14-南流泉高架桥下部主体工程施工技术的研究与探讨(五).doc

桥梁施工新技术现场经验交流会 南流泉高架桥下部主体工程施工技术的研究与探讨南流泉高架桥下部主体工程施工技术的研究与探讨第五工程有限公司 李维瑞内容摘要： 重点介绍了针对桩基施工方法变更、混凝土泌水及盖梁施工中遇到的技术问题所进行的研究和探讨，并提出了自己的认识和观点。关 键 词： 高架桥 挖孔桩 混凝土泌水 盖梁施工1.工程概况青莱高速公路马站至莱芜段设计标准为双向六车道，设计时速120km/h，荷载等级-级，为交通部典型示范环保工程。青莱高速公路马莱段第四合同段K148+260南流泉高架桥下部构造为双系梁双柱式桥墩、柱式台、肋板台配桩基础。桩基础直径分别为1.8m和1.5m。桩基和墩柱间布置1.8m1.2m承台。下墩柱直径1.6m，上墩柱直径1.5m，墩柱平均高度18m以上，在墩柱中间布置1.2m1.4m系梁。高墩盖梁底宽1.7m，高1.6m，长15.9m。2.桩基础施工设计为钻孔灌注桩，考虑到施工成本和环保要求改为挖孔桩施工。由于在桩基础设计中没有专门针对适宜挖孔操作地层的挖孔桩设计，因此，现行的高速公路桥梁桩基础设计主要以钻孔灌注桩为主。本桥钻孔桩改为挖孔桩的技术依据：a.原设计为嵌岩桩，规范允许采用挖孔桩施工。b.地质条件基本为水平节理的强、弱风化页岩和泥灰岩，桩孔开挖后孔壁围岩的稳定性好。由于地质状况良好、地下水位较深（或无地下水）,所以将钻孔桩改为挖孔桩施工，并且挖孔桩的成桩混凝土干式浇筑质量明显优于钻孔灌注桩水下混凝土的施工质量。下面基于摩擦桩理论，我们分析了人工挖孔桩和钻孔灌注桩的单桩承载力，采用对比的方法进行了钻孔桩改挖孔桩的可行性分析。2.1人工挖孔桩与钻孔灌注桩的单桩承载力分析桩基按其纵向受力状态可分为端承桩（嵌岩桩）、摩擦桩和端承摩擦桩三类。因桩基础设计理论主要以经验公式为主，而钻孔桩改挖孔桩对承载力究竟有多大影响，目前，没有成熟的理论依据做参考。端承桩主要靠桩底基岩承受使用荷载，而忽略了桩侧摩阻力的作用。由于挖孔桩不会存在桩底沉渣而对桩底受力产生不良影响，并且更容易判定桩底基岩的地质状况，因此挖孔桩比钻孔桩更容易保证提供可靠的桩端支撑作用。2.1.1钻孔灌注桩单桩承载力分析钻孔灌注桩单桩的极限承载力Pu是桩轴的极限摩阻力和桩底极限抗力的总和1，其表达式如下：PuPsuPbuWp其中：Psu为桩轴的极限摩阻力；Pbu为桩底的极限抗力；，Wp为桩的自重。Psu可以从桩轴表面积上的桩土抗剪强度a的总和来估值，而aCa+ntana式中：Ca为桩土间的粘着力；n为桩土间的法向应力；a为桩土间的摩擦角。由于v=nKs，其中v为垂直应力，Ks为侧压力系数。因此，aCa+vKstana所以PuPsuPbuWpAsaliPbuWp式中As为各层中桩轴单位长度上的表面积，li为桩身各段的埋入长度。2.1.2 挖孔灌注桩单桩承载力分析现行的外齿形护壁桩（即人工挖孔灌注桩）的经验设计公式可表示为：QUK = QSK + QPK = UesiqskiLei+biAb式中：QUK为桩身的极限摩阻力和桩底极限抗力的总和；QSK为桩身的极限摩阻力；QPK为桩底极限抗力；Ue为桩身周长；qski为不同土层的桩侧摩阻力常数；Lei为桩周土层分布厚度；Ab为桩身有效截面面积； si为桩侧阻力折减系数，当桩侧土质为砂土、碎石类土时，si=（0.8/de）1/3 （de为包括护壁混凝土厚度的桩身实际直径），当桩侧土质为粘性土、粉土时，si=1；bi为桩端阻力折减系数，bi=（0.8/D）n，D为桩身设计直径，n为经验系数（当桩端土质为粘性土、粉土时，n =1/4；当桩端土质为砂土、碎石土时，n =1/3）。