超长群桩（共3篇）
超长群桩 篇1
近年来,随着科学技术的发展,桩基础的设计、施工水平都得到了很大提高,主要体现在:超长、大直径和大规模三个方面。其应用也越来越广泛,尤其是在大型桥梁工程中,如有名的东海大桥、杭州湾跨海大桥、苏通大桥等,都采用了大规模的群桩基础。对于群桩基础而言,最突出的问题就是群桩效应问题,而目前关于超长钻孔灌注桩的群桩效应的研究并不多见,因此,深入研究超长钻孔灌注桩的群桩效应是必要的。
1群桩效应的基本概念
群桩基础受竖向荷载作用后,由于承台、桩、土的相互作用使其桩侧摩阻力、桩端阻力、沉降等性状发生变化而与单桩明显不同,这种效应称之为群桩效应[1,2]。群桩效应的出现,会使中心桩的沉降大于周边桩的沉降,中心桩的轴力小于周边桩的轴力。
群桩效应通常采用群桩效应系数[3]来衡量,群桩效应系数是指群桩的极限承载力与群桩中各桩按独立单桩考虑的极限承载力之和的比值,可按下式计算:
其中,η为群桩效应系数;Fm为群桩的极限承载力;n为群桩桩数;Fs为单桩极限承载力。
2群桩效应的数值分析
为了研究超长钻孔灌注桩的群桩效应,本文以位于长江中下游的某大型跨江大桥为依托,通过有限元法分析超长钻孔灌注桩群桩效应的影响因素,主要分析桩间距和桩数的影响。
模型几何尺寸以及参数均参照依托工程。桩长109 m,桩径2.7 m,基桩采用线弹性本构模型,弹模取33 GPa,泊松比0.168,密度2 400 kg/m3。土体采用邓—肯张模型[4],模型参数如表1所示。桩土之间设摩擦接触。桩距2.4d时的有限元网格见图1。
1)桩间距影响。不同桩间距条件下的桩顶荷载与沉降P—S计算曲线如图2所示。在相同的轴向荷载作用下,桩间距小的群桩基础沉降较大。桩间距越大,群桩的平均沉降越小,P—S曲线越平缓,这也表明随着桩间距增加,群桩基础的整体稳定性增强了,发生整体破坏的趋势减弱。不同桩距条件下的极限侧阻如图3所示,从图3中可以看出,桩距越小,极限侧阻越大,这主要是由于,桩距越小,桩间土体受桩的侧向挤压力越大,土体也就越密实,其极限侧阻力也就越大。
不同桩间距条件下的群桩效应系数如表2所示。从表中可以看出,随着桩距的增加,群桩效应系数越来越大,也就是群桩效应越来越弱,当桩径大于6倍直径时,群桩效应就基本不存在了。
2)桩数的影响。为研究桩数对群桩效应的影响,分别建立了多个有限元模型,桩数分别为1,4,7,9,16。桩顶荷载与沉降P—S曲线如图4所示。从图4中可以看出,在相同的荷载作用下,桩数越多,其沉降值越大。随着桩数的增加,荷载—沉降曲线更加平滑,这说明桩数越多,基桩稳定性越强。
由不同桩数条件下的群桩效应系数可以看出,在相同桩距的条件下,桩数越多,也就是群桩基础的规模越大,群桩效应越明显。
3结语
利用有限元法分析了群桩效应的影响因素,主要表现在以下两方面:
1)桩距越小,群桩效应越大,当桩间距大于6倍直径时,群桩效应基本不存在;2)桩数越多,群桩效应越大。
摘要：结合某大型桥梁工程实例,建立了多个有限元模型,对影响超长钻孔灌注桩群桩基础的群桩效应进行了研究,着重分析了桩距和桩数两大因素。结果表明,桩距越大,群桩效应系数越接近于1;桩数越小,群桩效应系数越接近于1。
关键词：灌注桩,群桩基础,群桩效应
参考文献
[1]Gandhi,Shailesh R.Group effect on driven piles under lateralload[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engi-neering,1997,123(8):702-709.
