閆寧濤
(中鐵十四局集團(tuán)第一工程發(fā)展有限公司,山東 日照 276826)
樁基作為橋梁的主要承載結(jié)構(gòu)是橋梁基礎(chǔ)的常見形式,采用水中筑島填筑時,填料與淤泥之間形成軟弱層,加之筑島不易碾壓密實(shí),在樁基施工中容易塌孔,造成成孔困難,易發(fā)生斷樁,后期處理麻煩且成本較高,采用振沖法下設(shè)長護(hù)筒是有效解決此類問題的方法之一。
準(zhǔn)鄂鐵路壕賴河特大橋位于低中山丘陵區(qū),局部地形起伏較大,橋梁自上而下地質(zhì)情況為第四系全新統(tǒng)風(fēng)積粉砂、細(xì)砂及第四系沖洪積粉土、粉質(zhì)黏土、第三系上新統(tǒng)粉質(zhì)黏土、下伏白堊系下統(tǒng)泥巖、砂巖、礫巖。其中31~37號墩基礎(chǔ)采用群樁上接承臺結(jié)構(gòu)形式,樁徑1.25m,樁長23~31m不等,樁凈間距2.45m。
31~37號墩位于舊河道中一座水庫內(nèi),施工進(jìn)場時地表有少量水,水深約0.1~0.3m,原設(shè)計基坑防護(hù)采用草袋圍堰施工,后因村民蓄水養(yǎng)魚、灌溉農(nóng)田,周圍被地表水覆蓋,水深約1~3m,村民拒絕排干水庫內(nèi)的水,與設(shè)計溝通后,經(jīng)業(yè)主同意修改設(shè)計方案,增加水中筑島,同時取消草袋圍堰防護(hù),調(diào)整為鋼板樁圍堰防護(hù),為保證樁基成孔及成樁質(zhì)量,在施工時加大鋼護(hù)筒埋置深度,采用8m鋼護(hù)筒。因樁基直徑為1.25m,鋼護(hù)筒直徑需至少大于樁徑100mm,故選用外徑為1.42m,壁厚15mm的成品螺旋管。以32號墩地質(zhì)情況為例進(jìn)行計算,其他墩按此方法進(jìn)行比照復(fù)核計算不再贅述。
采用長護(hù)筒護(hù)壁成孔,怎樣選擇經(jīng)濟(jì)合理的振動錘確保護(hù)筒順利下沉至預(yù)定深度,如何控制護(hù)筒下沉?xí)r垂直度滿足要求是技術(shù)難點(diǎn)。灌注成樁后,護(hù)筒拔出過早易造成塌孔或樁身縮頸,拔出時間過晚則難以拔出護(hù)筒,易影響樁身混凝土成樁效果,造成樁身裂縫或斷樁,因此護(hù)筒拔出時間為控制要點(diǎn)。
振動錘接通電源后,通過偏心重輪高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生高頻振幅和激振力,并通過振動錘端部的液壓鉗傳遞到護(hù)筒上,護(hù)筒作用至接觸地層,在激振力的作用下強(qiáng)迫周圍土體液化、位移,使護(hù)筒切入地層沉入預(yù)定位置。
振動錘迫使護(hù)筒下沉需滿足以下條件:(1)振動錘激振力P0大于護(hù)筒與土的動摩擦阻力TV;(2)振動錘和鋼護(hù)筒重量之和Q0大于護(hù)筒動端阻力RV;(3)振動錘振幅A0大于達(dá)到深度所需的最小振幅A。
根據(jù)日本建機(jī)調(diào)查株式會社經(jīng)驗(yàn)公式:
對于砂性土:
對于黏土、淤泥質(zhì)土:
式中:T為各土層的極限靜摩阻力之和,kN;D為鋼護(hù)筒外徑,m;Hi為土層厚度,m;Ni為第i層土的標(biāo)貫積數(shù)N值。
該工程中,32號墩各層標(biāo)貫擊數(shù)經(jīng)試驗(yàn)測定,靜摩阻力計算結(jié)果如表1所示。
表1 32號墩各層靜摩阻力計算表
當(dāng)護(hù)筒處于靜止?fàn)顟B(tài)時,護(hù)筒與土之間存在著較大的靜摩擦力,受到振動后靜摩擦力就急劇減少,動摩擦力TV=μT,故振動錘激振力P0≥TV,即P0≥μT,根據(jù)美國ICE公司通過大量測試后的結(jié)論:在高速振動時,樁的周圍土體產(chǎn)生液化效果,使樁側(cè)極限靜摩阻力減低率,μ=0.1~0.4,根據(jù)工程的土體性質(zhì),可在期間選取一個值,按上述公式TV=μT計算TV。此次計算按最不利系數(shù)計算,取μ=0.4,則TV=(267.63+144.91+780.29+89.18)×0.4=512.76kN,故振動錘需選擇激振力P0≥512.76kN。
