大跨度跨海大橋平臺(tái)匝道橋鉆孔灌注樁變形分析

1鋼護(hù)筒與土體質(zhì)量在灣海大橋的平臺(tái)橋上，有98個(gè)孔樁，均為單孔基礎(chǔ)。樁底高度為-86.0m-96.0m，樁頂高度為+3m。標(biāo)高在-40.0m～+3m段,樁徑為2.5m,標(biāo)高在-40.0m以下樁段,樁徑為2.0m。施工中投入使用的鋼護(hù)筒為Q235A卷制螺旋焊管,直徑為2.50m,壁厚20mm,長(zhǎng)47m,重57.9t,護(hù)筒頂面標(biāo)高+7m,底面標(biāo)高-40m,施工時(shí)平均海床面標(biāo)高約為-20m,鋼護(hù)筒入土深度約20m。匝道橋區(qū)域地質(zhì)報(bào)告顯示,鉆孔樁鋼護(hù)筒穿過的深度范圍內(nèi)大部分為灰色淤泥質(zhì)亞粘土層(標(biāo)高-20.68～-45.69m):飽和,流塑,局部軟塑,夾1～3mm粉砂薄層,與淤泥質(zhì)亞粘土的厚度比為1∶8,具水平層理,連續(xù)分布(W=37.8%,γ=18.0kN/m3,e=1.085,IP=15.3,IL=1.26,a0.1-0.2=0.52MPa-1,Es=3.97MPa,N=3.9擊),為軟弱地基土,強(qiáng)度極低,工程地質(zhì)條件極差。2鋼管的安裝和變形2.1鋼護(hù)筒測(cè)量方案插打方案是否滿足設(shè)計(jì)要求,護(hù)筒根據(jù)匝道橋施工進(jìn)度要求及設(shè)備資源配置的實(shí)際情況,鋼護(hù)筒采取兩種方案整根插打,插打后的測(cè)量復(fù)測(cè)結(jié)果表明,所有鋼護(hù)筒的平面位置、標(biāo)高及垂直度滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。2.1.1錘擊感官壓打匝道橋鉆孔樁鋼護(hù)筒采用“路橋建設(shè)樁8號(hào)”打樁船進(jìn)行整根吊裝插打,見圖1所示,采用該船配備的D180柴油錘作為錘擊設(shè)備,插打時(shí)將D180打樁錘的錘擊能量降到一檔,并以輕錘慢打方式進(jìn)行。利用打樁船配備的GPS-RTK測(cè)量定位系統(tǒng)進(jìn)行鋼護(hù)筒平面位置、標(biāo)高、傾斜度的控制,并采用常規(guī)測(cè)量方法進(jìn)行進(jìn)一步的校核。2.1.2鋼護(hù)筒的吊掛及測(cè)量采用振樁錘插打鋼護(hù)筒時(shí),先在鉆孔樁施工棧橋的臨時(shí)鋼管樁上設(shè)置導(dǎo)向架,然后由200t浮吊整根起吊鋼護(hù)筒插入導(dǎo)向架內(nèi),再由浮吊提吊DZJ135電動(dòng)振樁錘振沉鋼護(hù)筒,見圖2所示。鋼護(hù)筒平面位置、標(biāo)高及傾斜度的控制采用常規(guī)測(cè)量方法。DZJ135電動(dòng)振樁錘性能參數(shù)見表1。2.2m鉆頭鉆進(jìn)后,下錨點(diǎn)的移動(dòng)鉆破杭州灣跨海大橋海中平臺(tái)匝道橋共98根鉆孔樁,利用2.0m鉆頭實(shí)施鉆孔,其中無法順利通過的鋼護(hù)筒有9根,卡鉆后,利用D1.5m或D1.0m鉆頭鉆進(jìn)后掃孔,然后潛水員水下摸探,查明的變形情況見表2。