从桩基的设计规范我们可以看出：在设计过程中Ca的取值在钻孔灌注桩和干式成孔桩中是一样的。而v是土重度和孔隙水压力的函数，Ks是一个经验值系数，a对于特定的土层为一常数。挖孔桩的施工是以人力操作为主产生的对土体的扰动要小于机械成孔，不会对上述三个常数的取值产生影响。从外齿形护壁桩（即人工挖孔灌注桩）的经验设计公式可以看出：对于粘性土、粉土质地层人工挖孔桩的桩侧摩阻力发挥效果优于钻孔灌注桩。由于人工挖孔不存在桩底沉渣或者存在很少，桩端阻力折减系数bi也小于钻孔灌注桩。2.2钻孔灌注桩改人工挖孔桩的可行性2.2.1 挖孔桩护壁效应分析如果开挖后地层的自稳性能较差，需护壁施工。护壁施工会增加桩的自重（扩孔造成的），以及护壁的施工是否会影响桩与土体共同作用的受力状态是我们所关心的问题。从设计的经验我们可以判定，相同地质条件下对于2.0m直径的摩擦桩承载力要远远大于1.5m直径的摩擦桩，即对于摩擦桩的扩孔桩效应增加的承载力要大于扩孔效应增加自重的不利效应。从剪应力a的角度来分析，护壁混凝土与桩体混凝土的结合力要远远大于护壁混凝土与土体接触面的剪切力，而不会发生护壁混凝土与桩体混凝土结合面的剪切破坏，桩的受力破坏仍然依赖于桩周土体的强度，这一点与钻孔桩是一致的。现行公路桥涵施工技术规范JTJ041-2000要求护壁混凝土的强度不低于桩身混凝土设计强度，可以有效保证桩身混凝土和护壁混凝土强度的整体性。对于桩基施工过程中的孔壁应力释放对桩基承载力的影响，人工挖孔与钻孔成孔各有优缺点。钻孔成孔过程中护壁泥浆的压力会降低孔壁的应力释放效应，但其从钻孔到混凝土灌注过程时间较长，会增大应力释放效应；挖孔桩可以边开挖边护壁施工，应力释放效应持续时间较短，护壁与周边土体共同作用可以有效减少孔壁应力释放效应。2.2.2钻孔桩泥浆护壁效应分析钻孔灌注桩采用泥浆护壁的施工工艺，其桩土界面存在一薄层泥浆夹层，这层泥浆的存在将引起钻孔灌注桩承载力的降低，但是其降低幅度与钻孔粗糙度有关。当孔壁光滑时，桩身凹入和凸出部分的尺寸相差不大，由于桩的竖向位移迫使桩周土膨胀产生的径向应力本身就不大，再加上泥浆夹层的压缩抵消了一部分径向力，因而桩的承载力往往较低。当孔壁粗糙度增加到一定程度时，钻孔桩的破坏滑动面就不再沿泥浆夹层而是沿桩周土体展开。此时，对桩基承载力起控制作用的就不再是桩土之间的摩擦力，而是桩周土体的强度。对于挖孔桩，混凝土人工浇筑过程中混凝土对孔壁侧压可能会降低，影响桩基受力。这一点我们可以象传统钻孔灌注桩那样在混凝土中加入缓凝剂来解决。只要保证一根桩混凝土浇筑完成之前桩底最先浇筑的混凝土还未初凝，就可以认为上层混凝土的自重足以提供等效于水下灌注过程中泥浆水压力对已灌注混凝土对孔壁侧压力的作用。另外，从桩端阻力强化效应的考虑出发，如果地质条件允许,建议桩底35m范围内不做护壁施工，不会影响桩底的承载力效应。2.3施工中遇到的问题及解决办法a.孔壁渗水：主要采取开挖后及时浇筑护壁混凝土和在相临护壁混凝土接缝位置预留泄水管，及时排除孔壁渗水和降低渗水压力。b.