天干大桥孔桩施工计算及处理

[摘 要]此文在于总结贵清一标天干大桥桩基施工过程的控制与处理,以点代面的总结及概括桩基施工的处理方法,高地应力与地下水发育地区的护壁支护方式的探索。

[关键词]圆锥挡土墙计算法 平面挡土地压公式 加网喷浆法 防水材料混凝土现浇护壁法 浆砌片石法 长细比

1 工程概况

天干大桥是贵阳至清镇高速公路上的一座桥,主桥上构采用6×35m预应力钢筋混凝土连续箱梁,桩基础采用端承式支撑桩,桩径为1.7m,开挖方式采用人工挖孔。该桥桩基施工难度小,主要在于护壁支护方面。因为该区域内为岩溶地区,工程地质及水文地质条件较复杂。

2 开孔计算

2.1土压力计算

一般有两种计算方法:第一种假设成平面挡土地压公式,实质是把表土或破碎的围岩视作无凝聚力的松散体,将阱壁视为平面挡土墙;第二种为圆锥挡土墙计算法,桩基井壁实际上是个圆锥面,当土体(或破碎岩体)向内滑移时,井壁周围岩体形成空心圆锥体,又由于土体向内滑移时有挤紧的作用,从而增加了土体自身的稳定性。由理论上分析桩基开挖应视为竖井开挖,计算其地压时,应将竖井围岩的滑移体视为一个上半径为Rn,下半径为a(竖井半径)的中空截圆锥。下面通过两种土压公式计算结果再来做比较。

(1)按空间轴对称(三轴)问题计算土压力公式为:

符号说明:

m―侧压力系数,

pn―第n层岩层地面处作用于井壁的压力

Q―第n层岩层顶面处的荷载

(2)按假设平面挡土墙地压公式计算土压力:

(3)两种方法计算结果的比较

a.假设为空心圆锥体,空间轴对称问题;其土压力计算结果为2081.52KN/m3;假设为平面挡土墙地压,其土压力计算结果618.23KN/ m3。当采用同标号混凝土作衬砌时,支护厚度与土压力成正比。所以选择恰当的计算方法,使衬砌厚度更合理有效,节省材料,降低成本。在实际施工中通常采用平面挡土墙地压公式计算土压力是比较建合理。

b.计算公式的选择受工程地质条件和水文地质条件的影响,综合比较:平面挡土墙地压计算公式主要用于地质条件为层积性层状土及水文地质条件较发育的地方;圆锥挡土墙计算法主要用于构造、裂隙较发育的破碎岩体中及碎石土地区。

c.平面挡土墙地压计算公式在计算中容易且直观地表达地下水压力的应影响;圆锥挡土墙计算法侧不能容易且直观地表达地下水压力的应影响。

2.2护壁厚度计算

护壁厚度t可按下式计算:

t≥KN/fσt≥kpD/ 2fσ

N-作用在护壁截面上的压力(N/mm),N=p×(D/2);

p-土及地下水对护壁的最大压力(MPa);

D-挖孔桩或圆形构筑物外直径(mm);

fσ-混凝土的轴心抗压强度设计值(MPa);

K-安全系数,取1.65。

2.3护壁厚度验算

护壁厚度的验算采用长细比进行验算:

a.混凝土护壁:

t≥lb/24

b.钢筋混凝土护壁:

t≥lb/30lb-为圆环的换算长度,lb=1.82r(r为半径)

3 护壁支护方法

3.1混凝土护壁支护法

应用于地质条件良好,无高地应力,及井壁渗水量小的地区。护壁作用主要防止井壁下塌。

3.2钢筋混凝土护壁支护法

应用于地质条件较好良好,高地应力,及井壁渗水量大的地区及孔型为方型桩基开挖。护壁作用主要防止井壁下塌,增强护壁支护强度及护壁受力均衡。

3.3加网喷浆法

其原理源于新奥法支护:新奥法的主要精髓就是充分利用围岩的自撑力。在大截面洞室开挖时一定要把握关键节点;允许部分应力释放,但不能任其全部释放。应力部分释放,围岩破碎带上的内摩擦力就能抵消部分山岩压力:从而减少衬砌厚度,节省成本;若应力全部释放,那麽衬砌所承受的将是全部山岩压力,为此必须增加衬砌的刚度以保安全作业;造成不必要的浪费。所以在高地应地区进行桩基开挖时,采用加网喷浆法即可加快施工进度又能充分节省成本。

3.4防水材料混凝土现浇护壁法

3.4.1此法主要针对地下渗水量大的破碎岩层地带;主要目的是将面上渗水控制在点上渗水。施工工艺简介如下:用双面胶带将防水膜固定于钢筋网上,钢筋网主筋大小依水文地质条件而定。将防水网置于桩基内,保持与围岩约1~2 cm间距;装上模板加固内撑便可浇筑混凝土。

3.4.2此法的关键在上下防水材料的搭接;泄水孔位置的设置及孔径的大小。防水材料的搭接决定了防水效果的好坏;泄水孔的设置决定了排水效果及护壁的稳定。

3.4.3泄水孔设置计算

1.泄水孔的设置应根据作用于护壁上的土压力与水压力之和小于或等于护壁混凝土的抗压强度原理进行布设。其计算公式如下:

(4)式说明:当给定护壁厚度值即可求出护壁所能承受的最大水压及土压之和。

2.桩基涌水量计算

假定桩基含水层为均质土,具有不漏水的防水材料混凝土现浇护壁时涌水量计算公式如下。

Q=kHsq-------(5)符号说明:

Q――桩基总涌水量

k――渗透系数,当含水层为非均质土层时,k取各层土渗透系数的加权平均值。

s――护壁周长(米)

q――单位渗水量,即每延米长护壁周长在单位水头作用下,当渗透系数为1时的渗流量。

3.泄水孔计算

既然护壁涌水,安置排水管将其引出,将排水管排水假定为明沟排水,其排水量的计算公式如下:

Q排=Av 又因排水管孔径小,须设置多个排水孔。

所以:Q排=nAv

A=πr2Q排=nπr2v

当⑥等于⑤得

Q排=nπr2c

符号说明:

Q排――排水量(m3/h)

A――排水管有效截面面积

V――流速(m/s)

C――流速系数

R――水利半径(m),排水管有效面积与湿润边长之比

I――排水管安装纵坡

N――排水管总数

注意:此法不利益用于砂土地区,可能导致流砂,管涌等现象。严重时会导致护壁坍塌及地表曾。

3.5浆砌片石法

用于地质条件特殊的地区,如岩溶较发育地区进行桩基开挖,桩基通常设计为端承桩。有时在桩基周围呈现空洞;不影响桩基整体承载力,但严重影响施工过程中混凝土的浪费。用浆砌片石将溶洞封住再进行浇筑。

参考文献:

[1]江正荣、朱国梁.简明施工计算手册.中国建筑工业出版社,1989.

[2]李通林,谭学术,刘传伟.矿山岩石力学.重庆大学出版社,1995.

[3]李湘然.土力学应试指导.中国建材工业出版社,2001.