游蕩型河道引橋樁基組合注漿工藝關鍵技術

楊紀 李孟然 黃毅 崔振華

摘要：黃河游蕩型河段的河道斷面寬淺，水流散亂，最寬處達數十千米，主槽擺動幅度這幾千米。限于諸多不可控因素，黃河大橋建成后，主河槽存在從設計的主橋范圍擺動至灘地引橋范圍的可能性，此種情形一但發生將對黃河大橋引橋造成結構性破壞，為避免在此情況下引橋樁基豎向承載力不足，常規采用部分或全部灘地引橋統一按主河槽沖刷深度控制引橋樁長，提高樁基豎向承載力，滿足極端小概率工況下的結構安全。但該方法造價較高，施工風險較高，工期也較長。本文結合新工藝、新方法，分析提出采用樁底及樁周組合注漿工藝提高引橋樁基的豎向承載力，付出較小的代價來抵御小概率極端工況下的風險。通過實際項目的方案對比發現，該工藝在工程造價、施工風險及施工工期等方面都較常規方案有明顯優勢。

關鍵詞：游蕩型河道引橋;沖刷;組合注漿;黃河

中圖分類號：U44;TV882.1

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j .issn.1000 - 1379.2020.01.024

1 引言

1.1 黃河主槽擺動對引橋的影響

黃河上游寧夏頭道墩至石嘴山河段、內蒙古巴彥高勒至三湖河口河段和中游禹門口至潼關河段（俗稱小北干流）、下游白鶴至高村河段均屬典型的游蕩型河段，斷面寬淺，水流散亂，河床、河岸的抗沖刷性差，自然條件下，主流在寬闊的河道內游蕩擺動劇烈。

游蕩型河段的主河槽是行洪的主要通道，沖淤變化劇烈，灘地單寬流量小，沖淤變化不明顯。在黃河游蕩型河段修建大橋，主橋和引橋分別根據主槽和灘地計算的沖刷深度來確定樁長以保證大橋結構安全。

目前，經過歷次河道整治工程建設，黃河干流部分游蕩型河段主流擺動范圍有所減小，但從整體來看，大部分游蕩型河段河勢仍未得到有效控制，往往一場大水過后，河勢就會發生劇烈變化。影響河勢的因素眾多（來水來沙條件、河道整治工程布設情況、河道采砂、涉河工程施工等）且不可控，大橋建成后，主河槽存在從設計的主橋范圍擺動至灘地引橋范圍的可能性，此種情形一旦發生，就會危及引橋的結構安全。為避免發生安全事故，設計時往往將靠近主橋較大范圍內的引橋或河道內全部引橋采用主河槽沖刷深度來控制其樁長，但這種設計方案存在如下缺陷。

（1）樁長過長，施工時容易塌孔，風險較大。橋梁樁基多采用鉆孔灌注樁，首先由機械鉆孔或人工挖孔工藝進行成孔，然后下鋼筋籠并澆筑混凝土。由于成孔時塌孔的概率與樁長成正比，因此樁長增加，施工的風險必然會大幅增加。

（2）施工工期較長。樁長的增加使鉆孔、鋼筋籠及混凝土的工程量均有所增加，工期自然相應延長，且如果發生塌孔，還需采取工程措施進行補救，進一步延長施工工期。

（3）造價較高。黃河河道內多為粉質黏土、粉砂及黏土，灘地沖刷深度一般比主河槽沖刷深度淺5 -15m，而黃河大橋的引橋樁基動輒幾十根乃至幾百根，統一按主河槽沖刷深度控制樁長會增加工程造價。據不完全統計，黃河大橋引橋比其他內河橋梁或城市陸地橋梁的造價高25% - 50%。

1.2 解決方案

在黃河大橋修建時，其主河槽擺動范圍一般要經過洪評報告的分析和審查，超限的概率較小。筆者認為，為抵御小概率極端工況下的風險而大幅抬高造價，增加施工難度和風險是不明智的，應考慮在引橋的常規設計（在灘地范圍內按灘地沖刷深度控制樁長）基礎上采取適當的工程措施，以較小的代價來抵御小概率極端工況下的風險。近年來，樁底及樁周組合注漿技術逐漸應用于橋梁工程，雖然其施工工藝的技術性要求較高，施工難度較大，但該工藝可有效增加樁基豎向承載力，且造價相對較低，工期相對較短，具有較大的工程優勢，在局部工程應用時性價比是較高的。對于主河槽可能擺動范圍內的引橋段樁基，采用樁底及樁周組合注漿技術可以有效地抵御主河槽沖刷帶來的不利影響。

2 樁底及樁周組合注漿技術

現階段樁底及樁周組合注漿技術主要按壓漿部位進行區分，分別為樁端后壓漿、樁側后壓漿、樁端樁側組合后壓漿3種[1]。樁端后壓漿技術較為成熟，應用最為廣泛，主要通過預設于樁身內的壓漿導管及與之相連的樁端壓漿閥向樁端土層壓入漿液，可以固化樁底沉渣，并加固樁端持力層，從而提高樁基的承載力;樁側后壓漿技術發展稍晚，是采用注漿方法對樁側土體進行加固以提高樁基承載力的一種方法，消除了樁周泥皮的影響，主要通過預設于樁身內的壓漿導管及與之相連的樁側壓漿閥向樁側土層壓入漿液;組合后壓漿包含樁端和樁側兩種壓漿方式，工藝更為復雜，壓漿效果優于單一壓漿方式，一般組合后壓漿先自上而下逐段進行樁側壓漿，然后進行樁端壓漿。具體壓漿機理如圖1所示。