混凝土和易性差：新规范要求桩基础混凝土采用P.O42.5水泥，水泥用量降低以后，混凝土流动性受到影响，以往我们关心更多的是混凝土的坍落度，实际上混凝土的扩散半径更能说明问题。 c.导管接缝不严：重新更换胶圈或导管，否则会引起导管内混凝土堵塞。3.墩柱混凝土施工3.1桥梁墩柱施工的外观质量控制a.控制墩柱模板的加工质量，是保证墩柱混凝土外观的基本条件。b.混凝土振捣质量控制：主要做到振捣分人分区，根据试验墩柱总结的经验数据，不同的坍落度采用不同的振捣时间和振捣间距。c.混凝土质量控制：在本工程我们所遇到的难题在于混凝土泌水。主要表现在混凝土振捣510分钟以后混凝土表面析出清水，混凝土分层振捣时当振捣棒插入下层混凝土时，当振捣棒上提时会出现明显的泛水现象。最初我们选用的是奈系减水剂，经过两个品牌奈系减水剂的试验柱对比试验，改进效果不明显，经专家推荐，我项目部在南流泉高架桥墩柱混凝土施工时，试用了SP-8C聚羧酸高性能减水剂这一最新产品，虽未从根本上解决现场实际问题，但聚羧酸系减水剂高性能化、多功能化、生态化的特点和突出的应用效果比较明显。之后我们又在现场作了针对性试验,基本上克服了混凝土泌水现象,从而保证了墩柱的外观质量.3.2针对混凝土泌水现象项目上开展的技术攻关工作在墩柱浇筑施工过程中存在泌水（清水）现象，混凝土坍落度越大，泌水现象越明显而且离析。在混凝土分层振捣过程为保证振捣质量，一般振捣棒插入下一层510cm，随着振捣棒上提其周边会有明显的返水现象，尤其在振捣混凝土静止一段时间后更明显。3.2.1混凝土泌水产生的内在原因 泌水是混凝土在浇注捣实以后硬化凝结之前,从外观看混凝土表面出现水分或模板接缝渗出清水的一种现象。泌水的实质是水从拌合物中分离出来，实质上，它也是一种离析。泌水是由于混凝土捣实后较重的固体组分沉降时，组成材料的饱水能力不足使拌合水处于分散状态所引起的。这一现象一直持续到沉降完全结束，混凝土完全凝结硬化为止。3.2.2混凝土泌水现象机理水泥混凝土拌和时所加入的水量有两种作用：(1)保证水泥水化过程的进行；(2)使新拌水泥浆或混凝土混合物具有足够的流动性，以便于浇捣成型。如果满足后者要求的需水量大于前者所需的最低需水量，多余的水分在水泥浆或混凝土输送、浇捣过程中以及在凝固以前的静置期中，都容易产生离析，这时多余的水分趋于上升至新浇注混凝土的表面。泌水现象是与浆体中固相粒子的沉淀同时发生的，泌水是一种特殊形式的沉淀。泌水一直要持续到水泥浆体硬化到足以结束分层为止。当混凝土成型后的静止过程中，部分密度较大的固体颗粒还会向下沉积，而水则只能向上浮动，一部分水泌出到混凝土的外表面，称为外泌水。另一部分被截留在钢筋及粗骨料的下面形成水囊，水分蒸发后产生孔隙及界面裂缝，这部分水称为内泌水3。3.2.3影响混凝土泌水的因素1a.增加水泥的细度可以减轻泌水；b.水泥碱含量较高时，泌水较少；c.水泥C3A含量较高时，泌水较少；d.掺加有氯化钙时，泌水较少；e.在正常温度范围内，提高温度，泌水的速度增加，但对总的泌水量没有大的影响；f.与贫水泥的拌合物相比，富水泥的拌合物泌水倾向较低；g.细骨料，特别是小于150m颗粒对泌水有明显影响；h.尽量减少混凝土的单位用水量，使用卵石比使用碎石有利；i.有效的引气剂能够减少泌水，可以不用延迟即可在浇注后进行表面修饰；j.添加火山灰材料或铝粉，可以减轻泌水。