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[3]谢涛,袁文忠,姚勇.超大群桩竖向承载群桩效应试验研究[J].公路交通科技,2003,20(5):61-63.
[4]钱家欢,殷宗泽.土工原理与计算[M].第2版.北京:中国水力水电出版社,1996.
超长群桩 篇2
关键词：超长群桩,高承台,桩身压缩,沉降,计算
0前言
超长群桩沉降计算是一个非常复杂的问题,涉及到群桩本身的几何外形尺寸、桩土相对刚度条件、荷载的大小及其传递规律等等,但限于目前的研究水平,人们尚未提出能考虑各种因素影响的沉降计算方法。对于超长群桩而言,现行国内规范均没有考虑桩身压缩对沉降的贡献[1,1,2,1,2,3,4,5],而美国路桥规范则考虑了此项[6]。为此,本文基于苏通大桥主塔群桩基础下的地基条件,考虑桩身弹性压缩对沉降的影响,针对两类超长群桩进行沉降计算研究,提出对超长群桩基础比较合理的沉降计算方法。
1 计算方法
对于超长群桩,国内现行有关地基基础的规范中,目前还没有一种规范提到“超长群桩”这一已在工程实践中广泛应用的基础类型[1,1,2,1,2,3,4,5],更谈不上考虑其压缩变形量对整个桩基础的贡献了。美国各州公路和运输工作者协会(AAHTO)制订的《美国公路桥梁设计规范:荷载与抗力系数设计法》(SI单位,1994年第一版)对超长钻孔灌注群桩的沉降计算提及要考虑桩身压缩变形量的贡献[6],并建议采用Reese和O'Neill所提出的一种估计超长钻孔桩的弹性压缩的近似方法[7],即以桩顶荷载的60%来计算桩身压缩量。
本文假定群桩各桩侧摩擦阻力向下呈线性增大分布,根据群桩中各基桩平均桩端阻力比α导出群桩桩身弹性压缩量的公式。
不妨假定某高承台钻孔灌注群桩基础的总桩数为n,承受桩顶总荷载为N,基桩桩身横截面面积为A,弹性模量为E,桩长为L,其中水流冲击的出土部分长度为L1,入土部分的长度为L2,如图1所示,群桩中各基桩的平均桩端阻力比α,则根据材料力学可以推知整个桩长的弹性压缩变形量△L的计算式为
对于超长摩擦群桩,桩端阻力比很小,当α=0时,则公式(1)可以简化为
若参照美国路桥规范[6],式(2)则变为
考虑桩身压缩对超长钻孔灌注群桩基础沉降的贡献,对于桩距不大于6倍桩径的桩基础,可按等代实体深基础的沉降计算理论公式,即
公式中符号的意义与最新现行规范中沉降计算公式中的规定含义完全相同[4],在此毋须赘述。
2 应用分析
苏通长江公路大桥主桥南塔的工程地质概况①如下:
(1)淤泥质亚黏土:灰色,流塑,高压缩性,Es=4.19MPa,含少量腐植质夹薄层粉砂,有层状结构。其层位较稳定,分布连续,厚度为0.8～20.3m,一般厚5.2m。
(2)亚黏土:灰色,局部粉砂夹亚黏土或粉砂,松散～稍密状,中等压缩性,Es=12.4MPa,含云母,夹薄层亚黏土。其分布较稳定,厚度为0.7～8.4m,一般厚4.8m。
(3)亚黏土:灰色,软塑,中等压缩性,Es=5.0MPa,含腐植质及泥质结核,有层状结构。其层位较稳定,分布连续,厚度为5.3～15.3m,一般厚11.6m。
(4)亚黏土:灰色,软塑,中等压缩性,Es=6.36MPa夹粉砂层或粉砂与亚黏土互层。其厚度为3.2～19.3m,一般厚9.4m。
