桥梁基础类型的选择 - 图文(3)

2019-08-30 23:32

管柱基础的结构构造示意图

﹙a﹚低承台管柱基础﹙b﹚高承台管柱基础﹙c﹚斜管柱高承台基础

管柱基础是我国于1953年修建武汉长江大桥时所首创的一种新的基础型

式。这种方法的实施,主要是:①用定位桩若干根,将一外直径16m的钢围笼﹙也称围令﹚固定于设计位置上;再通过围笼上的格子,将管柱(外径1.55 m~5.8 m)插入河床,用振动打桩机及高压射水迫使下沉,使管柱下端到达岩面;②用冲击式钻头在管柱内冲击岩石,在岩石中钻成直径约1.4 m,深度为2~7 m的岩孔;将钢筋笼插入岩孔,再用水下混凝土填满岩孔及管柱;③在围笼外围插打钢板桩围堰,并用水下混凝土将围堰封底;在混凝土养生之后,凭借围笼对钢板桩的支撑,在围堰内抽水,然后可以在管柱上灌注承台及墩身;至其升出水面后,便可以拆去围堰了。这种方法的优点,在于工人的工作全是在水面之上进行,不受洪水影响,这就可以压缩工期。工程材料用量是比沉箱为少;且管柱下端可以适应岩面高低不平情况。缺点则是:①所需机具设备颇多,而且是专用性质,这是一般工程队伍所不易办到的。②所需消耗的电力(尤其是高压射水)较多。

武汉长江大桥所用管柱的直径为1.55 m;最大入土深度为27m左右;每

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根管柱所承受的设计轴向荷载(主力)为504~634t。其中6个主要墩(2至6号、8号)所用管柱数目,每墩为30或35根,由主力产生的岩石承压力是4.0~4.7 MPa。在封底混凝土底面处,其3号墩所受到的竖向荷载(恒+活)为16 100 t。

在1960~1965年,南京长江大桥第8及9号墩仍用管柱基础。施工时最大水深为23m,覆盖层厚度达46m,岩面是在水面以下69m。每墩均是用10φ3.6 m预应力混凝土管柱。在最大反力组合,在管柱下端,一根管柱所受最大轴向力为4 290 t及4 420 t。为下沉管柱,每一管柱均用2台中-250型振动打桩机并联使用。

南京长江大桥的第2及3号墩采用矩形沉井、下接管柱的基础。水深约30 m,覆盖层厚约40 m。在2号墩,岩层为页岩及砂岩,砂岩局部疏松,裂隙发育、破碎。采用13φ3.0m混凝土管柱。一根管柱最大轴向力为3 200 t。在施工中管柱若有一个发生倾斜或不均匀下沉,那就很难纠正。于是,十分谨慎地对待施工。在墩周还进行抛石防护,以减少局部冲刷,使墩周的土有足够抗力,这就对墩的强度和刚度有利。对3号墩的破碎岩石地基,还进行了长时期的固结灌浆、填充灌浆和挤实压浆。分别经历了3年和5年的艰辛施工,两个桥墩才胜利地建成了。

管柱基础创始于我国。不久就在各国通行。前苏联、日本与欧美等国均先后予以采用,只是在施工方法与设备方面物有所改进与提高罢了。其中,尤以日本对这一基础类型的推广、提高最为有力,并将其定名为多柱式基础。日本曾将这种方法用之于海上,并称之为多柱基础。致使管柱基础的适用范围由内河深水基础,走向了海洋深水基础。

管柱基础与大直径的桩基础或小直径的沉井基础的主要区别在于: (1) 管柱的柱底是钻孔嵌岩的。借管柱底嵌入岩磐和管柱顶嵌入刚性承台

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来减少柱的自由长度、提高整个基础的刚度,而不是靠桩侧土体的侧向抗力或专靠加大基础的体积与重量来提高基础的刚度的;(非嵌岩者已归属柱桩基础一类);

(2)地基的受力状态,由于有了钻孔嵌岩柱部份,使持力层由表面直接承压改为通过钻孔向岩层深处扩散,从而提高了基岩的承载能力;

(3)管柱基础所受之水平力及力矩,主要系由管柱上下端的嵌固力矩与嵌岩孔壁来承受。而不象桩或沉井、沉箱那样,需靠基础周围土的水平抗力、嵌固力以及由自重所产生的抗倾覆力矩与摩阻力来平衡。

(4)管柱与嵌岩钻挖井柱的区别主要在于:管柱的受力体主要是预制的管壁(R.C PC或钢)不足之数由管内填充之混凝土或钢筋混凝土来补足。而钻挖井柱则以就地水下灌注的钢筋混凝土柱作为主要受力体。即便钢护筒不拔除,也因筒壁较薄受力不大,不考虑它的受力作用。另外,在施工方面,管柱是用管节的强迫下沉,然后再在管内排土成孔的。 3.5双壁钢围堰钻岩基础