3.2.4解决混凝土泌水的方法和途径针对混凝土泌水现象，我们现场共进行九次试验墩柱混凝土对比试验和试验室四组水泥胶砂对比试验、八组标准混凝土试块对比试验，借鉴现场小桥涵混凝土工程施工经验，总结出最优施工配合比和施工工艺控制要点。当水泥原始细度愈高，C3A含量愈多（C3A的保水性最强），其分散与水化作用愈强烈，因而在水泥浆内分散的胶体粒子数量增加，粒子的比表面积增加，形成的凝聚结构的接触点增多，这种有巨大固相表面的松散的凝聚结构网能大大增加吸附水的数量，因而其保水能力也就提高了。研究证明，微硅粉掺入量即取代率Si/（Si+C）愈多，混凝土材料愈难以离析和泌水。当取代率达15%时，混凝土坍落度即使达1520cm，也几乎不产生离析和泌水；当取代率达2030%时，将该混凝土直接放入自来水中也不宜产生离析。高频振动可以使水泥浆体在需水量较少的情况下获得较好的流动性，因为振动活化可以使水泥粒子分散度提高，这时能使浆体保水性提高，又会得到结构比较密实的水泥浆2。3.2.4.1混凝土配合比确定本工程为保证在施工高峰季节混凝土及时供应，初步确定了两种不同品牌水泥施工设计配合比，在最初的泰山牌水泥使用过程中就存在外观不稳定现象，改用山铝牌水泥以后，混凝土外观也一直不理想，不加减水剂的混凝土外观质量存在流砂、水线现象，试验墩柱混凝土外观照片可供参考。现场试验室调小施工水灰比及不同坍落度采用的振捣时间，改进效果不明显。详见图1。 山铝牌水泥 山铝牌水泥 每一插点振捣20秒 每一插点振捣30秒 100mm坍落度混凝土外观 60 mm坍落度混凝土外观 泰山牌水泥 泰山牌水泥 100mm坍落度混凝土外观 60 mm坍落度混凝土外观图1 无减水剂混凝土外观a.奈系减水剂的对比试验 最初选用配合比时考虑到泵送混凝土施工因素，选用淄博华伟建材有限公司生产的NF-1型高效减水剂，在小桥涵薄壁墙泵送混凝土成品验收时，混凝土外观不理想（见图2）。后经试验室室内对比试验，现场选用了石家庄铁道学院生产的铁园牌高效减水剂，经现场试验柱对比结果分析，混凝土采用的山铝牌P.O32.5水泥早期水化热比较集中，减水剂中需加入缓凝成分，以避免水泥用量过大，混凝土表面产生收缩裂纹（见图3、4）。 b.聚羧酸系减水剂的对比试验最后，项目部经咨询专家试采用了上海麦斯特牌SP-8C型聚羧酸系混凝土减水剂，此SP-8C型减水剂的显著特点是减水效果突出、在1618cm大坍落度混凝土施工中仍可保持良好的粘聚性。采用SP-8C型减水剂以后试验柱施工过程中泌水现象明显改进，混凝土粘聚性、保水性增加，但成品混凝土拆模后外观未得到明显改善（见图5、6）。我们又采用G-332型聚羧酸系混凝土减水剂与SP-8C型聚羧酸系混凝土减水剂进行了混凝土标准试块对比试验，采用相同的配合比和振动台等时间振捣（见图7）。G-332型减水剂与SP-8C型减水剂相比突出特点是在高温天气具有突出的缓凝效果，理论上可以缓解水泥早期水化热集中现象。标养24h以后拆模，两种混凝土试块外观基本一致，比采用奈系减水剂的混凝土外观有所改进。 存在细密的收缩裂纹图3 普通减水剂混凝土外观图2 缓凝减水剂混凝土外观存在气泡图4 奈系减水剂砂浆表面表面泌水图5 SP-8C型聚羧酸系减水剂砂浆表面无明显水线、流砂纹图6 SP-8C型减水剂试块侧面无明显水线、流砂纹图7 G-332型减水剂试块侧面C.