表2中示出的B16、E18號(hào)孔鋼護(hù)筒的變形情況基本一致,在利用2.0m鉆頭鉆進(jìn)卡鉆后,然后采用1.5m鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)仍無法通過,之后采用1.0m鉆頭并多次調(diào)整鉆頭中心后,才能基本鉆出鋼護(hù)筒底口。掃孔后,潛水員摸探后探明,鋼護(hù)筒從距離底口約12m處開始變形,護(hù)筒底口變形情況極為嚴(yán)重,見圖3所示。3剛性氧化物檢測(cè)B16、E18墩鋼護(hù)筒的變形最大,我們?cè)跇段凰闹苓M(jìn)行了地質(zhì)鉆探,在地質(zhì)鉆孔的過程中未發(fā)現(xiàn)有剛性障礙物,因此我們推斷剛性障礙物也不是其他鋼護(hù)筒產(chǎn)生變形的原因之一。經(jīng)過認(rèn)真分析,認(rèn)為鋼護(hù)筒的變形主要是由以下原因綜合作用引起的。(1)樁位地質(zhì)條件對(duì)B16、E18墩鋼護(hù)筒進(jìn)行樁周地質(zhì)鉆探時(shí)發(fā)現(xiàn)淤泥質(zhì)亞粘土層中的粉砂夾層,單層厚度約30～90mm,與淤泥質(zhì)亞粘土的厚度比為1∶3,較典型鉆探孔地質(zhì)報(bào)告中顯示的數(shù)據(jù)大,地質(zhì)條件較為不利。由于匝道橋?yàn)閱螛痘A(chǔ),相對(duì)群樁基礎(chǔ)來說分散的區(qū)域較大,地質(zhì)條件出現(xiàn)變化大的概率較大,由此認(rèn)為其他鋼護(hù)筒變形的樁位地質(zhì)條件也較為不利。而鋼護(hù)筒材質(zhì)、壁厚的設(shè)計(jì)很難按照每個(gè)樁位的地質(zhì)條件來考慮,地質(zhì)條件不利時(shí),鋼護(hù)筒的剛度相對(duì)不足,這是引起鋼護(hù)筒變形的基本原因。(2)鋼護(hù)筒土壓力根據(jù)以往鋼護(hù)筒插打應(yīng)力試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn),鋼護(hù)筒底端出現(xiàn)的環(huán)向應(yīng)力很大,而軸向應(yīng)力相對(duì)較小。環(huán)向應(yīng)力大的原因是由于鋼護(hù)筒在下沉過程中,鋼護(hù)筒底口土體一部分?jǐn)D入鋼護(hù)筒內(nèi),但是大部分?jǐn)D出鋼護(hù)筒外,使鋼護(hù)筒內(nèi)外形成較大土壓力差所致。當(dāng)出現(xiàn)的環(huán)向應(yīng)力值大于鋼護(hù)筒非彈性屈曲環(huán)向臨界應(yīng)力值時(shí),鋼護(hù)筒將會(huì)產(chǎn)生變形。由表2可以看出,采用振樁錘插打的鋼護(hù)筒變形情況比打樁船插打的嚴(yán)重,究其原因是,振樁錘插打主要是利用能量液化土體的方式來實(shí)現(xiàn)下沉,使鋼護(hù)筒內(nèi)土體的差量較打樁船的大,引起的環(huán)向應(yīng)力較大,變形也就較大。(3)不圓度大小的影響大量的工程實(shí)例和試驗(yàn)表明,不圓度對(duì)受壓構(gòu)件的非彈性屈曲環(huán)向臨界應(yīng)力十分敏感,大量數(shù)據(jù)表明沒有經(jīng)過特殊精加工的試件,其彈性屈曲環(huán)向臨界應(yīng)力只能達(dá)到計(jì)算值的15%～60%。