嘉绍跨江大桥φ38m大直径钻孔桩工艺试验研究.docx

嘉绍跨江大桥3.8m大直径钻孔桩工艺试验研究 摘要：文章重点介绍了嘉绍跨江大桥水中区3.8m大直径超长钻孔桩施工工艺参数的研究。简要介绍了双荷栽葙自平衡法竖向承载力测试技术。为以后大直径超长钻孔桩施工和超大吨住钻孔桩竖向承栽力测试提供了经验和方法。 下载 关键词：大直径钻孔桩；跨江大桥；双荷载箱；自平衡法 中图分类号：U441 文献标识码：A 文章编号：1674-1145(201 0)14-0150-03 嘉(兴)绍(兴)跨江大桥是跨越钱塘江河口段的一座特大型桥梁，全长10.2km。桥位处河床宽浅、潮强流急、涌潮汹涌、河床变化剧烈，受风浪和涌潮影响，水域有效作业时间极为有限，基础施工难度较大。该桥水中区引桥采用70m箱梁.先简支后连续，单桩独柱基础。无承台施工。桩基采用3.8m的大直径钻孔灌注桩，桩长100116m，设计容许承载力82000kN。桩身自上而下穿越地质覆盖层主要为亚砂土、粉砂、淤泥质亚粘土、圆砾、卵石、强风化泥质粉砂岩、弱风化泥质粉砂岩。桩端为弱风化泥质粉砂岩，嵌岩深度8m，桩底岩石强度100120Mpa。桥位附近潮流为非正规半日浅海潮流，最高潮位5.45m，最低潮位-3.15m，最大潮差8.59m，最大涨潮流速6.65wds，最大落潮流速为4.40m/s，设计5年一遇涌潮高度2.5m。 如此超大直径超长桩在国内外建桥史上尚属首例。为获得各土层及桩端持力层有关参数、测定桩基沉降和变形、验证桩端后注浆效果，确定单桩极限承载力，给嘉绍跨江大桥实际建设过程中提供桩基施工工艺参数和依据，大桥建设方决定在主航道桥南岸(绍兴侧)水中区引桥区域，采用非工程桩进行试桩专题研究，静载试验采用自平衡法。下面主要介绍3.8m钻孔桩各施工工序的工艺研究结果。 一、钻孔桩施工工艺 (一)钻孔平台设计 钻孔平台依托既有施工栈桥设置，其承载力及空间尺寸主要考虑以下影响因素：(1)抵御波浪力及涌潮力作用，满足大型施工设备承载力要求；(2)钢护筒节段及其施沉所需大吨位起吊设备和大功率振动锤的临时存放空间和荷载；(3)钻孔过程中，同时布置大吨位起吊设备、大功率钻机、泥浆循环池、水箱、发电机、空气压缩机、泥浆净化器、钻杆等机具设备，以及施工通道的要求；(4)钢筋笼下放及混凝土灌注过程中，钢筋笼节段和导管临时存放、起吊设备以及混凝土泵车、罐车作业的需要；(5)大桥实际施工时，桥墩施工及墩顶0#块架设要求等。 钻孔平台采用100010mm钢管桩基础、双层贝雷桁架主桁结构、I12.6工字钢和8mm厚菱形花纹钢桥面板结构，按起吊设备作业区、材料及半成品堆放区和钻机设备布置区分区设置，总平面尺寸30m21m，用钢量约500t。对于钻孔区域及大型起吊设备作业区，进行了加强设计。平台构造示意如图1所示。钢管桩基础采用100t履带吊配合DzJl20型振动锤施打，上部结构利用100t履带吊拼装。 (二)钢护筒制作下沉 考虑施工期间可能遇到的最高水位+5.91m.钢护筒设计全长52m，材质Q345C，内径4.2m，下部15m范围壁厚30mm，其余壁厚25mm，总重约150t。为了减小钢护简施沉过程中的阻力及防止底口变形，钢护筒底口设置刃脚。并在底口以上50cm范围内加焊20mm钢板进行局部加强。钢护筒在工厂内分5节，采用直缝法制作，每节钢护筒两端设十字型钢支撑，以减小运输和吊装过程中的局部变形；其最大节段重48t，采用50t平板车运输。 为保证钢护筒斜率，护筒下沉时设置双层定位导向架，间距6m，下层导向框四周安装四个千斤顶，用以纠偏、微调。如 在水流相对平稳的平潮时进行首节钢护筒的吊装、下放.两台全站仪沿相互垂直的两个方向全程测控，以确保其平面位置及垂直度精度。首节施沉钢护简长24m，重72.5t，采用300t汽车吊和lOOt履带吊同时起吊，为保证吊装安全，100t吊车钩住钢护筒底口始终保持35t的拉力，待钢护筒竖起后，通过300t吊车将钢护筒下放到孔位。 钢护筒入土深度超过35m，首次施沉采用DzJ150加强型双联动振动锤，在施沉至第三节(16m)时，因振动锤液压央钳系统未采用等强度设计，振动锤液压夹钳及护筒顶口发生破坏，振动锤无法发挥至最大功率，护筒施沉施工被迫中止。钢护筒再次施沉时，考虑到两次施沉时间间隔23天，桩侧原已液化土层经长时间重新固结，更加密实，桩侧摩阻力大为提高，施沉难度增大，最终采用APFA00B型双联动振动锤，并改进振动锤-的夹钳布置，将“一”字形4夹钳夹桩方式改为“十”字形的6夹钳夹桩方式(如图3所示)，以保证施沉时护筒顶部激振能量的有效传递；钢护筒顶口进行有效局部加劲，以防止在后续的施打过程中破坏。 