(5)亚黏土:灰色,中密或软塑,压缩模量Es=10.2MPa,局部为亚黏土与粉砂互层,部分地段为粉细砂。其厚度为9.8～29.2m,一般厚20.4m。
(6)粉细砂:灰色,密实,饱和,压缩模量Es=13.2MPa,部分钻孔局部夹亚黏土薄层。其层位较稳定,分布连续,但起伏较大,厚度为4.0～47.9m,一般厚22.5m。
(7)中粗砂:灰色,密实,饱和,压缩模量Es=16.6MPa,含少量砾石,局部为粗砂。其层位较稳定,分布较连续,厚度为1.2～18.6m,一般厚9.1m。
(8)粉细砂:灰色,密实,饱和,压缩模量Es=14.0MPa,含少量中粗砂及砾石。其分布较稳定,厚度为0.5～10.9m,一般厚6.0m。
(9)中粗砾砂:灰色,密实,饱和,压缩模量Es=19.2MPa,含砾石,局部为粗砂。其分布较稳定,厚度为2.5～21.2m,一般厚8.1m。
根据以上群桩沉降计算方法,以下就针对2×
2 群桩和3×3群桩在全注浆、
最大冲刷深度工况条件下的最终沉降量进行计算。群桩基桩总长为114m,其中入土75m,桩径2.5m,桩间距为6.25m,即2.5倍桩径。
根据在不同荷载阶段对2×2群桩和3×3群桩在全注浆、最大冲刷深度工况条件下桩顶荷载和桩端阻力比的试验研究①②,各基桩平均桩端阻力比α为0.246,沉降计算值与试验值如图2和图3所示[8]。
由图2和图3可知,2×2超长群桩基础的理论计算沉降量与其离心模型试验沉降值相比较,其差值与试验值相比的百分比最大不超过15.3%,与最大差值相对应的作用荷载点为100MN;3×3超长群桩基础的理论计算沉降量与离心模型试验沉降值相比较,其差值与试验值相比的百分比最大不超过17.1%,与最大差值相对应的作用荷载点为300MN。由此可见,考虑桩身压缩量对超长钻孔灌注群桩基础沉降贡献的沉降计算的方法是合理的。
计算研究表明,桩身压缩量对超长钻孔灌注群桩基础沉降贡献在荷载不同阶段所占比例不同。2×2超长群桩基础的桩身压缩量占总沉降的百分比最高可达10.3%;而3×3超长群桩基础的桩身压缩量占总沉降的百分比最高可达9.5%。可见,不能忽略桩身压缩量对超长钻孔灌注群桩基础沉降的的贡献。
由公式(1)得知,当桩总长确定后,L1越长,△L越大,说明高承台超长群桩承台越高,桩身压缩量越大。
此外,由试验所得的平均桩端阻力比α为.0.246,代入公式(1)后与公式(3)相比,不难发现,两者相差甚微,说明美国路桥规范建议采用Reese和O'Neill所提出的一种估计超长钻孔桩的弹性压缩的近似方法是可行的。
3 结论
(1)超长钻孔灌注群桩基础沉降计算应该考虑桩身弹性压缩的贡献。
(2)高承台超长群桩承台越高,桩身压缩量越大。因此高承台超长钻孔灌注群桩基础沉降计算更应考虑桩身弹性压缩的影响。
超长群桩 篇3
官渡河特大桥全长1243m, 孔跨布置为9×40m先简支后连续T梁+ (100+190+100) m预应力混凝土连续刚构+12×40m先简支后连续T梁。10号主墩为C50混凝土变截面薄壁空心墩, 墩身高度123m;C40混凝土矩形承台结构尺寸为21×28.5×6m;群桩基础为20根直径φ2.5m、长59m的嵌岩桩, 持力层为中风化溶蚀灰岩。
