白杨河大桥和小驻马高架桥山东莱新高速公路四合同段桩基础设计

白杨河大桥和小驻马高架桥山东莱新高速公路四合同段桩基础设计

1桥址地质情况白杨河大桥和小驻马桥（山东省莱新高速公路四合同段）上部结构为20m，主体结构为20m。桥面平整，底部结构采用柱式桥墩、u型桥台和孔灌注桩基础。桩基础按摩擦桩设计,桩径为1.8m和1.5m,桩长为19~40m。两桥桥址地质情况复杂,岩溶、溶沟、溶槽等溶蚀现象发育。经逐桩勘探,发现桥址位于古生界奥陶系灰岩岩溶发育区,该区上覆土层较薄,为第四系残坡积粘土和粉质粘土,厚度0.4~19.8m;下伏地层为古生界奥陶系灰岩、泥页岩,厚度较大,倾向NE,倾角25°左右。桥址北部100m处及东部200m处有两处北偏东和北偏西向断裂切割,控制了本地区的奥陶系地层的分布。桥址北部为混合花岗岩分布区,东部为寒武系地层分布区。受断裂构造及地下水侵蚀的影响,桥址内隐伏溶洞、溶沟、溶槽、漏斗、石牙、溶隙等岩溶发育。岩溶、溶隙等是一种形态奇特的自然现象,宏观上虽有特定的发育规律,但在不大的施工场地上分布无规律,给桩基施工增加了难度。采用冲击钻成孔,水下灌注C25混凝土。2施工工艺2.1钻孔施工2.1.1孔11施工前处理本桥基桩中心采用坐标法全站仪直接定位。施工时依据设计桩位布设十字形护桩,以便随时检查钻孔偏位情况2护筒的铺设和压实护筒采用6mm钢板卷制而成,每节2.0~3.5m,其内径应比钻孔直径大40m左右。埋设时可先采用人工开挖埋设护筒到一定深度,然后利用钻机冲击锤震动加压沉入护筒。护筒平面位置的偏差≯5cm,偏斜度≯1%。3低ph值旋流孔的压力钻孔泥浆由水、粘土(膨胀土)和添加剂组成,有悬浮钻渣、冷却钻头、润滑钻具,增大静水压力并在孔壁形成泥皮、隔断孔内外渗流、防止坍孔的作用。本工程泥浆的pH值为8~10,相对密度1.2~1.35,粘度19~28s,胶体率≥96%。冲击钻成孔时,可用粘土碎块投入孔内,由冲击锤自行造浆固壁,但随钻孔深度的加大应及时投放粘土,确保泥浆性能指标不变。4钻孔开钻过程采用冲击钻成孔。钻锤由铸铁制成,重约50kN,十字形状。为提高其对石头的冲击破碎能力,在钻锤上加焊合金锥角,用37kW卷扬机提升钻锤。钻孔开钻前应准确对位,并检查钢丝绳是否有足够的承重能力、转向装置是否完好。开始钻进时,应匀速提升小冲程冲击,一般为1.5~2.0m,当钻孔达到3m深后,可增大冲程,一般采用2.5~3.5m。冲击钻在刚开钻时钻架容易下沉偏位,施工时要经常校核孔位,用千斤顶校正钻架。经常检查孔径是否达到设计要求。冲击岩层对钻锤的磨损大,要及时以坡口形式补焊,以免造成缩孔,还要检查锤头转向装置是否失灵,防止形成梅花桩。2.1.2施工事故分析与处理1漏浆地层漏浆段本桩基工程从11#~20#墩有不同的岩溶及裂隙发育。在施工过程中常因漏浆而塌孔,严重的造成钻机偏斜、埋没钻锤,塌孔直径达到10m左右。根据漏浆原因及程度,分析事故原因,及时果断采取如下补救措施:①对一般性塌孔,发生后先向孔内注水提高水位,然后将粘土装入编织袋沉入孔底,土袋的数量可根据漏浆的多少而定,一般200~300袋,并修复孔口,校正桩位,以小冲程对其进行冲击,让粘土和编织袋碎块挤入孔内裂隙达到堵塞的目的,这样反复几次就可以通过裂隙及轻微熔岩岩层地带,例如12#~16#墩均采用此法成功穿过漏浆岩层。②对于因岩溶和严重裂隙而造成的塌孔,采用加长钢护筒至基岩,并在护筒上设置对拉筋锚固于稍远的土层内,即使孔内漏浆也可防止大面积塌孔。堵漏时,投放粘土袋另加投袋装水泥(一般15~30kN)及小石块,掺杂投入孔内,用小冲程冲击,形成水泥泥浆,取出锤头,让其达到初凝状态,护壁堵漏。