根據(jù)計算出激振力P0≥512.76kN的要求,初選擬使用的振動錘型號為DZJ-90型振動錘,其最大激振力為570kN,滿足要求,其主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。
動端阻力計算公式如下:
對于砂性土:
表2 擬選用DZJ-90型振動錘主要參數(shù)表
對于黏土、淤泥質(zhì)土:
式中:F為鋼護(hù)筒截面積,cm2;N為深入深度土層的最大標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù);e為自然常數(shù);I為振動錘動量,kg;k為偏心力矩,N·m;ω為振動錘負(fù)荷角速度(頻率),1/s;g為重力加速度,cm/s2。
根據(jù)該工程地質(zhì)情況,其中F=3.14×(712-69.52)=661.76cm2,選用公式(3)計算,RV=4×24×661.76×e-4.689=584.2kg<Q0=6.155+3.14×1.42×8×117.8=10357kg,根據(jù)計算結(jié)果,可知Q0遠(yuǎn)大于動端阻力RV,足夠克服鋼護(hù)筒動端阻力,DZJ-90型振動錘可以滿足要求。
最小振幅:
式中:N為深入深度土層的最大標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù),mm。
計算得出A=N÷12.5+3=4.92mm<A0=10.3mm,故DZJ-90型振動錘滿足使用要求。
綜上,DZJ-90型振動錘滿足32號墩該地質(zhì)情況下護(hù)筒下沉的各項(xiàng)條件,可以選用DZJ-90型振動錘。
現(xiàn)場施工時,采用全站儀放出樁基中心點(diǎn),以樁基中心點(diǎn)為圓心,畫出護(hù)筒外輪廓線,沿圓周撒上白灰,采用履帶吊車吊起護(hù)筒,4人分站四角對準(zhǔn)外輪廓線,置于已標(biāo)記好的圓周白線上,同時呈垂直方向架設(shè)2臺經(jīng)緯儀對施打過程中的護(hù)筒垂直度進(jìn)行控制監(jiān)測,下沉初期,先使用較小的激振力,每下沉2m停振后監(jiān)測護(hù)筒的垂直度,振沖過程中振動錘對稱振動下沉,發(fā)現(xiàn)偏差及時糾正,保證成型后護(hù)筒垂直度偏差<1%。
為避免護(hù)筒拔出過早或過晚造成樁身出現(xiàn)質(zhì)量缺陷,護(hù)筒拔出時間控制在混凝土澆筑完畢后0.5~1h,且不得超過混凝土出站后5h。采用履帶吊車配合振動錘夾住護(hù)筒頂部振動2~5min,先使周圍土松動,減少對護(hù)筒摩阻力,采用邊振動邊拔出的方式,每拔出3m,停止拔出,振動2~3min后再連續(xù)上拔,停振時對護(hù)筒垂直度進(jìn)行復(fù)測,如此反復(fù)將護(hù)筒拔出。
因護(hù)筒拔出后護(hù)筒所占體積會被混凝土所占用,故根據(jù)沉入護(hù)筒長度可計算出護(hù)筒所占體積V=3.14×(0.712-0.6952)×6.5=0.43m3(扣除混凝土頂面至護(hù)筒頂標(biāo)高的長度為1.5m),在灌注樁基混凝土?xí)r,需在原來超灌的基礎(chǔ)上增加0.43m3混凝土,即多超灌0.32m(考慮擴(kuò)孔因素,按樁基直徑為1.3m計算)。
采用此方法完成31~37號墩共84根樁基的施工,經(jīng)后期基坑開挖檢樁,樁身完整性、砼強(qiáng)度、樁徑均滿足設(shè)計和規(guī)范要求,檢測結(jié)果均為I類樁。在使用該施工方法時,需由試驗(yàn)室進(jìn)行土工試驗(yàn),測定基底各土體的標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù),由試驗(yàn)數(shù)據(jù)先計算出動側(cè)摩擦阻力,根據(jù)計算結(jié)果進(jìn)行振動錘初步選型,采用市場已有錘型的相關(guān)計算參數(shù),進(jìn)行動端阻力的復(fù)核驗(yàn)算,由此可以簡化計算,方便快速地確定經(jīng)濟(jì)合理的振動錘型號。該方法除了適用于混凝土灌注樁護(hù)壁成孔,還可以用作基坑防護(hù)擋土樁使用,相比混凝土防護(hù)樁,其施工速度快,還可以回收周轉(zhuǎn)使用,根據(jù)項(xiàng)目所處的環(huán)境和材料的市場價格,在進(jìn)行方案經(jīng)濟(jì)效果對比后使用。