桥址区属于长期强烈剥蚀、溶蚀作用形成的中低山河谷地貌。桥梁横跨官渡河, 河床宽约30m, 两岸为坡度和高差均较大的斜坡, 局部地方为基岩陡坎, 整体呈“V”型。斜坡坡面局部地方基岩出露, 溶槽、溶隙等岩溶形态非常发育, 两岸陡壁可见多处小型溶洞。10号主墩位于官渡河温水侧陡坡上, 距离河床较近, 桩顶设计标高945.653m、桩底设计标高886.653m, 官渡河常水位913.500m。
根据钻探成果表明:桥位区表层第四系覆盖层为全新统坡残积层 () 粉质粘土, 下伏地层岩性为三叠系下茅草铺组二段 () 中风化泥质白云岩和中风化灰岩。各岩土层工程地质基本特征为:
第 (1) 层粉质粘土 (0~18.2m) :稍湿, 硬塑~可塑状, 局部含少量碎石, 厚度不均匀, 连续性较差。
第 (2) 层泥质白云岩 (18.2~39.5m) :泥晶结构, 钙质胶结, 块状构造, 岩质较软, 溶蚀较发育。岩芯较破碎, 呈短柱状及碎块状。
第 (3) 层溶蚀灰岩 (39.5~65.8m) :隐晶质结构, 钙质胶结, 厚层状构造, 岩质较坚硬, 溶蚀较发育。岩芯较完整, 多呈柱状, 少量呈短柱状及碎块状。
溶洞的发育不规则、无规律, 小型溶洞较多, 部分桩基范围内的溶洞呈糖葫芦串状, 高程893.060~896.060m范围为贯通式溶洞, 洞内无填充物。桥址区地下水为第四系孔隙水、基岩裂隙水和岩溶水, 见图1。
2 施工方案比选
岩溶地区的桥梁桩基础施工一般采用机械成孔法或人工挖孔法。采用机械成孔法施工时, 宜采用冲击钻机成孔工艺, 但在施工过程中易遇到漏浆塌孔、偏孔、卡钻、掉钻等事故, 群桩基础施工时需分多批次成孔, 施工工期较长、经济成本较高, 且泥浆处置不当还会造成环境污染。人工挖孔法的适用范围较广, 群桩基础施工时可一批次成孔, 施工速度快、经济成本相对较低, 但在超长桩基础施工时的井下作业环境差、劳动强度大、安全风险较高。
10号主墩原地面地势陡峭, 基岩溶蚀发育, 紧邻官渡河, 河水为沿线居民的主要生活用水来源。在施工过程中, 存在河水通过溶洞、溶隙等倒灌进入桩孔的可能性。综合考虑质量、安全、工期、环境保护等各种因素, 决定采用人工挖孔法进行施工, 若遇孔内渗水无法强力排干时再采用冲击钻机成孔。
3 挖孔桩施工
3.1 施工顺序
10号主墩20根桩基一批次成孔。由于桩间净距较小, 横桥向仅3.5m、顺桥向仅3.0m, 为了尽可能地避免相邻桩孔护壁被爆破作业破坏, 保证施工安全, 相邻桩基的开孔时间应错开, 按开挖深度高差不小于8m进行控制, 确保在爆破作业时相邻桩孔护壁混凝土龄期达到7d、强度达到80%以上。采用梅花形开挖顺序:先开挖1#、3#、6#、8#、9#、11#、14#、16#、17#和19#孔, 挖孔进尺达到8m以上时再开挖2#、4#、5#、7#、10#、12#、13#、15#、18#和20#孔。先开挖的10个桩孔还可起到降水井的作用, 利于减小后续10个桩孔的施工难度, 加快施工进度。
3.2 施工准备
基坑开挖线测量放样后, 在线外修建截水沟。机械开挖基坑至承台设计底标高以下20cm处, 开挖完成后立即进行坡面防护。在基坑周边设置排水设施, 浇筑厚20cm的C30混凝土承台垫层并预留桩孔位置。桩位的测量放样必须准确无误。