细骨料砂子的试验现场对用砂也进行了对比试验，由于受地域条件限制，本工程只能采用细度模数为3.13.2的粗砂。现场作对比试验时，项目部采用专门远运购进10m3细度模数为2.5中砂，试验墩柱混凝土均采用铁园牌减水剂和相同配合比。试验墩柱此项对比结果表明改用中砂改善了混凝土和易性，而对泌水现象基本无改进效果。(见图8、9)图9中砂试验墩柱混凝土外观图8粗砂试验墩柱混凝土外观 d.配合比最终确定 通过以上一系列混凝土外观对比试验，经过认真技术分析和成本分析决定采用铁园牌高效缓凝型减水剂，掺量为水泥（山铝牌P.O.32.5）用量的4%（厂家推荐掺量为8%），砂子采用粗砂。应用该混凝土配合比外观较好而且混凝土强度满足规范和设计要求(见图10、11)。 图11 4%铁园牌减水剂墩柱外观图10 8%铁园牌减水剂墩柱外观 3.2.4.2现场进行的针对性试验及结论a.预制梁场采用的是高频附着式振捣器，同坍落度混凝土外观较普通50、70振捣棒振捣的效果好。50和70振捣棒振捣的混凝土外观在试验墩柱上基本无差别，证明高频振动对克服混凝土泌水有利。b.采用内掺法掺入级粉煤灰的隧道C25衬砌防水混凝土与正常配合比混凝土外观无明显改善，施工过程观察泌水现象无改进。这一项工作由于在隧道二衬施工中进行了多循环施工，所以未进行试验墩柱的对比试验。本人支持有关学者关于“粉煤灰中有玻璃体和海绵体状态的细小颗粒（劣质粉煤灰的海绵体含量较高），原材料拌合后，海绵体逐渐吸入混凝土中的游离水，混凝土坍落度损失增加。当水泥石晶体开始形成时，微小晶体填充海绵体的空隙，挤出其中的游离水，从而形成泌水，这也是为何粉煤灰混凝土成型后容易泌水的原因。”的这一观点。c.本人认为增加水泥细度来克服混凝土泌水受客观条件限制不说，从混凝土的适用性分析也是不可取的。胶凝材料细度越高，比表面积越大，则湿润胶凝材料表面所需的水量越多，即润湿水量较多；同时如果胶凝材料较细，其反应活性增加，初期反应所需要的结合水也会增加。这两部分水的增加可以逸出形成泌水的自由水量减少，从而对降低泌水有利。”然而实际应用时，由于自由水被细小水泥颗粒吸附为润湿水，从而使混凝土出机坍落度降低或短时间内坍落度损失很大。为得到适宜的工作性，不得不加大减水剂掺量或增加水泥浆量。这样说来，提高胶凝材料细度对改善泌水是没有实际意义的。d.针对水泥碱含量较高时，泌水会较少的这一观点，我们也碰巧进行了相关试验。梁场开工初期，在涵洞预制盖板施工时，我们发现了泌水和表面存在收缩裂纹的现象，通过工艺性改进后无明显改善。现场利用PH试纸测试新拌C30混凝土PH值为13左右，我们在存梁台座的混凝土施工中加入了硼酸，使PH值降低到10左右，结果泌水现象和混凝土外观均有所改善。由于混凝土碱性降低会影响结构的耐久性，况且我国也没有对混凝土的碱性指标作明确界定，所以现场未敢进行主体工程应用。e.富水泥拌合物可减少泌水，但C3A含量过高，早期混凝土水化热集中，易产生表面裂缝。为解决混凝土的泌水问题，当时我们试用中铁一局的无减水剂配合比进行了试验墩柱施工，P.O 32.5水泥用量430Kg，砂率0.43，坍落度7-9cm，同条件混凝土养生试件平均强度达到了44MPa。结果是混凝土表面拆模后存在大量的细小裂纹，中铁一局现场施工的桥梁墩柱也存在同样的问题。f.在2005年12月，我们在冬季施工的涵洞素混凝土墙身中加入了抗冻剂早强剂，它的主要成分就是氯化钙，采用1012cm坍落度施工的C20强身混凝土泌水和外观明显得到改善。