鋼護(hù)筒制作過程并非精加工,不圓度不可能等于0,并且在運(yùn)輸、插打時(shí)也會(huì)使鋼護(hù)筒的不圓度增大。若不圓度增大或超過鋼護(hù)筒設(shè)計(jì)容許值時(shí),鋼護(hù)筒的變形危險(xiǎn)就大大增加。綜上所述,鋼護(hù)筒產(chǎn)生變形的主要原因是:地質(zhì)條件變?yōu)椴焕?鋼護(hù)筒插打時(shí)環(huán)向應(yīng)力增大,鋼護(hù)筒的剛度相對(duì)不足,而不圓度的增大又使鋼護(hù)筒的非彈性屈曲環(huán)向臨界應(yīng)力值變小,最終導(dǎo)致鋼護(hù)筒屈曲,失穩(wěn)變形。4外變形鋼護(hù)筒根據(jù)匝道橋鉆孔樁現(xiàn)場(chǎng)施工的實(shí)際情況,我們主要采取了2種方法進(jìn)行處理。除B16、E18號(hào)護(hù)筒外的其余變形鋼護(hù)筒采用水下電氣切割法;因B16、E18號(hào)鋼護(hù)筒變形太大,水下切割危險(xiǎn)性會(huì)很大,若采取注漿法加固樁周土體則需要較長(zhǎng)的周期,而且注漿加固后危險(xiǎn)性能減少多少也很難估量,因此B16、E18護(hù)筒采用拔除重插法進(jìn)行處理。4.1水下電氣切分法4.1.1施工設(shè)備處理變形護(hù)筒的水下施工設(shè)備,共計(jì)10余臺(tái)套,見表3。4.1.2施工方法(1)鉆頭掃孔施工掃孔、清孔主要是為了清理變形鋼護(hù)筒內(nèi)壁上的粘土,以方便查明鋼護(hù)筒的變形情況,確定切割部位。由于原2.0m鉆頭已經(jīng)無法鉆進(jìn),因此采用1.5m或1.0m鉆頭鉆進(jìn),在鉆頭的護(hù)圈上沿周長(zhǎng)方向均勻安裝6根直徑為40mm以上長(zhǎng)度為40cm左右的鋼絲繩,用作掃孔之用,小鉆頭邊鉆進(jìn)邊進(jìn)行掃孔。小鉆頭鉆進(jìn)的深度不宜過深,鉆出護(hù)筒底口1m左右即可,以防止對(duì)孔壁的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。(2)細(xì)胞密度置換為了減少潛水員潛水作業(yè)的難度,將鋼護(hù)筒內(nèi)的泥漿(密度約為1.09～1.15g/cm3)置換成海水(1.02～1.03g/cm3),降低密度。(3)潛水員四軸水局部鉆機(jī)將鉆頭提起到鋼護(hù)筒開始變形位置的上方,以方便潛水員操作。利用吊籃將潛水員吊到孔內(nèi)水面上,然后潛水員沿著鉆桿下到孔底,摸清鋼護(hù)筒變形情況。(4)縫割時(shí)的切割摸清鋼護(hù)筒的變形情況后,確定切割分塊數(shù)量,然后進(jìn)行水下切割。切割時(shí)先進(jìn)行豎縫切割,然后再進(jìn)行環(huán)縫切割。應(yīng)該注意的是,切割豎縫時(shí)應(yīng)從上而下進(jìn)行,并且不應(yīng)將豎縫全部切完,應(yīng)在鋼護(hù)筒的端部留置1～2cm豎縫不切割,以防止環(huán)縫切割完畢后,被切除的部分掉入孔內(nèi)。(5)潛水員概念吊出切割完成后,潛水員在每塊切除的部分上栓接吊具,潛水員撤離后利用吊機(jī)逐塊吊出。當(dāng)被切除部分較少時(shí),可將吊具栓在小鉆頭上,再利用起鉆換鉆頭之機(jī),將切除部分吊出。