岩溶地区的人工挖孔桩施工应严格遵循先超前地质钎探、后人工挖孔作业的原则。施工前必须先探明各桩位的地质构造情况, 并做好周全的安全技术措施准备及进行详细的安全技术交底。本桥采用地质钻机对每个桩孔进行地质勘探并取样, 钻孔深度大于设计桩长7.5m以上。根据取出的地质样本并结合设计地勘资料分析溶洞分布、构造等情况, 确定相应的处理方案。
3.3 护壁设计和施工
为了防止孔壁坍塌, 保证施工安全, 并考虑岩溶地区地质情况的复杂性, 孔壁采用内齿式C30钢筋混凝土全程支护, 混凝土中掺配速凝剂和早强剂。护壁上口厚度为40cm、下口厚度为30cm, 每节高度≤100cm, 上、下两节护壁混凝土搭接高度为5cm。孔口设置锁口并高出地面≥30cm, 锁口混凝土厚度50cm。护壁内钢筋网片采用层距15cm的准12mm环向钢筋、间距20cm的φ16mm竖向钢筋绑扎而成, 上、下两节护壁的竖向钢筋应连接成整体。在稳定性较差的覆盖层内、遇较大渗水和处理溶洞时, 可视实际情况采取提高护壁混凝土标号、加厚护壁、增设锚杆或缩短支护高度等措施, 见图2。
考虑到若遇孔内渗水无法强力排干时需采用冲击钻机成孔, 为了避免冲锤摆动破坏护壁混凝土, 故人工挖孔的护壁内径较设计桩径扩大20cm即φ2.7m。
自行加工的护壁模板采用厚度δ3mm钢板作面板、L75mm角钢作加劲肋、上下口弦长位置各用1根L10mm角钢作横撑, 每套模板由3块等尺寸的模板拼装而成, 模板间采用螺栓连接, 不另设支撑, 以方便浇筑混凝土和下一节挖孔作业。护壁钢筋网片在孔外分片制作完成后吊装下孔, 在孔内连成整体。模板安装完成后, 在拌合站集中拌制混凝土、罐车运输至现场, 用特制料斗吊运下孔入模、插入式振动棒振捣密实。
3.4 土层开挖
土层挖掘用人工从上至下逐层用铁镐、铁锹等手持工具进行, 遇硬土、软石利用风镐破碎。挖掘次序为先中间后周边, 严格控制尺寸, 确保护壁厚度。每次装碴量不得超过提碴桶容积的70%, 遇大块孔碴必须进行破碎。孔碴装入提碴桶后, 用电动提升设备提升至孔口后运至弃土场集中堆放, 不允许在孔口堆放和随意乱倒。出碴时, 利用上节护壁的台阶放置用钢板和型钢制作而成的“弯月”形遮盖, 孔内作业人员躲避至遮盖下方, 避免掉物伤人。
提升设备采用自带限位、限速、漏电保护器等安全装置的20k N电动卷扬机。提碴桶采用厚度δ3mm钢板定制成圆柱体, 内径φ0.5m、高0.5m, 自带可锁定的桶盖。提碴桶通过专用绳卡固定在卷扬机钢丝绳上, 孔碴运至孔口后, 通过提升设备旋转装置直接移至孔口外, 倒入手推斗车, 用人工推运至承台范围以外的临时堆放场地, 再用装载机配合碴土车运输至弃土场。在挖孔施工作业过程中, 不允许大型机械设备进入施工场地。
3.5 岩层爆破开挖
开挖至岩层后, 需进行孔内爆破。先进行孔内爆破的专项设计, 采用浅眼松动爆破法进行爆破, 并严格控制炸药用量, 避免护壁被炸坏, 减小对相邻桩孔及周边环境的影响程度。由于挖孔桩断面较小, 采用全断面毫秒微差控制爆破一次成型, 利用高精度毫秒电雷管实施一次点火、多次引爆, 并在同一网路中按一定顺序起爆。炮眼布置方式采用“环形梅花布孔法”, 由中心至桩周分别布置掏槽眼、辅助眼和周边眼, 按先掏槽、再辅助、最后周边的顺序起爆, 以实现微差控制爆破。炮眼深度0.8m, 装药量不超过眼孔深度的1/3。爆破时相邻桩孔应错开起爆, 不能同时起爆, 以减小影响、确保安全。爆破施工过程中要求桩壁预留10cm、开挖至桩底时底部预留50cm, 用人工加风镐凿除, 见图3。