钢护筒继续施沉至36.35m时(原设计40.0m)，下沉困难。考虑到护筒人土深度已较深，可满足钻孔施工要求，且钢护筒底已进入粘土层，土层强度较大，继续强行施沉可能会造成护筒底口变形，影响钻孔施工。故终止施沉，钢护筒施沉施工结束。 (三)钻孔施工 基于国产化设备的考虑，以及在弱风化泥质砂岩中施钻所需最大扭距280 kN.m、钻杆的强度及刚度、钻头动力等因素，选择KIT4000型液压动力头钻机用于f 3.8m超长桩的钻孔设备、气举与泵吸反循环两用钻杆。钻进时，为减少提钻次数、节省工期，在粘土、砂、强风化泥岩层、圆砾层、卵石层及以上土层中，其天然单轴抗压强度Rc小于6Mpa，选择单环四翼刮刀钻头，并采用大尺寸合金加密钻齿；在RC大于6Mpa的泥质砂岩中选择滚刀钻头。 泥浆采用不分散、低固相、粘度高的淡水PHP泥浆，主要成分包括膨润土、CMC、碳酸钠、FCI、PHP、加重剂等。其配合比及控制指标见表1、表2。初始钻孔时，采用正循环方式开口。钻进至护简底口后改用反循环方式排渣。随时测试泥浆指标，偏离要求时，开启泥浆分离净化器，加入泥浆制作材料调整泥浆指标。采用双泥浆泵并联供应泥浆，增大泵量，提高泥浆循环速度，增强泥浆携带钻渣的能力；用优质膨润土和化学外加剂提高泥浆粘度，以减缓砂粒沉淀速度；随时对泥浆指标进行测试，及时降低泥浆含砂率；严格要求钻杆接头的密封性，确保泥浆反循环排渣效率；及时排除废弃泥浆，勤捞沉淀池中的沉渣，及时补充泥浆。 从防止塌孔的角度考虑，护简内水头始终保持在略高于高潮位的位置。 为保证钻孔垂直度，在钻头上部设置了导正器。并设两个单重20t的配重钻杆，使钻具在重力的作用下始终垂直向下；在护筒内的钻杆上按2030m的间距设置两个钻具扶正器，以减少钻杆的自由变形长度；钻机转盘始终保持水平，每加23节钻杆，检查一次钻机水平度和钻杆垂直度情况；钻杆每隔20m左右设导向筒。 钻孔过程中根据不同地层，调整钻压、钻速。在一般松散粉细砂层，低档慢速钻进。在胶结砾砂层，采用中档中速，并 适当增加钻压。在密实的中粗砂层中，采用减压快速钻进，孔底承受的钻压控制在钻具重力之和(扣除浮力)的50以下。以确保钻孔的垂直度。具体地层的钻进参数详见表3： (四)清孔和成孔检测 一清采用钻机钻杆清孔，利用泥浆循环系统置换孔内泥浆。经泥浆分离器分离后流回孔内；二清采用导管气举反循环法清孔，控制风压在58bar，不宜过大或过小。 采用日本KAUO公司的KE-200(改进型)超声波孔壁测定仪或用于矿山钻并施工的基于机械工作原理的孔壁测斜仪可满足3.8m大直径桩成孔质量检测要求。 (五)钢筋笼加工安装 钢筋笼长116m，重86t，主筋采用镦粗直螺纹接头。钢筋笼在加工场地采用长线法分节加工；为保证其存放及吊装时的刚度，每2m设置一道“米”字形型钢加劲箍圈。钢筋笼利用250t汽车吊和25t汽车吊协同起吊，下放。下放完毕的钢筋笼利用40mm厚钢板加工而成的挂钩挂在钢护筒上。 (六)水下混凝土灌注 单桩C30Z混凝土1550m，由2台120搅拌站集中供应，罐车运输，泵车送料，内径410mm8mm单导管灌注。鉴于3.8m大直径桩的特点，混凝土配合比设计时，适当延长混凝土的初凝时间，参加适量粉煤灰以降低混凝土水化热，确保混凝土具有良好的和易性。 首批混凝土通过30 m混凝土储料斗集中灌注。导管埋深1.5m；正常时，采用混凝土罐车倾倒和1辆泵车泵送混凝土经1m小料斗灌注，导管埋深控制在5-10m。灌注过程中至少需沿桩径设置四个观测点，同步测量孔内混凝土面标高，相互校核，以减少因混凝土断面大而出现的测设误差。 二、承载力测试 采用自平衡测试法，由于预估极限承载力达205000kN，共设置上下两个荷载箱。在混凝土浇注之前将两个荷载箱和钢筋笼一起埋入桩内相应位置，将荷载箱的加压管以及所需的其他测试装置(位移、应变等)从桩体引到地面，然后灌注成桩，如图4所示。在地面由加压泵向荷载箱加压加载，荷载箱产生上下两个方向的力，并传递到桩身。由于桩体自成反力，可得到相当于两个静载试验的数据：荷载箱以上部分，获得反向加载时上部分桩体的相应反应系列参数；荷载箱以下部分，获得正向加载时下部分桩体的相应反应参数。通过对加载力与参数(位移、应变等)之间关系的计算和分析，获得桩基承载力、每层土层的侧阻系数、桩的侧阻、桩端承力等系列数据。 荷载箱分别埋设于桩底上13.5m、桩顶下36.5m处，其承载力分布AB、ABC、BCA。通过对上下荷载箱多级加载测试，经分析计算，该桩注浆前、后的竖向抗压极限承载力分别为189850kN、207350kN。 三、结语 2008年对嘉绍跨江大桥3.8m大直径钻孔桩进行