东海大桥大直径钢管桩的选择和应用

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东海大桥大直径钢管桩的选择和应用 杨志方 ,过震文
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东海大桥大直径钢管桩的选择和应用
杨志方 ,过震文 (上海市深水港工程建设指挥部大桥分指挥部 ,上海 201306)
摘 要 : 通过对东海大桥桥墩基础 <1 200 mmPHC 管桩和 <1 500 mm 钢管桩设计使用状况的对比分析 ,论述了
大乌龟岛~颗珠山岛之间约 1. 2 km 的海堤采 用抛石斜坡堤结构 ,塑料排水板地基加固 。
颗珠山岛~小洋山岛之间约 1. 6 km 为颗珠山 大桥 ,主桥为双塔双索面结合梁斜拉桥结构 ,跨径布 置为 (50 + 139 + 332 + 139 + 50) m ,桩基采用 <2 500 mm 钻孔灌注桩和钻孔嵌岩桩 ,桩长约 30~120 m , 主塔为 H 形钢筋混凝土结构 ,塔高 100 m ,主梁采用 钢 —混结合梁 。引桥部分采用 50 m 跨径的多跨预 应力 混 凝 土 连 续 箱 梁 , 梁 高 3. 0 m , 基 础 采 用 <1 500 mm钢管桩和 <2 500 mm 大直径钻孔嵌岩桩 , 桩长为 30~80 m。
在 <1 200 mmPHC 管桩 施 工 过 程 中 , 施 工 、监 理 、设计等各方技术人员对 <1 200 mmPHC 管桩的 设计与施工方案进行了详细的讨论 ,尽最大的努力 解决施工中遇到的困难 。但受海况不利条件及施工 设备不足等方面的影响 ,虽然经过 5 个月的磨合期 , <1 200 mmPHC 管桩的沉桩情况仍不能达到正常 ,存 在问题较多 ,分析主要有以下原因 :
每墩桩数 根
21 19 18 19 18 18 19 18 19 19
注 :设计桩顶标高为 1. 20~1. 25 m。
由表 1 统计的 169 根 PHC 桩中可知 ,平均沉桩 桩顶标高为 3. 49 m、平均锤击数 2 015 锤 、平均最后 贯入度 1. 91 mm ,说明沉桩锤击数偏高 ,沉桩至设计 标高十分困难 ,造成桩顶破坏 ,桩身开裂情况较为普 遍 ,直接影响成桥后的结构使用寿命 。
文献标识码 :A
文章编号 :1671 - 7767 (2004) S0 - 0021 - 04
1 概 况 东海大桥起始于上海南汇芦潮港 ,跨越杭州湾北
部海域 ,在浙江省嵊泗县崎岖列岛的小洋山岛登陆 , 全长约 31 km。大桥标准桥宽 31. 5 m ,分上 、下行双幅 桥面 ,采用双向 6 车道加紧急停车带的高速公路标 准 ,设计行车速度为 80 km/ h ,设计荷载等级为汽车 超 20 级 、挂车 - 120 ,并按全桥集装箱重车满布 ,车辆 轴距为 10 m 进行计算复核 。大桥设计基准期为 100 年 ,按地震烈度 7 度进行抗震设防 。
大桥设 5 000 t 级主通航孔 1 处 ,采用双塔单索 面钢 —混结合梁斜拉桥结构 ,跨径布置为 (73 + 132
+ 420 + 132 + 73) m ,通航净高 40 m ,主墩按 10 000 t 级防撞能力设计 。桩基采用 <2 500 mm 的钻孔灌注 桩 ,桩长约 120 m。主塔为倒 Y 形钢筋混凝土结构 , 塔高 150 m ,塔柱为变截面 。主梁为钢 —混结合梁 。
工程于 2002 年 6 月底开始海上打桩后 ,全线共
收稿日期 :2004 - 08 - 02 作者简介 :杨志方 (1965 - ) ,男 ,高级工程师 ,1986 年毕业于同济大学桥梁工程专业 ,工学学士 。
© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
从上述情况可见 ,在深海区使用 <1 200 mmPHC 管桩 ,由于船机设备和锤击能量偏小 ,受海况 、天气 影响较大 ,使沉桩要达到设计标高有相对大的难度 。 同时 ,设计桩基主要受到竖直承载力 、水平承载力 、 桩身稳定 、结构抗震等方面控制 ,桩底设计标高已达 到设计极限 ,无法再提高 ,因此从保证工程质量考