(6)檢查孔徑和鐵件吊除完畢后,可利用簡(jiǎn)易檢孔器(直徑比鉆頭稍大的短截鋼筋籠)對(duì)孔徑進(jìn)行檢查(若潛水員經(jīng)驗(yàn)豐富,此步工序可減),然后利用電磁鐵檢查孔底,若有遺留鐵件應(yīng)做清理。同時(shí),可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工的實(shí)際情況,若有需要可在孔內(nèi)回填部分粘土,確?？妆诜€(wěn)定。4.1.3水下切割作業(yè)(1)水下切割過程中,應(yīng)始終保持孔內(nèi)水位高于孔外水位,防止出現(xiàn)漏漿和塌孔,以確保潛水員安全。(2)因本水下切割屬深潛作業(yè),潛水員水下操作時(shí)間不應(yīng)超過40min,并且要做好潛水員出孔后的減壓工作,同時(shí)潛水員配員應(yīng)滿足連續(xù)進(jìn)行水下切割作業(yè)。(3)嚴(yán)格按照潛水作業(yè)、吊裝作業(yè)操作規(guī)程進(jìn)行施工。4.1.4未發(fā)生重新鉆孔漏漿本項(xiàng)目匝道橋鉆孔灌注樁施工過程中,對(duì)變形鋼護(hù)筒實(shí)施水下切割后未發(fā)生重新鉆孔漏漿的現(xiàn)象。若發(fā)生漏漿(究其原因?yàn)樗虑懈钜鹆送馏w擾動(dòng),形成了漏漿通道)可根據(jù)實(shí)際情況,選取回填砂漿、護(hù)筒內(nèi)注漿、護(hù)筒外注漿、內(nèi)套管、沖擊錘加固以及采用綜合法進(jìn)行處理。4.2浮吊配合大型液壓振樁錘液壓方案研究由于B16、E18號(hào)鋼護(hù)筒變形嚴(yán)重,從安全施工、確保工期方面考慮,經(jīng)比選研究選取了采用浮吊配合大型液壓振樁錘拔除,然后重新插打的處理方案。4.2.1設(shè)備列表排除鋼護(hù)筒拔除的主要設(shè)備為大型浮吊和液壓振樁錘,這兩種主要設(shè)備是決定能否成功實(shí)施拔除的關(guān)鍵。(1)拔樁設(shè)備選擇原則拔樁原理是通過振樁錘對(duì)鋼護(hù)筒的強(qiáng)制垂直振動(dòng),將能量傳遞到樁周土體,使樁周土體產(chǎn)生短期性的液化,大大減少土體對(duì)鋼護(hù)筒的摩阻力,從而使錘重、鋼護(hù)筒重和摩阻力之和在起吊設(shè)備最大額定起吊能量范圍之內(nèi),以實(shí)現(xiàn)拔除。拔樁設(shè)備選擇原則如下。①振樁錘的激振力大于樁周的摩阻力,振幅、偏心力矩滿足要求。②起吊設(shè)備的起吊能量應(yīng)大于錘重(含夾具)、鋼護(hù)筒重和摩阻力之和。(2)激振力滿足要求①激振力要求:液壓振樁錘的激振力P>樁周土體摩阻力R,即:式中:f為土體單位面積的動(dòng)摩阻力,kPa,從表4選取;u為鋼護(hù)筒周長(zhǎng),m;L為鋼護(hù)筒的入土深度,約20m。②振幅要求:各類型的土質(zhì)對(duì)最小振幅的要求有所不同。在砂質(zhì)土壤里,振動(dòng)造成的液化程度較高,要求較小,約2mm即可;在粘土里,由于土壤能跟隨護(hù)筒壁運(yùn)動(dòng),振幅要求達(dá)到6mm才能擺脫土壤;在非常理想的情況下,如水下的砂質(zhì)土壤只要2mm就足夠了。根據(jù)實(shí)際情況應(yīng)滿足:液壓振樁錘產(chǎn)生的振幅(F)=2×(偏心力矩÷(錘重+樁重))>6mm。