武廣客運(yùn)專線王家灣制梁場900t箱梁預(yù)制臺座設(shè)計(jì)和施工

張軍林

(中鐵十一局集團(tuán)第三工程有限公司,湖北十堰 442012)

1 工程概況

王家灣制梁場是武廣客運(yùn)專線XXTJⅠ標(biāo)段4個制梁場之一,承擔(dān)413片箱梁的預(yù)制任務(wù),其中32 m箱梁405片,24 m箱梁8片。預(yù)制箱梁為單箱單室結(jié)構(gòu),梁底寬5.5 m,梁頂寬13.4 m,梁高3.05 m,單向預(yù)應(yīng)力體系,單片梁質(zhì)量約820 t。

2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 承載力要求

由于箱梁預(yù)施應(yīng)力后梁體重將集中在臺座兩端,這就要求臺座端部的基礎(chǔ)必須有足夠的承載力來承受箱梁的重力。

2.2 沉降要求

由于箱梁制造技術(shù)要求較高,箱梁4個支座水平面的相對高差在制梁階段不得超過2 mm,梁底其他處每米高低差不超過10 mm。這就要求預(yù)制臺座兩端的不均勻沉降控制在2 mm之內(nèi),沉降量控制在10 mm之內(nèi)。

3 地質(zhì)情況

王家灣制梁場位于湖北省赤壁市官塘驛鎮(zhèn)胡家嘴村,場地原始地貌單元屬剝蝕低丘區(qū),根據(jù)鉆探資料,并結(jié)合室內(nèi)土工試驗(yàn)成果綜合分析,該場地勘察深度范圍內(nèi)地層劃分為以下幾層：①素填土：由挖方區(qū)取出的黏性土填筑碾壓而成,結(jié)構(gòu)松散,層厚0.8～6.1 m；②粉質(zhì)黏土：黃色,可塑,局部分布,中偏高壓縮性,層厚0.8～6.1 m；③碎石：褐黃色、灰白色,中密狀,局部分布,層厚1.7～3.4 m；④含角礫紅黏土：棕紅色、褐黃色、黃色,硬塑,中偏低壓縮性土,層厚5.1～19.9 m；⑤含角粉質(zhì)黏土：黃色,可塑,中等壓縮性土,層厚2.3～5.2 m；⑥石灰?guī)r:灰色、灰白色,堅(jiān)硬,完整巖石基本質(zhì)量等級為Ⅰ級,最大揭露厚度8.1 m。

4 臺座基礎(chǔ)設(shè)計(jì)理論依據(jù)及計(jì)算方法

臺座設(shè)計(jì)的基本思路是首先根據(jù)本梁場的地質(zhì)條件,結(jié)合在其他梁場制梁臺座設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn),提出本梁場制梁臺座的設(shè)計(jì)思路和規(guī)劃,然后進(jìn)行有關(guān)的計(jì)算。

4.1 臺座荷載(圖1)

圖1 臺座上部荷載示意

臺座上部荷載由箱梁自重、內(nèi)模自重、底模自重、外模自重和施工荷載構(gòu)成。箱梁自重約8 200 kN；內(nèi)模重約800 kN；底模重約300 kN；外側(cè)模重約600 kN,支撐在外模軌道上,只有少部分荷載作用到制梁臺座上；人施工的作用荷載0.05×(8 200+800+300)=465 kN,取600 kN。

4.2 基礎(chǔ)總體設(shè)計(jì)方案

一片32 m預(yù)制箱梁重約8 200 kN,考慮箱梁底寬5.5 m,底模重300 kN,內(nèi)模重800 kN,及施工荷載的作用,預(yù)制臺座底部的荷載(8 200+800+600)/(5.5×32.6)=54.5 kPa,而梁場內(nèi)一般地基(素填土除外)的承載力就有120 kPa,考慮到地基承載力較高,中部只需對素填土進(jìn)行處理即可,采用碎石換填夯實(shí)處理,為減少不均勻沉降,上部采用整體性強(qiáng)的筏板基礎(chǔ)。由于箱梁預(yù)施應(yīng)力后梁體重力將轉(zhuǎn)向臺座兩端,采用一般擴(kuò)大基礎(chǔ)不能滿足承載力和沉降的要求,所以臺座端部采用樁基礎(chǔ),以第⑥層石灰?guī)r為持力層。臺座平、立面設(shè)計(jì)見圖2、圖3。

圖2 臺座平面(單位：mm)

圖3 臺座立面(單位：mm)

4.3 設(shè)計(jì)理論依據(jù)