根据沉桩施工记录统计 ,平均沉桩桩顶标高 、锤 击数和最后贯入度等情况详见表 1 。
表 1 平均沉桩桩顶标高 、锤击数和最后贯入度统计
墩号 沉桩顶标高 m
PM90
5. 50
PM91
4. 75
PM92
1. 65
PM93
2. 82
PM94
2. 83
PM97
4. 37
PM98
5. 13
PM99
1. 58
(3) PHC 管桩桩尖处截面较大 ,造成挤土量大 、 阻力大 ,不利于桩基下沉 。虽然施工中在 PHC 管桩 的桩尖加了钢桩靴 ,并进行了多种方案的比较与试 验 ,但助沉效果并不明显 。从 PHC 管桩的试桩情况 看 ,在本桥的施工环境 、地质条件下 , PHC 管桩的穿 越 ⑦122 层与 ⑦2 层土的能力远远不足 。PHC 管桩 桩身的抗压 、抗拉能力也比较差 ,当锤击次数较多 , 贯入度较小时 ,PHC 管桩桩身容易破损 。
(1) 桥址海域环境条件较差 ,潮位 、潮流 、波浪 、 大风 、大雾等水文 、气象及 GPS 定位信号弱等其它 不利外部条件 ,影响打桩船的稳定 ,船体上下 、左右 波动 ,使桩锤偏心击桩 ,导致桩顶破碎 ;影响桩体的 定位 ,导致可进行海上沉桩的天数大大减少 。
(2) 桥址处桩基持力层为 ⑦122 、⑦2 层 ,该土层 顶面标高普遍较高 ,且土体中含细砂量较高 ,土层 厚 ,标贯击数多 ,一般在 30~50 击 ,为中~低压缩性 密实土层 ,不利于 PHC 管桩的下沉 。
外海桥梁基础桩型选择所需要着重考虑的因素 ,并结合施工过程中沉桩质量及工期对桩基的选择提出了较详细的
分析依据 ,通过东海大桥变更海上段基础桩型的事例 ,分析了 PHC 管桩和钢管桩的适用条件和范围 。
关键词 : 跨海大桥 ;桩基础 ;PHC 管桩 ;钢管桩 ;施工方法 ;方案选择
中Baidu Nhomakorabea分类号 : U443. 154
大桥跨海非通航孔段分为 60 m 和 70 m 跨径区 段 ,共计 333 孔 ,上部结构主梁采用简支变连续的多 跨等截面预应力混凝土连续箱梁 ,60 m 跨径梁高 3. 5 m ,70 m 跨径梁高 4. 0 m。下部结构的桩型主要选用 <1 500 mm 的钢管桩 ,桩长约 50~70 m。
大桥设 1 000 t 级副通航孔 1 处 ,跨径布置为 (80 + 140 + 140 + 80) m ,通航净高 25 m ;500 t 级副通航孔 2 处 ,跨径布置分别为 (70 + 120 + 120 + 70) m 和 (90 + 160 + 160 + 90) m ,通航净高 17. 5 m。副通航孔上部结 构为预应力混凝土变截面连续箱梁 ,下部结构为 <2 500 mm 的钻孔灌注桩 ,桩长为 100~110 m。
PHC 桩沉桩以标高控制为主 ,当桩端达不到设 计标高时应用贯入度作为校核 。根据设计 PHC 桩 停锤标准 ,在采用 D100 锤开三档锤击的情况下 ,沉 桩停锤标准为 :当桩尖标高高于设计值在 0~0. 5 m 之间且最后贯入度 < 4 mm 时可以停锤 ,在 0. 5~ 1. 0 m之间且最后贯入度 < 2 mm 时可以停锤 ;当最 后贯入度 < 2 mm ,桩尖距设计标高超过 1 m 时 ,但不 超过 2 m 时 ,再打 50 锤 ,最后贯入度仍 < 2 mm ,可以 停锤 ;当最后贯入度 < 2 mm ,桩尖距设计标高超过 2 m 时再打 100 锤 ,最后贯入度仍 < 2 mm ,可以停锤并 停止后续桩基的沉桩 ,及时分析原因并采取补桩措 施 ;当沉桩至设计标高 ,最后贯入度 > 10 mm ,该桩 基应进行高应变动力检测 。
大桥浅滩段上部结构以 30 m 多跨连续预应力混 凝土等高度箱梁结构为主 ,梁高 1. 6 m。基础采用 <600 mmPHC 管桩 ,桩长为 30~40 m。
大桥浅海段由 26 孔 50 m 多跨连续预应力混凝 土等 高 度 箱 梁 组 成 , 梁 高 3. 0 m , 桩 基 主 要 采 用 <1 600 mm钻孔灌注桩和 <1 200 mmPHC 管桩 ,桩长为 30~40 m。
