冲孔灌注桩穿越抛石层结构的地震响应分析

冲孔灌注桩穿越抛石层结构的地震响应分析

1结构自振特性的计算结果随着建设项目规模的扩大，已建成的建筑、港口和桥梁项目受到设计人员的重视，并将应急桩用作桩基。特别是在重力码头的设计中，大部分悬臂式钢桥公路梁选择冲孔桩作为基础。当前,专业桥吊生产厂家所生产的桥吊前后轨距一般为30~33m,按重力式码头结构分布,后轨道梁冲孔灌注桩位置均处在码头后方抛石棱体上,要求冲孔灌注桩穿透抛石层达到设计持力岩层,这些抛石层厚度较大,冲孔过程经常出现漏浆、塌孔、卡锤、掉锤等现象,给冲孔灌注桩的施工造成了很大的困难。本文结合厦门海沧港区4#泊位码头桥吊后轨桩基的成孔技术措施,浅谈冲孔灌注桩穿越抛石层的一些认识和结构计算控制的主要计算结果有结构的自振周期、位移、平动及扭转系数、层间刚度比、剪重比、有效质量系数等。在考虑偶然偏心影响的地震作用下,楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移,A级高度高层建筑不宜大于该楼层平均值的1.2倍,不应大于该楼层平均值的1.5倍;B级高度高层建筑、复杂高层建筑不宜大于该楼层平均值的1.2倍,不应大于该楼层平均值的1.4倍。结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比,A级高度高层建筑不应大于0.9,B级高度高层建筑、复杂高层建筑不应大于0.85。这是限制结构的抗扭刚度不能太弱。如果周期比不满足,应调整抗侧力结构的布置,增大结构的抗扭刚度。在结构外围增加墙体或调整墙厚、减少核心筒的刚度、增加外围连梁的高度等加强四周结构的刚度,均可以使结构的扭转周期靠后。对于竖向不规则的高层建筑,根据层间刚度比的结果确定薄弱层(薄弱层为该楼层抗侧刚度小于其上一层的70%或小于其上相邻三层侧向刚度平均值的80%,或该楼层层间抗侧力结构的承载力小于其上一层的80%,或该楼层竖向抗侧力构件不连续),并对薄弱层地震作用标准值的地震剪力乘以1.15的增大系数。另外,地下室水平位移嵌固位置,转换层刚度是否满足要求等,都要求有层刚度作为依据。复杂高层建筑抗震计算时,宜考虑平扭耦联计算结构的扭转效应,振型数不应小于15,对多塔结构的振型数不应小于塔楼数的9倍,且计算振型数应使振型参与质量不小于总质量的90%。也就是说,高层建筑应保证有效质量系数超过0.9,否则意味着计算振型数不够。如果不够,说明后续振型产生的地震作用可能忽略,而忽略将导致地震作用偏小。按此地震作用设计的结构将存在不安全性,所以应该增加振型数重新计算。总之,高层结构计算很难一次完成,应根据试算结果,按上述要求多次调整,才能得到较为合理的计算结果,以保证建体会。2安全冲孔的特殊构造措施根据重力式码头的结构特点,桥吊后轨桩基所处的地质土层中含有大量的人工抛石层,且随着码头基槽开挖的深度越深,抛石层的厚度就越大,抛石层的石体强度高,且石块之间的间隙大,在冲锤作用下,石块会发生错动,相对其他基岩来说,抛石层的弹性更大,加之码头后轨桩基处于受潮汐影响较大的河口地区或海岸区域,受到水位涨落的影响,冲孔时孔内的静水压力很难保持稳定,此外由于冲孔过程机械和其它外力的作用,造成冲孔过程容易出现以下几种不可预见的困难:筑物的安全。4要采取必要的构造措施工程实践经验证明,只注重结构的前期计算,不重视结构构造处理,建成的建筑物也是很不安全的。只有二者并重,才能设计出经久耐用、安全可靠的高层建筑。规范对各种结构体系构件的构造措施都有详尽的规定,这里不再赘述,这些构造措施是结构设计人员进行设计时所必须遵守的。另外,还有些构造措施是根据具体工程来采用的。例如,如图1所示。为角部重叠和细腰形的结构平面图形,在中央部位形成狭窄部分,在地震中容易产生震害,尤其在凹角部位,因为应力集中及平面内受扭,容易使楼板开裂、破坏及竖向构件的破坏。如果建筑方案确实不能调整,那么在这些部位就应采取构造措施,应加大楼板厚度、增加楼板配筋、设置集中配筋的边梁、配置45°斜向钢筋、适当加强竖向构件等方法予以加强。这些针对不同工程的特殊构造措施,也是概念设计时应该考虑并制定的。5结语随着社会的进步,高层建筑的发展很快,日新月异。高层建筑的结构设计人员应不断学习和提高,通过力学知识和力学规律建立结构受力与变形规律的各种概念,并注意吸取国内外的震害经验和教训,重视结构试验研究成果,结合施工实践,通过大量工程经验的日积月累,精心设计才能够作出技术先进、安全可靠、经济合理的各种高层建筑的结构设计。