(2)③振樁錘容許拔樁力要求:因液壓振樁錘的振動(dòng)部件為精加工件,容許限額的拔樁力,若拔樁力超過容許值,振樁錘將停止工作,甚至損壞。要求:錘重+樁重+樁周土體摩阻力<振樁錘容許拔樁力(3)按照上述3點(diǎn)要求,初步選定ICE-V360液壓振樁錘作為拔樁錘,具體技術(shù)參數(shù)見表5。由此可見,ICE-V360液壓振樁錘的激振力滿足要求,下面驗(yàn)證式(2)、式(3):按照式(2):振幅(F)=2×(偏心力矩÷(錘重+樁重))=2×(130.2÷(18779+57900))=3.4mm,由于鋼護(hù)筒內(nèi)已經(jīng)施鉆并掃孔,因此可認(rèn)為所需要的振幅為要求的1/2,即是滿足振幅(F)=3.4mm>6mm×0.5即可,故振幅滿足要求。按照式(3):錘重+樁重+樁周土體摩阻力=(187790+579000+1570800)×10-3=2337.59kN,此值大于振樁錘容許拔樁力2002kN。由此看來,所選錘的容許拔樁力不滿足要求,因此我們決定在施工中以浮吊的起吊力不超過容許拔力來控制,仍選擇該錘進(jìn)行施工。(3)起吊能力比較按照選擇原則,浮吊的起吊能力應(yīng)大于:錘重、樁重和樁周土體摩阻力之和(2337.59kN),即起吊能力應(yīng)大于233.759t。但是選擇的振樁錘容許拔力為200.2t,因此選擇了起吊能力為200t的浮吊,并為確保施工安全,在施工時(shí)浮吊的起吊力施加按照最高180t來控制。4.2.2安裝鋼板內(nèi)貼焊為防止新鋼護(hù)筒插打后再次發(fā)生變形,我們采取了加強(qiáng)鋼護(hù)筒底口段剛度的措施,即在鋼護(hù)筒的底部3m范圍內(nèi),貼焊一層材質(zhì)為Q235A,厚度為20mm的鋼板,為避免貼焊的鋼板阻礙鋼護(hù)筒在導(dǎo)向架內(nèi)下放,外加鋼板采用了內(nèi)貼焊在鋼護(hù)筒內(nèi)壁的方式。同時(shí),為了防止重新鉆孔時(shí)出現(xiàn)漏漿、塌孔,將鋼護(hù)筒的長(zhǎng)度增加2m,底口標(biāo)高降低2m,標(biāo)高到達(dá)-42m。4.2.3浮吊施力拔樁工藝(1)移開鉆機(jī)、拆除樁位上方的鉆孔平臺(tái)、割除鋼護(hù)筒與平臺(tái)臨時(shí)鋼管樁之間的橫向聯(lián)系,為拔樁提供作業(yè)面。與此同時(shí),為防止鋼護(hù)筒在振動(dòng)上拔時(shí)頂部夾樁器處管壁因高頻振動(dòng)而發(fā)生疲勞,撕裂破壞,在鋼護(hù)筒頂部50cm范圍內(nèi),護(hù)筒壁對(duì)應(yīng)的夾樁器處焊接2cm厚的鋼板,做加勁處理,見圖4所示。(2)浮吊運(yùn)輸振樁錘、動(dòng)力站駐位,連接振樁錘與動(dòng)力站管道、栓接吊索、吊具,然后浮吊將振樁錘吊至鋼護(hù)筒頂部,進(jìn)行夾樁,見圖5所示。(3)啟動(dòng)振樁錘向下振沉鋼管樁,先用振樁錘的振動(dòng)能量將鋼護(hù)筒周的土體液化,此時(shí)浮吊不對(duì)振樁錘施加向上荷載。當(dāng)鋼護(hù)筒發(fā)生緩慢下沉?xí)r,說明振樁錘的振動(dòng)能量已經(jīng)將護(hù)筒周的土體初步液化,可進(jìn)行下一步的浮吊施力拔樁。若長(zhǎng)時(shí)間振動(dòng)都無法使鋼護(hù)筒下沉,則說明振樁錘的能量無法將鋼護(hù)筒底端的土體液化,拔樁很可能難以成功,應(yīng)考慮更換設(shè)備。