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虑 ,宜 将 深 海 区 域 中 <1 200 mmPHC 管 桩 改 为 钢 管桩 。
从打桩的进度情况来分析 ,现有的船机设备打 <1 200 mmPHC 管桩 ,要在 2004 年 6 月前完成全部 海上 4 800 余根 <1 200 mmPHC 管桩的沉桩任务是 十分艰巨的 ,进度上较难保证 。而改用 <1 500 mm 钢管桩后 ,从试桩结果来看 ,沉桩过程较为顺利 ,单 船打桩工效可提高 1 倍以上 ,因此从保障工程进度 考虑 , 宜 将 深 海 区 域 的 <1 200 mmPHC 管 桩 改 为 <1 500 mm钢管桩 。同时由于原设计中桩内填芯深 度达 25~30 m ,且又是斜桩 ,无论是斜桩的桩芯吸 泥和填芯水下混凝土浇筑 ,均有相当大的难度 ,因此 提高桩芯混凝土的填筑深度 ,提高至桩顶以下 6 m , 可基本采用干施工 ,避免水下混凝土浇筑 ,对提高工 效和节约造价是十分有利的 。
在已完成的 319 根 <1 200 mmPHC 管桩中 ,主要 位于近海段的 PM90~ PM105 墩 ,B 型桩 198 根 、BC 型桩 100 根 、C 型桩 22 根 。根据已完成的 PHC 桩的 沉桩情况统计 ,B 型桩 6 根有质量问题 ,补桩 4 根 , 有问题桩数占 3. 03 % ;BC 型桩 8 根有质量问题 ,补 桩 2 根 ,有问题桩数占 8. 0 % ;C 型桩 8 根有质量问 题 ,补桩 2 根 ,有问题桩数占 36. 36 % ;还有大量的只 满足设计停锤标准却未达到设计标高的桩 ,质量问 题较多 ,无法满足设计和使用要求 ,这种情况越往外 海越严重 。
PM100
2. 80
平均值 3. 49
锤击数 击
2 271 2 803 1 731 1 904 1 532 1 951 2 027 1 668 2 247 2 015
最后贯入度 mm
2. 00 2. 20 1. 82 1. 77 1. 90 2. 02 2. 46 1. 77 1. 27 1. 91
(4) 工程中所采用的 BC 型 、C 型管桩是新研制 出的产品 ,在海洋工程中第一次应用 ,设计与施工经 验较少 。设计时较多考虑到 PHC 管桩造价低 ,耐腐 蚀性能好的优点 ,对桥址处地质的复杂性 、对 PHC 管桩穿越密实砂层及抗击打能力和国内现有设备的 沉桩能力等认识不足 。
(5) 打桩锤等设备能力与 PHC 管桩桩体长度 、 桩体重量与桩的承载力等不太协调 ,不能做到“重锤 轻击”的沉桩要求 。
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世界桥梁 2004 年增刊
投入 5 条打桩船 ,每条船配备的桩锤均为 D100 风冷 式柴油桩锤 ,至 2002 年 11 月 30 日止 ,5 条打桩船共 完成打桩数 319 根 ,总天数为 156 d ,其中因天气影 响停工 60 d ,因 GPS 失锁 、船机故障 、沉桩质量等原 因停工 25 d ,合计有效作业天数 71 d ,占有效作业天 数的 45. 5 % ,平均沉桩数为 4. 5 根/ d ,也即在有效作 业时间内平均每船打桩数不到 1 根 。
2 <1 200 mmPHC 管桩使用情况分析 东海大桥原设计时考虑到 <1 200 mmPHC 管桩
具有桩身强度高 ( C80) 、混凝土密实度好 、抗 Cl - 渗 透性能佳及造价相对低廉的优点 ,将所有海上非通 航孔低墩区桥墩基础全部采用 <1 200 mmPHC 管 桩 。其中 ,浅水区桥墩基础采用 B 型 <1 200 mmPHC 管桩 ,有效预压应力为 7. 93 MPa ;中深水区桥墩基 础采用 BC 型 <1 200 mmPHC 管桩 ,有效预压应力为 8. 66 MPa ;深水区桥墩基础采用 C 型 <1 200 mmPHC 管桩 ,有效预压应力为 9. 40 MPa 。<1 200 mmPHC 管 桩壁厚 150 mm ,采用 C80 混凝土 ,桩基按直桩与斜 桩组合布置 。
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