合式嵌巖樁等。

1.2 嵌巖樁使用狀況

隨著船舶噸位的逐漸變大,為了滿足大型船舶的靠泊,碼頭利用長(zhǎng)引橋連接深水區(qū)碼頭平臺(tái),并選擇較優(yōu)良天然掩護(hù)的島嶼岸線,但這類海域的地質(zhì)條件往往比較復(fù)雜,存在覆蓋層相對(duì)較薄,基巖裸露的情況。在覆蓋層薄、基巖坡度大的地質(zhì)條件,為了解決構(gòu)筑物中基礎(chǔ)抗拉、抗彎及承重荷載作用的問(wèn)題,預(yù)制型錨桿嵌巖樁、預(yù)制型植入嵌巖樁、預(yù)制芯柱嵌巖樁等各種樁型得到越來(lái)越多的開(kāi)發(fā)運(yùn)用。

目前在我國(guó),嵌巖樁已經(jīng)應(yīng)用在建筑、橋梁、碼頭等各類工程方面,施工工藝及理論計(jì)算已趨于成熟,嵌巖樁解決了在覆蓋層較淺、持力層抗壓強(qiáng)度較大地質(zhì)條件下施工的難題,并可以減少投資。

2 嵌巖樁基設(shè)計(jì)

碼頭結(jié)構(gòu)采用高樁梁板型，樁基為預(yù)制型植入嵌巖樁，每榀排架設(shè)置5根φ1 200mm×18mm鋼管樁，共計(jì)150根植入嵌巖鋼管樁，鋼管樁嵌巖深度4.5m，樁身內(nèi)混凝土錨固長(zhǎng)度6.5m。

2.1 嵌巖樁單樁軸向抗壓承載力

嵌巖樁單樁軸向抗壓承載力的設(shè)計(jì)值按下式計(jì)算：

Qcd=(U1∑ξfiqfili)/γcs+U2(ξsfrkhr+ξpfrkA)/γcR

式中,Qcd為嵌巖樁單樁軸向抗壓承載力設(shè)計(jì)值kN;U1、U2分別為覆蓋層樁身周長(zhǎng)和嵌巖段樁身周長(zhǎng)，m；ξfi為樁周第i層土的側(cè)阻力計(jì)算系數(shù)；qfi為樁周第i層土的單位面積極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；li為樁穿過(guò)第i層土的長(zhǎng)度，m；γcs為覆蓋層單樁軸向受壓承載力抗力分項(xiàng)系數(shù)；ξs、ξp分別為嵌巖段側(cè)阻力和端阻力計(jì)算系數(shù)；frk為巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；hr為樁身嵌入基巖的長(zhǎng)度，m；A為嵌巖段樁端面積，m2；γcR為嵌巖段單樁軸向受壓承載力抗力分項(xiàng)系數(shù)。

2.2 嵌巖樁單樁軸向抗拔承載力

嵌巖樁單樁軸向抗拔承載力的設(shè)計(jì)值按下式計(jì)算：

Qtd=(U1∑ξ＇fiξfiqfili+Gcosa)/γts+(U2ξ＇sfrkhr)/γtr

式中：Qtd為嵌巖樁單樁軸向抗拔承載力設(shè)計(jì)值，kN；ξ＇fi為第i層覆蓋土的側(cè)阻力抗拔折減系數(shù)；G為樁重力，kN；a為樁軸線與鉛垂線夾角，(°)。

2.3 嵌巖深度

嵌巖樁在水平力作用下的嵌巖深度按下式計(jì)算，且應(yīng)不小于1.5倍嵌巖段樁徑。

本工程水工建筑物安全等級(jí)按二級(jí)建筑物設(shè)計(jì),以16t門(mén)機(jī)和散貨堆載40kPa作為控制荷載,根據(jù)以上公式進(jìn)行計(jì)算,樁基承載力可達(dá)7 124kN,碼頭平臺(tái)最大水平位移為9mm，如圖1所示。

圖1 碼頭樁力計(jì)算結(jié)果圖

鉆孔樁穿過(guò)溶洞時(shí),若填充料較密實(shí),甚至不影響混凝土澆筑的,無(wú)須處理。若填充料較松散,可采用往鉆孔內(nèi)加拋石,再進(jìn)行鉆孔的方式。所有鉆孔樁均應(yīng)采用超前鉆,超前鉆深度應(yīng)大于樁底設(shè)計(jì)高程以下2m以上，如圖2所示。