19#及11#墩反复采用此法顺利成功。③施工时应根据设计单位提供的地质柱状图,及早预防,随时抽查泥浆指标及渣样,在接近裂隙和岩溶地段时改为小冲程钻进。为防止埋锤,钻孔时可利用木棒制一个浮子连线于外面,操作员如发现连结浮子的绳子向孔内沉下去,要立即起锤,否则将锤埋入孔中将很难打捞。实践证明,只要在塌孔前让锤能悬空2m左右,稍加处理就可以取出。2纠偏、爆破时因本桥址内岩石倾向NE,倾角25°左右,锤头与岩石面不在一个平面,极易造成偏斜孔。施工中应勤于检查,发现后立即纠偏,纠偏采用抛填片石或孔内小药量爆破的方法。根据偏斜的位置确定抛填片石的位置。小药量爆破一般用非电毫秒雷管引爆乳化炸药的方法,药量一般为120g(三管),药量过大易引起孔内坍塌和混凝土超灌。校正孔位后,以小冲程钻进,反复多次可以通过倾斜岩层。3锤头下固定形钻的应用造成卡锤的主要原因是:①塌孔埋锤;②孔径不规则或补焊的锤头下放太快;③锤头斜搁在孔中。施工中当锤头卡住后,要保持冲孔,防止沉渣,还可以加风炮机进行冲孔。对于塌孔埋锤而卡锤的现象,先用自制小钻将锤头与孔壁间的空隙(小钻可用一条钢轨加焊一些钢块制成),然后利用起吊设备进行晃动,试着取锤。有时还可以配以水下爆破法将锤头松动。取1kg防水炸药绑扎于钢筋上让其沉入卡住的一边,用电雷管起爆。这样反复几次,可以成功取出钻锤。白杨河大桥9#墩就因为第二种原因而卡锤,12#墩因为塌孔而卡锤,均通过以上方法成功取锤。施工中,要加强预防措施,对于第一种情况,钻孔时应随时观察孔内情况,遇到漏浆水位降低要及时吊出锤头。对于第二种情况,补焊的焊头放入孔中时要用小冲程反复上下串动,缓慢下入孔底,要求平稳操作钻机,起锤和落锤不能让其在空中来回晃动,钻架也应安放平衡。2.2泥浆池+蒸发钻渣清孔紧接在终孔检查后进行,避免隔时太长以致泥浆沉淀,引起钻孔坍塌。本桥采用换浆法清孔,通过向孔底压注泥浆,让钻渣上浮并随同泥浆流入泥浆池沉淀。为加速清孔,施工人员可用滤网捞出钻渣。当孔内钻渣清除干净、砂率<2%时方可下钢筋笼。钢筋笼下完后在灌注混凝土前要进行二次清孔,主要防止沉淀,降低砂率,并向孔内注入稀浆循环流动降低泥浆相对密度至1.1左右,对于易塌地层,泥浆相对密度可保持在1.2~1.25左右。2.3混凝土注入2.3.1水下混凝土流固1)钻孔直径和孔形、清孔工作须满足规范及设计要求。2)灌注和处理故障所需各种机械设备必须准备齐全,需要特别注意的是导管连接拼装的水密性检验,升降机械设备、隔水提板等必须符合要求。经多次实践,大直径桩基宜采用丝扣式连续的导管而不宜采用法兰盘连接的导管,底管口宜加工成30°斜口以防初灌时距孔底距离不足而胀管。3)水下混凝土的配比经试验确定,一般坍落度应控制在18~22cm。4)首批灌注混凝土的数量计算。要确保第一次埋管达到1.0m以上。本桥采用混凝土灌车直接向先倒满料的漏斗里卸料,可满足灌注要求。2.3.2灌注水下混凝土1)首批混凝土的灌注是全桩混凝土灌注成功的关键,必须严格控制。首批灌注的混凝土的质量和数量,必须满足混凝土导管一次连续下落后能将导管埋入混凝土的深度≮1.0m。本桥采用ϕ1.8m大直径桩基而且可能有裂隙及溶洞,首灌混凝土仅靠导管顶部的漏斗容纳不了,施工时我们利用场地的优势,采用灌车直接向漏斗卸料。2)根据施工经验,漏斗下口与导管顶口相接处改变过去的栓阀,采用提板软垫法。提板可用比导管口径稍大的钢板焊上耳扣,下面的软垫可采用塑料布或水泥袋纸,不会阻碍混凝土下落而且很经济。