臺座基礎(chǔ)采用基床系數(shù)法進(jìn)行彈性地基梁的計(jì)算。

基床系數(shù)法以文克勒(Winkler)地基模型為基礎(chǔ),假定地基每單位面積上所受的壓力與其相應(yīng)的沉降量成正比,而地基是由許多互不聯(lián)系的彈簧所組成,某點(diǎn)的地基沉降僅由該點(diǎn)上作用的荷載所產(chǎn)生,用公式表示為

P=koy

式中P——單位面積上的反力；

y——地基沉陷；

ko——基床系數(shù)。

通過求解彈性地基梁的撓曲微分方程,可求出基礎(chǔ)梁的最大彎矩、剪力和位移。

4.4 工況說明

4.4.1 工況1

箱梁在澆筑剛完成時(shí),臺座上部荷載均勻分布在臺座基礎(chǔ)上,此時(shí)的荷載為箱梁自重+內(nèi)模重+底模重+施工荷載,荷載按箱梁長度方向均勻分布,預(yù)制臺座荷載標(biāo)準(zhǔn)值為(8 200+800+300+600)/32.6=303.7 kN/m,設(shè)計(jì)值為303.7 kN/m×1.35=410 kN/m。采用彈性地基梁的方法計(jì)算基礎(chǔ)內(nèi)力所取的荷載是工況1,即主要驗(yàn)算中部筏板基礎(chǔ)的內(nèi)力。

4.4.2 工況2

箱梁拆除內(nèi)模并預(yù)施應(yīng)力后梁體重力將轉(zhuǎn)向臺座兩端,此時(shí)假設(shè)臺座基礎(chǔ)中部不受力,兩端承受箱梁的自重,此時(shí)的荷載僅為箱梁自重+底模自重,每端樁承臺上部的荷載標(biāo)準(zhǔn)值為(8 200+300)/2=4 250 kN,設(shè)計(jì)值為4 250 kN×1.35=5 737.5 kN。工況2主要是驗(yàn)算端部樁基礎(chǔ)的受力。

4.5 基床系數(shù)的確定

由于臺座底部兩端采用樁基礎(chǔ),中部采用碎石換填處理,基礎(chǔ)剛度不一致,故應(yīng)確定2種基床系數(shù)。根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)及地基基礎(chǔ)工程標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范實(shí)施手冊》表21-2-3基床系數(shù)k經(jīng)驗(yàn)數(shù)值法,端部為支承在石灰?guī)r上的樁基礎(chǔ),k1=3×105kN/m3,中部為碎石換填處理,k2=3×104kN/m3。

4.6 計(jì)算結(jié)果

按臺座長度方向分10個單元,由Winkler彈性地基梁電算程序計(jì)算結(jié)果如下：

跨中最大彎矩為1 070 kN·m,臺座長度的1/3處剪力最大Qmax=568 kN,豎向最大位移9 mm。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果,核算該基礎(chǔ)截面尺寸,其抗剪承載力R=1 668 kN,截面尺寸足夠。該筏板基礎(chǔ)配筋按雙向雙層布置,下部長向按φ22@150配,As=2 532 mm2/m,配筋率0.42%,容許彎矩M=2 084 kN·m,滿足要求,其余按構(gòu)造配筋。最大位移9 mm,滿足沉降要求。

4.7 樁基計(jì)算

4.7.1 樁承臺沖切計(jì)算

4樁承臺單樁沖切凈反力(設(shè)計(jì)值)Nl=5 737.5/4=1 434.375 kN,設(shè)計(jì)承臺厚度1 300 mm,混凝土強(qiáng)度等級C25。

按GB50007—2002之公式(8.5.17-5)、(8.5.17-6)、(8.5.17-7)計(jì)算,計(jì)算得抗沖切力=2 021 kN。

滿足抗沖切要求。

4.7.2 承載力計(jì)算

鉆孔樁直徑600 mm,C25混凝土,根據(jù)6號、7號、15號孔的地質(zhì)報(bào)告計(jì)算樁基承載力(表1)。

表1 樁基承載力

樁承臺自重G=1.3×4.9×3×25=477.75 kN

單樁承受荷載P=(4 250+477.75)/4=1182 kN

單樁承載力特征值=2 120 kN>1 182 kN,滿足要求。

4.7.3 沉降計(jì)算

根據(jù)《橋梁樁基計(jì)算與檢測》中單樁沉降計(jì)算的簡化法,單樁沉降主要是由樁身材料彈性壓縮變形ΔC和樁底處巖層的壓縮變形ΔK組成,即

S=ΔC+ΔK=NlEA+NC0A

式中N——作用于樁頂?shù)呢Q向壓力；

E——樁身材料的受壓彈性模量；

l——樁的長度；

C0——樁底處巖層的豎向抗力地基系數(shù)；

A——樁的橫截面面積。

按孔7號資料進(jìn)行計(jì)算,S=3.41 mm<10 mm,滿足要求。

5 預(yù)制臺座施工

5.1 施工技術(shù)要點(diǎn)