爆破作业时, 所有人员必须撤离至安全范围内, 不允许边爆破边施工, 孔口覆盖用主动防护网和橡胶皮制成的遮盖, 避免飞石伤人。爆破后必须排完烟尘, 对孔内空气进行检测并合格后才能下孔作业。每次爆破后安排专人清除危石和掉落在护壁台阶上的石碴, 并修补被破坏的护壁, 以上工作完毕后才准进行正常施工。
采用上述施工方法进行岩层爆破开挖, 振动幅度小、孔内护壁完好, 对周边桩孔基本无影响, 且开挖轮廓较理想, 石碴大小均匀适中, 开挖施工进度快, 并有效确保了施工安全。
3.6 孔内排水与通风
当孔内出现地下水时, 应根据渗水量大小制定相应措施进行处治, 避免因渗水影响正常施工和护壁混凝土质量。少量渗水采用速凝砂浆、水玻璃等材料进行封堵;较大渗水采用在出水位置埋设管道穿过护壁并用软管引至孔底, 孔底设置集水坑, 再用高扬程污水泵抽排;渗水量大时, 则用多台大功率高扬程污水泵抽取强排。同时护壁混凝土需提高标号, 掺加速凝剂、早强剂以提高早期强度。其中10#、13#、16#孔施工至河床常水位以下后的渗水量大, 但分别用5台大功率高扬程污水泵抽取强排后也能较正常施工作业, 故判定高程893.060~896.060m的贯通式溶洞未与河床连通, 所有桩基均采用人工挖孔的方式终孔。
在10#主墩承台范围外安装1台12m3/min的大功率空压机集中送风, 用钢管接至孔口, 再用通风软管送入孔底。同时配备1台250k W发电机和多台3m3/min的小型空压机, 确保在遇停电、机械故障等情况下时能及时通风。
3.7 溶洞处理
探明溶洞位置后, 施工至洞顶时应提前做好对应的安全防护工作, 利用护壁台阶搭设钢管脚手架操作平台, 作业人员系好安全绳, 孔内机具捆好保险绳, 防止发生坠落事故。利用风镐人工凿开溶洞, 人员立即撤离, 强制向洞内送风直至洞内气体检测合格。小型溶洞直接用C25素混凝土填充, 混凝土终凝后再继续施工。在开挖至高程893.060~896.060m的贯通式溶洞时, 采用P.O.32.5R水泥拌制石碴回填, 固结硬化后再继续施工。
3.8 钢筋笼制作安装和桩基混凝土灌注
单根桩基钢筋笼重量达16.7t, 采用“预拼接长”的方式在钢筋加工厂内分节制作完成后再用汽车运输至孔口, 再在孔口用5023型塔吊配合50t汽车吊分节拼装接长下放钢筋笼并准确定位。桩基钢筋笼安装完成, 所有桩孔内水位稳定后, 即可采用水下混凝土灌注法进行桩基混凝土施工。
4 结束语
因本桥位于岩溶地区, 地质条件复杂, 若采用机械成孔法施工, 极易发生漏浆塌孔、偏孔、卡钻、掉钻等事故, 且需分多批次成孔, 施工工期长、经济成本高, 且泥浆处置不当还会造成环境污染。采用人工挖孔法施工, 只要措施科学、合理, 不仅工艺流程简单直观, 易于保证工程质量和施工安全, 施工工期短、经济成本相对较低, 其技术经济效益和社会效益是可观的。
摘要：本文以官渡河特大桥10号主墩20根直径φ2.5m、长59m的群桩基础采用人工挖孔施工为例, 介绍该桥在岩溶地区采用人工挖孔法施工超长群桩基础的施工工艺, 为类似桥梁桩基础施工提供参考。
关键词：岩溶地区,超长,群桩,人工挖孔
参考文献
[1]《公路桥涵施工技术规范》 (JTG/TF50-2011) [S].