3.2.4.3施工工艺保证措施首先，严格控制混凝土施工配合比，确保混凝土的搅拌时间不少于90s,并保证坍落度稳定；其次，混凝土浇筑施工严格分层下料，分层振捣。每层振捣厚度控制在30cm，每层振捣完成后，人工利用海绵及时吸出混凝土表面泌水（从现场施工经验来看这一点虽然不太规范，但对克服表面水纹、泛砂现象很有效果）；再次，要控制混凝土的振捣时间和振捣点间距，推荐坍落度80100mm，振捣时间15s左右，杜绝过振现象以免加重混凝土的泌水效应；最后，从现场竹胶板施工的通道薄壁墙混凝土来看，在同等条件下，竹木模板相比钢模板在克服泌水引起的混凝土外观缺陷方面更有优势。4.盖梁施工支撑体系的计算由于是高架桥，项目部优化了实施性施工组织设计满堂支架的施工方案，改为抱箍和H500型钢组合支撑体系。在组合支撑体系的施工计算过程中，本人利用通用有限元分析软件MIDAS对临时支撑体系进行了仿真数值分析，采用了简化分析模式和仿真分析模式，二者分析结果误差在3%以内，与实测值相比分析结果精度满足施工要求。4.1不同建模方法计算结果的对比分析4.1.1.仿真结构模型的有限元分析为了研究简化处理对结构分析精度的影响，模拟真实结构建立结构仿真分析模型如图12、图13所示：盖梁底模采用梁格单元模拟；盖梁底部纵向支撑双I500工字钢仍采用一般梁单元模拟；对底模梁格单元与双I500工字钢一般梁单元的接触边界采用刚体连接协调模式处理；抱箍对底部纵梁的支撑仍模拟为一端固定铰支座，施加Dx、Dy、Dz三个约束，一端活动铰支座，施加Dy、Dz两个约束；盖梁底模6mm面板采用板单元模拟；作用在板单元上的均布力为1.6m25kN/m3=40kN/m2。仿真模型分析结果跨中最大挠度为28.55mm，如图14所示。图12 仿真分析模型(1)图13 仿真分析模型(2)图14 仿真模型分析结果4.1.2.简化结构的有限元分析 本工程高墩盖梁底宽1.7m，高1.6m，长15.9m（见图15），混凝土自重取25kN/m3，根据经验初步确定盖梁底部纵向支撑采用双I500工字钢，盖梁定型模板底模加工横向采用10槽钢，纵向采用12槽钢作加强纵肋，底角连接采用底模托侧模的加固方式，法兰盘采用10mm扁钢制作，标准M16螺栓U形孔，面板采用6mm开平板。初步有限元分析时，未考虑盖梁底模纵、横向龙骨的刚度的效应和面板的截面刚度效应，将盖梁混凝土自重采用线荷载的形式作用于支撑工字钢。盖梁混凝土自重为1.7m1.6m25kN/m32=34kN/m，变截面部分采用梯形线荷载模拟；支撑工字钢采用一般梁单元模拟，支撑抱箍模拟为一端固定铰支座，施加Dx、Dy、Dz三个约束，一端活动铰支座，施加Dy、Dz两个约束，简化结构分析模型见图16。利用MIDAS有限元分析软件分析结果跨中最大挠度为21.35mm，简化结构分析结果见图17。满足规范=9.4/400=23.5mm要求。图15 盖梁立面布置图（单位：cm）图16简化结构分析模型 图17 简化结构分析结果4.2对比分析结果通过两种结构分析模型分析结果的对比，可知简化分析结果与仿真模型分析结果误差为（28.55-21.35）21.35=3.37%，满足施工精度要求。经过分析，本人认为存在偏差的主要原因：在于进行有限元模型分析时盖梁底模纵横向龙骨对支撑结构的刚度贡献不及模板本身自重对支撑结构