由于箱梁自重較大,底模預(yù)設(shè)反拱,對支點(diǎn)高差和臺座頂部高差要求極其嚴(yán)格。預(yù)制臺座有以下施工要點(diǎn)。

(1)預(yù)制臺座端部嵌巖樁施工,嵌巖深度和樁身質(zhì)量必須符合規(guī)范要求；

(2)中部地基采用碎石換填夯實(shí)并無不均勻沉降；

(3)為防止應(yīng)力集中,中部筏板和端部樁承臺連接處設(shè)置楔形塊過渡；

(4)預(yù)制臺座頂面高差控制在2 mm/m，最大高差不超過5 mm。

5.2 施工措施

5.2.1 樁基主要施工措施

樁基采用正循環(huán)鉆進(jìn)成孔,在施工過程中控制好樁的入巖深度和樁頂浮漿厚度,并注意溶洞的發(fā)現(xiàn)和處理。

(1)溶洞的發(fā)現(xiàn)和處理

該梁場位于石灰?guī)r地區(qū),溶洞比較發(fā)育,施工前在每個樁位都進(jìn)行了超前鉆,鉆進(jìn)完整巖石深度以下4～5 m。現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)溶洞后采用壓力注漿,注漿孔口壓力維持在1.5 MPa后,注漿壓力呈直線上升為止,吸漿量不大于40 L/min,維持30 min時(shí),可結(jié)束注漿。當(dāng)達(dá)不到上述結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)時(shí),應(yīng)清孔再次注漿,以確保樁端以下3倍樁徑范圍內(nèi)無溶洞。

(2)入巖深度控制

按規(guī)范要求,嵌巖樁入巖深度≥D，并不小于0.5 m,采用正循環(huán)鉆進(jìn)成孔取樣比較麻煩,因此主要從以下3點(diǎn)判斷其入巖：①由泥漿置換出來的沉渣來判斷,沉渣含有很多細(xì)小的巖石小顆粒而泥土很少時(shí)；②當(dāng)樁機(jī)振動較厲害,鉆頭有回彈現(xiàn)象時(shí)；③時(shí)間,一般在地質(zhì)條件變化不大的情況下,樁機(jī)鉆到巖石的時(shí)間在4～6 h；當(dāng)入巖時(shí)就在鉆桿上做一記號,當(dāng)鉆桿鉆進(jìn)這一記號附近并所用時(shí)間大于2 h時(shí)，即認(rèn)為入巖深度達(dá)到要求。

(3)浮漿的控制

由于澆筑的混凝土較厚,通常粗骨料會沉底,上層產(chǎn)生的浮漿較多,在灌注混凝土的時(shí)候一般超灌0.5～1 m,并在澆筑上層混凝土?xí)r適當(dāng)加入一些碎石防止樁上層混凝土強(qiáng)度降低。

5.2.2 上部承臺施工措施

上部承臺施工主要是注意3條條形基礎(chǔ)梁的高程控制,梁頂面高程分為3條梁同截面頂面高程和單獨(dú)每條梁頂面高程。

(1)同截面3條梁頂面高程控制

在施工過程中,都是通過同一高程基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行高程控制。3條梁是并行施工的,在每條梁施工前,用水準(zhǔn)儀通過高程基準(zhǔn)點(diǎn)反復(fù)復(fù)核高程,最后確定3條梁梁端的頂面高程。施工完成后進(jìn)行驗(yàn)收,同一截面梁的高程相對誤差控制在5 mm之內(nèi),符合要求。

(2)單獨(dú)每條梁頂面高程控制

在安裝好模板后,對模板高程進(jìn)行復(fù)核,高差控制在2 mm/m,最大不超過5 mm以內(nèi)；用于加固模板的方木設(shè)置在低于模板面10 cm處,澆筑完混凝土對其抹光前,在方木上沿梁頂面架一條長約6 m的平整槽鋼；認(rèn)真復(fù)核該槽鋼頂面高程,確定與設(shè)計(jì)梁頂面高程一致后,抹平光面,再用1 m長的鋁合金靠尺對梁沿縱向進(jìn)行復(fù)核,確保梁頂面的縱向平整度符合規(guī)范要求；然后將槽鋼前移,直到每5 m段光面完成。施工完成后進(jìn)行驗(yàn)收,單獨(dú)每條梁的高程相對誤差控制在2 mm/m,最大高差不超過5 mm,符合要求。