灌注开始时,保持导管下口距孔底25~50cm不动,用副卷扬机提出提板,使漏斗底口完全敞开,隔水塑料布托住混凝土降至孔底,用手电筒照射导管内检查,如没有被堵塞下不去的混凝土拌合物,也没有泥浆水充满导管内,则首批灌注成功,可继续进行灌注。3)在继续灌注混凝土拌合物的过程中,要重点控制导管的最大、最小埋深。控制导管最大埋深的目的是防止埋深过大,导管拔不出来;控制导管最小埋深的目的是防止导管拔出混凝土表面以致导管内进水,而且还容易使后灌混凝土冲破先灌注的混凝土表面而覆盖在原混凝土表面沉淀的泥渣层上,形成夹层断桩。本桥施工时控制最大埋深在8m以内,最小埋深也≮2m。在灌注过程中应采用测锤随时量测混凝土上升情况,特别是岩溶、裂隙发育地带,混凝土往往进入孔壁以外,如果仅凭计算数据操作,往往会将导管提出混凝土面以外而造成断桩。4)混凝土灌注到桩基上部时,由于落差变小、压力减小,为保证混凝土密实,应上下抖动导管或增大漏斗底口高度,产生较大的超压力将首批灌注的混凝土全面顶托上升。由于首批灌注混凝土覆盖底层从桩孔底顶托到桩顶,长期与钻孔中的泥浆接触,清孔时泥浆中未清除干净的泥砂、钻渣逐步沉淀在首批灌注的混凝土表面,因此灌注到顶时应比设计高程超出0.5~1.0m。可采用长柄取样盆的方法来确定。2.3.3事故处理1灌注时的注意事项主要是因为测量不准导致混凝土灌注不到位而造成的。混凝土灌注到桩顶上部时要用取样的办法来确定是否达到要求。用普通测锤有时因锤的质量轻、泥浆密度大、混凝土表面沉渣太厚而测不到混凝土面而造成短桩。2起吊设备故障断桩是由于在灌注过程中因特殊原因灌注中断,桩头离设计位置较深不能进行接桩处理而形成的,属于机械事故,是由于在灌注过程中拌和机、桩机的起吊设备出现故障而又不能及时处理而造成的。本桥7#墩—1桩就因为此原因而断桩,造成7万元的损失,耽误工期50d。泥夹层形成的原因一般有以下两种:①灌注过程中由于埋管太浅,后灌的混凝土冲破先灌注的混凝土表层而覆盖在混凝土表面沉淀的泥渣层上形成夹层断桩;②导管埋深太浅或导管拔出混凝土以致导管内进水。以上两种事故主要是在灌注过程中导管最小埋深不准确而造成的。施工中应采取有效措施,多次量测,以避免事故的发生。3注溶剂的使用主要是导管埋深过大,超过起重能力而造成的。在灌注过程中导管埋深超过8m时,要及时拆管,优先考虑使用带丝扣连结的导管而不使用法兰盘连接形式的导管,因为法兰盘会增加与混凝土接触面的阻力。4次下导管方案本桥10#墩—2桩在灌注过程中因导管法兰盘连接螺丝全部断掉,致使四节导管陷入混凝土内,此时距桩顶还有11m,经过分析,决定采用二次下导管方案,在现场立即拼装14m导管,先将底管口用塑料布包裹下入孔口中,由于浮力太大造成下管困难,根据实际情况,决定取掉塑料布,将导管直接插入先灌注的混凝土中2m以下,然后下潜水泵抽尽导管中的泥浆。在灌注到设计位置时,加大超灌量,也可以将上部影响质量的一段全部顶托出来。事实证明,此法很成功,挽回了至少7万元的直接经济损失。3灌注水下混凝土1)人为因素在施工中占主导地位,加强施工人员的责任心,严格按照技术规范要求施工,是施工顺利进行的必要条件。2)桩基在溶洞地层最适合用冲击钻。冲击钻在穿越溶洞地层时,不仅能有效地加固孔壁,还能在漏浆的时候及时制造新的泥浆,以保持孔内水位,防止孔壁坍塌。对于压轮钻,在溶洞地层易发生断杆、掉钻,也不利于加固孔壁,不稳定的孔壁易使混凝土向溶洞内流失,不仅在经济上造成损失,而且也影响到桩的质量。总之,对于在溶洞地层,只有钻出高质量的桩孔,才能为优质桩的灌注创造条件。3)仔细核对地质图,随时掌握钻进深度,是确定钻进速度和选用合理的施工方案的重要依据。如在粘土层可加大钻机进度,在接近溶洞层时可减少冲程并防止偏斜孔;对于