2.1抛石层厚度的确定在抛石层中冲孔,最理想的是使钢护筒穿透整个抛石层厚度,但由于抛石层的石块与钢护筒之间的作用力大,钢护筒的刃脚一般是很难达到理想的标高位置。2.2海滩上的沙子在冲孔进尺穿过钢护筒刃脚后,因为抛石层的透水性和孔外水压力的强烈作用,极易产生涌泥涌沙。2.3冲孔产生冲孔由于人工水下抛石层的石块间隙大,冲孔灌注桩成孔施工时难以利用泥浆进行护壁,加上直接受到潮汐或地下水的影响,如不采取特殊措施,经常在冲孔过程因突然漏水漏浆导致孔内水头急剧下降,造成护筒挤压变形或塌孔、埋锤等现象的发生。2.4国内天然土冲孔过程及处理技术冲孔灌注桩穿越抛石层时除了以上几种现象外,发生塌孔、埋锤、卡锤、斜孔等意外事故的概率也比其他土质冲孔过程要高得多,且处理的难度也要大得多。例如厦门海沧港区4#泊位码头东端桥吊后轨桩基所处的位置为人工抛填了大量的开山石,厚度达到20m,钢护筒难于跟进无法穿透抛石层,在成孔过程就发生了突然塌孔,将冲锤埋在孔底,其上覆盖的单块石头重量就达1t以上。2.5清孔换浆工艺由于人工抛石层的特殊性,成孔后的孔壁稳定性往往比较差,造成孔底沉渣厚度超过设计要求,且在清孔换浆过程中泥浆重度下降、粘度降低,也比较容易发生渗漏、塌孔事故。3抛石层过小造成的冲击引起的质量问题由于冲孔灌注桩成孔的特殊性和人工抛石层的复杂性,要求在冲孔过程除了按常规的施工工艺进行操作外,还必须根据不同的地质情况采用不同措施。(1)抛石层厚度较小(一般小于5m)的情况,可采用成块的粘土加少量强风化石护壁成孔,这种土的粘度较大且浸水后不易溶解成浆,但经冲锤冲击后,粘土夹杂着强风化石颗粒往孔壁的块石间隙挤压,即可形成不透水的保护层。(2)抛石层厚度较大(一般大于5m)但块石粒径较小的情况,在开始穿越抛石层的时候,可采用钢护筒尽量跟进到一定深度后,再采取上述第一情况的处理方法。(3)抛石层厚度较大(一般大于5m)且块石粒径较大时,由于这种抛石层的透水性极强,若采取以上的处理方法将很难达到理想的护壁效果,此时就应采用双护筒措施,即可先采用比设计桩径大40~50cm左右的冲锤冲孔,外钢护筒随之跟进,直到钢护筒无法跟进为止,然后用略大于设计桩径的内钢护筒置放于外护筒之中,形成双护筒结构,再换较小的冲锤继续冲孔,同时内护筒随之跟进。(4)如遇到抛石层下卧的土层是砂或淤泥等软弱土层,在冲孔作业时软弱土层受冲锤作用扰动或产生流失,对抛石层和上部荷载的承载力减弱,极易造成抛石层的塌落,此时最好是钢护筒穿透抛石层,如果抛石层无法穿透,则应在成孔进尺到软弱土层约2m时往孔内灌注低强度等级的水下混凝土,待3d后重新成孔。(5)当遇到大块石面层不平或孔底岩面的冲击面不平时,可加入小粒径块石,以免冲锤损坏和因冲锤的大幅度摆动而碰坏孔壁。(6)在设备方面要特别注意冲锤的选择,一般应选择4瓣锤比较合适,锤底的锤牙长度应选择短些。4常见事故的预防4.1孔外水压力下降涌泥涌沙主要是由于孔内水位或泥浆重度、粘度控制不好引起的,尤其是海岸边的冲孔桩,孔外水压力受到潮汐涨落影响时,这种事故经常发生。造好孔壁和保持孔内水位高于孔外水位是预防涌泥涌沙的主要方法,同时将泥浆重度控制在适当范围之内(1.06~1.08)。发生涌泥涌沙后,一般可下内护筒或往孔内抛填填充物并待孔壁稳定后重新成孔。4.2填充物的使用冲孔桩穿越抛石层时一般很难采用全护筒,此时现场应备足粘土、海泥、小粒径块石、强风化石等填充物和足够的水源,开孔时先用粘土造浆,穿越抛石层后一旦出现漏浆,迅速补浆、补水,同时加入大量填充物,但要注意孔内水头不可太高,否则也会使孔壁渗浆。海沧4#泊位码头桥吊后轨冲孔桩的实践证明采用海泥造浆堵漏,既可充分利用海边资源、节省成本又是行之有效的措施。4.3内护筒底深基差控制冲孔桩在穿越抛石层时要注意钢护筒的跟进,但也不可冒进,最好是将护筒底与孔底的深度差控制在3m以内,当抛石层较厚且护筒无法跟进时,要及时加入内护筒。发现塌孔后应尽快向孔内抛填粘土、小颗粒块石等填充物至塌孔位置上方的1~2m,待稳定后重新成孔。4.4常规方法处理用来冲击抛石层的冲锤应设有防止卡锤、掉锤的打捞环,打捞方法可采用偏心钩、钢绳套及潜水员打捞等常规方法。卡锤严重时可采用爆破震动的方法处理,即将通过计算的炸药包用重铊或潜水员送至卡锤处,通过导线接通起爆电源,在爆破震动的作用下,使冲锤松动,立即将冲锤提起来。4.5反循环清孔先采用捞渣筒尽量将孔底的沉渣打捞出来,再采用反循环设备清孔,然后静置2~3h后再清一次,在下完钢筋笼后即将浇筑混凝土之前再次进行反循环清孔,这样一来基本就能达到清渣的设计要求。5施工工艺的选择尽管冲孔灌注桩对