(4)將土體液化后,振樁錘持續(xù)振動(dòng),浮吊施力實(shí)施拔樁,見圖6所示。浮吊施力應(yīng)逐級(jí)緩慢進(jìn)行,切忌在瞬間將起吊力施加到最大。經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間的振動(dòng),當(dāng)前級(jí)的起吊力無法使鋼護(hù)筒上拔時(shí)再緩慢加大。當(dāng)前級(jí)起吊力能使鋼護(hù)筒上拔時(shí),保持該起吊力即可。若上拔速度過慢,將起吊力緩慢增加到下一級(jí)。當(dāng)浮吊施力到最大并經(jīng)過振樁錘長(zhǎng)時(shí)間振動(dòng)仍無法將鋼護(hù)筒上拔時(shí),應(yīng)放棄操作。在操作的過程中,浮吊吊機(jī)操作手應(yīng)密切注意吊機(jī)測(cè)力儀的讀數(shù),并與拔樁現(xiàn)場(chǎng)密切聯(lián)系。(5)浮吊將鋼護(hù)筒拔除一定高度后,停止上拔,并對(duì)鋼護(hù)筒做臨時(shí)加固后,將拔出段割除,由振樁錘夾住、浮吊吊到施工平臺(tái)之上,見圖7所示。然后浮吊再吊著振樁錘按照上述方法再次夾樁、振動(dòng)拔樁。(6)再次振動(dòng)上拔一定高度后,停錘,由浮吊直接拔樁,若浮吊能在振樁錘容許拔力的范圍內(nèi)將鋼護(hù)筒上拔,說明浮吊已經(jīng)能將鋼護(hù)筒直接拔出。此時(shí)可割除拔出段、吊離,振樁錘撤離,然后浮吊直接將剩余的鋼護(hù)筒拔出、調(diào)離、放置,見圖8所示,拔樁結(jié)束。(7)按照前述方法,利用浮吊、DZJ135電動(dòng)振樁錘、導(dǎo)向架插打新鋼護(hù)筒,然后恢復(fù)鉆孔平臺(tái),鉆機(jī)歸位繼續(xù)進(jìn)行鉆孔施工。通過上述方法,我們利用200t浮吊配合ICE-V360液壓振樁錘成功地將B16、E18號(hào)鋼護(hù)筒拔除,拔除的鋼護(hù)筒變形情況見圖9所示,并且重新插打的鋼護(hù)筒順利地完成了鉆孔樁施工。兩根鋼護(hù)筒拔除時(shí),浮吊測(cè)力儀顯示的最大起吊力約為180t,較上述計(jì)算出的233.759t小,說明樁周土體摩阻力計(jì)算值偏大。4.2.4守海上施工操作規(guī)程(1)海上拔樁施工危險(xiǎn)性很大,拔樁所使用的吊具、索具必須具有足夠的安全系數(shù),同時(shí)所有操作人員必須嚴(yán)格遵守海上施工操作規(guī)程和起重吊裝操作規(guī)程。(2)吊機(jī)的測(cè)力儀必須靈敏準(zhǔn)確,拔樁時(shí)應(yīng)緩慢加載,切忌超載工作。正常條件下,若在額定加載范圍內(nèi)無法成功拔除,應(yīng)放棄。(3)海上作業(yè)時(shí),受到大風(fēng)、浪、潮影響時(shí),浮吊的起吊力很難控制,容易出現(xiàn)超荷而導(dǎo)致危險(xiǎn),應(yīng)選擇在風(fēng)平浪靜的時(shí)段進(jìn)行拔樁施工,同時(shí)也需要注意潮水的流向。5鋼護(hù)筒的插打要遵守合法性原則(1)關(guān)于鋼護(hù)筒變形的原因分析,目前還沒有這方面的專題理論和實(shí)驗(yàn)研究可以借鑒,本文對(duì)鋼護(hù)筒變形原因的分析也只是定