1973年修建九江长江大桥5号墩时,提出了双壁钢围堰钻岩方案。双壁钢围堰外径约为20m,内径17 m,两壁所夹厚度为1.4 m,这是用6 mm厚的钢板沿着圆围堰的内外表面而制成的空壳;在两壁之间,用桁式钢杆件加劲。将这种围堰分为几节、每节分成

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几块,预先制成。将底节拼好,并运到桥位,浮在水中。一面向上接高,一面向空壳内注水,使其刃脚进入河床。再从堰内吸泥并排出,同时加高围堰(只需拼装预制块并焊接),直至刃脚到达岩层。然后,将若干φ3.0 m圆钢筒(壁厚6 mm)吊入堰内,并固定其位置。于是,在这些圆钢筒与堰的内壁之间,灌注水下混凝土封底。这样,这一围堰就扎根牢靠。再用旋转钻机,在各圆钢筒内钻岩。在岩孔钻好后,放入钢筋笼,灌注混凝土(至封底混凝土顶面)。然后,可以抽水,灌注承台及墩身。再将钢围堰的上段烧切下来,以便回收。

同钢围笼、钢板桩法相比,此法用料较少(不用钢板桩,且围堰用料比钢围笼为少,而围堰上段还可以回收),用机具较少(不用吊插及下沉钢板桩,不用管柱节段,不用振动下沉),工作空间较大(内壁17 m直径之内的空间可以自由利用使吸泥、立模、灌注混凝土工作方便),几乎不受施工水位干扰(围笼及钢板桩只能抵抗20 m水头,若在高水位时从堰内抽水,极易翻砂或损坏,但现设计的双壁钢围堰在其下段灌入混凝土之后,可以抵抗36 m水头),因此,可以压缩工期。同钢沉井、下接管柱者相比,沉井是永久结构的组成部分,它在下沉中要发生偏位,这将使其管柱受力条件恶化;但围堰是临时结构,只要让圆钢筒位置按设计位置决定,则其永久结构就不会有偏心;而且,钢围堰构造简单,上段又可回收。

九江桥有4个墩(3号,5至7号)使用了这种基础。岩面有高低不平者(高差分别达3.6及3.9 m),覆盖层有厚达31.3 m者,这都未造成困难。有不少公路桥,如武汉长江二桥及军山大桥,铜陵及黄石长江大桥、南京长江二桥均采用双壁钢围堰钻岩基础。2000年9月竣工的芜湖长江大桥,主航道桥为矮塔斜拉桥,公铁两用,跨度为180 m+312 m+180 m。其主墩基础也是用双壁钢围堰钻岩基础。围堰外径30.2 m,内径27.0 m,两壁所夹厚度为1.6 m;在

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两壁之间灌有混凝土之后,所能抵抗的水头达43 m。堰内的钻岩桩(管柱)为19φ3.0m。

3.6 地下连续墙基础

将钻孔桩的截面取作矩形,让它们彼此相邻,然后将其连接就组成为地下连续墙了。其优点是:① 是以摩阻力为主的摩擦型基础。由于地下连续墙在挖槽时对周围土层的扰动比下沉沉井的扰动要小,加上井箱内留有土芯,墙的内外两面都同土层接触,其摩阻力要比沉箱或沉井都大。因此,地下连续墙可以获得较大的承载力 ② 是一个变形很小的刚性基础。地下连续墙基础的刚度不仅比桩基础的刚度大,而且比沉箱或沉井都大。所以,在水平力作用下,其变位很小。

典型例子是1986年建成的日本北浦港双线铁路桥。该桥为5跨连续梁,两主跨均为120 m。主桥墩所用的地下连续墙厚度为1.5 m,水平截面为空心矩形,外廓尺寸为9.0 m×10.0 m(内部空心部分为6.0 m×7.0 m)。地下连续墙是分成4个竖向单元施工,单元之间的连接是让水平钢筋搭接。顶板厚度4 m;顶板以上便是墩身。1989年建成的白鸟大桥(在日本北海道)是主跨720 m的悬索桥,其两塔的基础也是用地下连续墙法施工。

1992年投入运营的日本青森大桥(斜拉桥)的塔基础也是用地下连续墙。该桥跨为120 m+240 m+120 m。桥塔基础采用平面尺寸较大,深度较浅的地下连续墙。水平截面为空心矩形;外廓尺寸为20.5 m×30.0 m,内有6个矩形孔(平面尺寸均8.0 m×8.0 m);外壁、内壁厚度均1.5 m。墙顶之上的顶板,厚5.0 m。从顶板之下,算到墙底,深度是37m。该地连墙分为29个竖向单元施工。单元之间水平钢筋的连接采用管状接头。就规模讲,在同类基础中,

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