6 沉降觀測

6.1 水準(zhǔn)點(diǎn)的選擇和埋設(shè)

以挖方區(qū)較穩(wěn)定且不易被破壞的點(diǎn),將10 m長的鋼筋打進(jìn)地下并用水泥澆灌固定,設(shè)水泥樁點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn)(圖4)。

6.2 沉降觀測點(diǎn)的布設(shè)

工作基點(diǎn)(以下簡稱基點(diǎn))是沉降觀測的基準(zhǔn)點(diǎn)。基點(diǎn)利用已有的、穩(wěn)定性好的埋石點(diǎn)和墻腳水準(zhǔn)點(diǎn),采用1 m長鋼筋打入地下,共計(jì)3個,利用基準(zhǔn)點(diǎn)對工作基點(diǎn)作連續(xù)一周7次觀測。假如高差值之差在1 mm以內(nèi),則認(rèn)為工作基點(diǎn)是穩(wěn)定的,并假定Ⅰ號基點(diǎn)高程為0。

觀測點(diǎn)固定在制梁臺座上,采用φ14 mm的加長型膨脹螺栓,與制梁臺座側(cè)面保持50°～60°夾角,露出制梁臺座外面長度為20 mm左右。

6.3 觀測結(jié)果

7號制梁臺座最先使用,對7號制梁臺座從鋼筋籠入模、落內(nèi)模、橋面板拼裝、混凝土灌注、早期張拉進(jìn)

圖4 所有制梁臺位沉降觀測示意

行連續(xù)觀測,發(fā)現(xiàn)臺座兩端最大沉降量為5 mm,不均勻沉降在2 mm之內(nèi),完全滿足設(shè)計(jì)要求。

7 結(jié)論

(1)單樁承載力設(shè)計(jì)取值必須有一定的富余量。理論計(jì)算得到的單樁承載力特征值為2 120 kN,但是取的設(shè)計(jì)值為1 500 kN,樁基高應(yīng)變檢測結(jié)果承載力極限值為3 121～3 339 kN,即承載力特征值1 560～1 670 kN。承載力與理論計(jì)算值不符,經(jīng)分析有以下幾個方面的原因。

①檢測方法的誤差。本工程采用高應(yīng)變法檢測鉆孔樁的承載力,采用實(shí)測曲線擬合法建立力學(xué)模型,擬合法要輸入一些參數(shù),由于灌注樁的特殊性,某些參數(shù)的值不易取準(zhǔn),這將影響分析結(jié)果。

②場地地質(zhì)不均勻引起的誤差。由于場地地質(zhì)情況不均勻,巖土的取樣不能完全代表場地所有的地質(zhì)情況,造成參數(shù)取值的誤差。

表2為巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)表。

表2 巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度統(tǒng)計(jì) MPa

從表2可以看出,石灰?guī)r的抗壓強(qiáng)度相差較大,最大值為最小值的1.85倍。

③樁基施工方面的原因。樁底沉渣過厚或入巖深度不夠深也會影響樁的承載力。

(2)預(yù)制臺座施工必須控制好臺座端部樁基施工及臺座頂面高程誤差。

(3)根據(jù)上述方法設(shè)計(jì)出的預(yù)制臺座,第一批制出的4片梁,都在臺座上進(jìn)行了預(yù)應(yīng)力張拉,一個月后觀測的最大沉降量為5 mm,不均勻沉降在2 mm之內(nèi),基本滿足要求。可見,預(yù)制臺座中部不一定要打樁,并且相對于箱梁的制造周期4 d來說,基礎(chǔ)的沉降是一個長期而緩慢的過程,只要及時(shí)調(diào)整底模,在生產(chǎn)完一片梁就調(diào)整一次反拱度,就不會有問題。計(jì)算所得的沉降量偏小主要是沒有考慮到樁底沉渣的壓縮量,特別是在前期,樁底沉渣的壓縮量在總壓縮量中占相當(dāng)大的比值。

[1]鐵建設(shè)[2005]160號,客運(yùn)專線鐵路橋涵工程施工質(zhì)量驗(yàn)收暫行標(biāo)準(zhǔn)[S].

[2]TB10415—2003,鐵路橋涵工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)[S].

[3]GB50007—2002,建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4]JGJ79—2002,建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].

[5]李 聞.鐵路客運(yùn)專線預(yù)制梁場存梁臺座設(shè)計(jì)研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2009(S1).

[6]李 昂.建筑地基處理技術(shù)及地基基礎(chǔ)工程標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范實(shí)施手冊[M].北京：金版電子出版公司,2003.