圖2 樁基入巖設(shè)計(jì)示意圖

由于鉆孔數(shù)量有限,巖面存在起伏,可能與地質(zhì)報(bào)告存在出入,以入巖深度不小于4.5m控制(如遇溶洞,巖面以溶洞底部為起始面)。

3 預(yù)制型植入嵌巖樁基施工

預(yù)制型植入嵌巖樁基施工工序主要包括鉆孔平臺(tái)搭設(shè)、江底基床處理、樁基成孔、鋼管樁沉放及混凝土灌注。

3.1 鉆孔平臺(tái)

碼頭平臺(tái)施工需設(shè)置鉆孔平臺(tái),鉆孔平臺(tái)主要有鋼管樁支撐平臺(tái)、鋼護(hù)筒支撐平臺(tái)、鋼圍堰支撐平臺(tái)和浮式平臺(tái)四類,考慮本工程河床覆蓋層較薄、巖基強(qiáng)度高,且短期水位落差較小,并考慮施工便利性、經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益等,本工程采用浮式平臺(tái)。浮式平臺(tái)主要由甲板駁、平臺(tái)上部固定結(jié)構(gòu)及錨索組成，如圖3所示。

圖3 浮式平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 基床處理

為保證鋼管樁沉放的穩(wěn)定問(wèn)題,河底基床需進(jìn)行處理,主要處理方法有人造基床、套箱基床及爆破法。本工程綜合考慮施工成本、安全性及地質(zhì)淺覆蓋層的零散性,選擇拋填土石人造基床的處理方案。

3.3 樁基成孔

樁基成孔需設(shè)置鋼護(hù)筒,鋼護(hù)筒利用大型浮吊固定在鉆孔平臺(tái)的定位架內(nèi),并利用振動(dòng)錘進(jìn)行錘擊,將鋼管樁沉入土中大于1m,每榀排架鋼護(hù)筒采用雙層定位架固定在一起,保證定位準(zhǔn)確及穩(wěn)定。綜合考慮平臺(tái)搭設(shè)以及樁基成孔工藝,選擇適合于中風(fēng)化巖成孔的CK1800 型的沖擊鉆機(jī),沖擊鉆機(jī)前端配置一只下端設(shè)置有合金鋼牙片的沖錘。成孔后應(yīng)上報(bào)監(jiān)理工程師確認(rèn),留存渣樣,同時(shí)與地勘報(bào)告和超前鉆數(shù)據(jù)對(duì)比,避免遇到夾層而錯(cuò)判入巖。終孔標(biāo)高以入巖深度不小于4.5m控制(如遇溶洞,巖面以溶洞底部為起始面)。

3.4 鋼管樁沉放

將加工好的鋼管樁吊入孔內(nèi),利用全站儀或GPS對(duì)鋼管樁進(jìn)行定位,并比對(duì)樁身長(zhǎng)度和孔深,保證鋼管樁落到孔底位置,上部利用鋼護(hù)筒定位架進(jìn)行固定。

3.5 混凝土灌注

混凝土灌注主要控制有效芯柱長(zhǎng)度及混凝土外翻質(zhì)量,混凝土灌注過(guò)程中,應(yīng)經(jīng)常探測(cè)外護(hù)筒內(nèi)混凝土上升高度,保證混凝土有效芯柱長(zhǎng)度滿足要求,并對(duì)混凝土和易性以及坍落度進(jìn)行控制,保證混凝土外翻質(zhì)量。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)工程實(shí)例對(duì)預(yù)制型植入嵌巖樁設(shè)計(jì)理論與施工方法進(jìn)行探討和研究,在覆蓋層較淺,裸巖、礁石、溶洞多發(fā)地層中,建議設(shè)計(jì)及施工應(yīng)采用逐樁超前鉆探,以設(shè)計(jì)依據(jù)的合理性,并對(duì)施工方案進(jìn)行了論述,介紹了浮平臺(tái)、人造基床及沉樁工藝,對(duì)淺覆蓋層地質(zhì)條件有較強(qiáng)的針對(duì)性,為類似工程施工提供參考。