組合后壓漿技術能夠有效提高已建和待建的樁基承載力。對于新建橋梁的樁基，可以減小樁徑、樁長，從而減少工程投資;對于地基土層較弱地區，該技術能有效提高樁端和樁側土層的物理力學性質，從而提高樁基的承載力;對于已建橋梁的樁基，如果出現承載能力不足的情況，也可以通過該技術進行加固處理[2]。

目前，后壓漿技術的樁基承載力計算方法主要有兩種：一是根據相關規范的理論公式來調整計算值;二是通過注漿后擴大的樁底面積和減短后的實際樁長來修正樁基半徑，代入經驗公式得到樁基承載力[3]。主要公式如下。

（1）《公路橋涵地基與基礎設計規范》理論公式[4]。后壓漿灌注樁單樁軸向受壓承載力特征值應通過靜載試驗確定。在后壓漿技術規定的條件下，單樁軸向受壓承載力特征值計算公式為[5]

由于《公路橋涵地基與基礎設計規范》理論公式（式（1》中側阻力增強系數Ps，和端阻力增強系數盧。應根據實測數據資料統計確定，因此應進行試樁工程的壓漿前與壓漿后的單樁豎向靜荷載試驗對比來確定單樁極限承載力。修正樁基半徑后的計算公式（式（2） -式（4》主要適用于粗粒土，具有一定的局限性。在實際工程應用中，普遍采用式（1）進行計算分析。

3 工程實例

3.1 工程背景

黃河山東河段某黃河大橋堤內橋跨布置如圖2所示。其跨徑布置為16x50 m+（ 110+4x180+110） m+4x50 m，橋面采用雙幅布置，單幅寬18.25 m。根據洪評報告中的水文成果可知，主河槽沖止高程為-13.45 m，灘地沖止高程為-4.92 m。

灘地引橋樁基平面布置如圖3所示。單幅橋墩采用6φ1.8 m樁基礎，樁間距為4.8 m，承臺尺寸為12.6m（順橋向）x7.8 m（垂直橋向）。

地質參數及組合注漿技術參數見表1。該橋地層以粉質黏土、粉砂為主，側壁摩阻力為30- 80 kPa.承載力基本容許值為90-260 kPa，豎向承載力較低。該地層較為適合后壓漿技術的實施，后壓漿工藝中，側阻力增強系數盧。。在1.3 -1.5之間，端阻力增強系數盧。在1.5 -1.8之間，對樁基豎向承載力有較大提高。

3.2 新老方案對比

本橋單樁樁頂反力為8 000 kN，對應灘地沖刷深度和主槽沖刷深度計算得到的樁長分別為60 m和70m，即按主槽沖刷深度控制樁長時每根樁需增加10 m。

當主河槽擺動至引橋范圍時，保持引橋樁長60 m不變而采用組合注漿工藝來提高承載力，根據式（1）及表1中βsi和βp值計算樁底承載力，注漿與不注漿的豎向承載力對比見表2。由表可知，注漿后樁基豎向承載力提升了35%，滿足豎向承載力要求。

方案一（引橋樁長按灘地沖刷深度控制，同時采取考慮樁底及樁周組合注漿措施）和方案二（引橋按主河槽沖刷深度控制樁長）均滿足受力要求。對兩個方案工程量做對比分析，見表3，方案一工程建安費4932萬元，方案二工程建安費5 982萬元，方案一比方案二節省造價21.3%。

兩方案的綜合對比見表4。方案一除施工難度較大以外，造價、施工風險及施工工期都有較大優勢。付出較小代價可獲得較大的安全富余，避免因主河槽擺動至引橋段發生樁基豎向承載力不足的危險。經綜合考慮，方案一有較明顯優勢。

4 結論

黃河是一條自然條件復雜、河情極其特殊的河流，尤其是其游蕩型河段，河勢復雜多變，目前大部分游蕩型河段河勢仍未得到有效控制。在游蕩型河段修建大橋，存在主河槽從設計的主橋范圍擺動至灘地引橋范圍的可能性，引橋樁基若僅按灘地沖刷深度控制，則可能導致引橋樁基豎向承載力不足，若按主河槽沖刷深度控制則可能導致工程造價大幅度上抬、施工風險增加及施工工期延長等不利結果。采用樁底及樁周組合注漿技術，可有效提高引橋樁基安全富余，滿足主河槽擺動后引橋的樁基豎向承載力要求，節省工程造價，降低施工風險，縮短施工工期等，從而達到以較小代價抵御不可預知的小概率極端工況下的風險。

參考文獻：

[1]戴國亮，萬志輝，龔維明，等，基于沉降控制的組合后壓漿灌注樁承載力計算研究[J].巖土工程學報，2018.40（12）：2172-2181.

[2] 周國慶，梁恒昌，趙光思，樁側土注漿提高單樁承載力試驗研究[J].中國礦業大學學報，2005，34（3）：265-269.

[3]郭琦，李春軒，劉慧林，應用后壓漿技術的鉆孔灌注樁承載力計算方法[J].水運工程，2010（3）：63-67.

[4] 中華人民共和國交通部，公路橋涵地基與基礎設計規范：JTG D63-2007[S].北京：人民交通出版社，2007：42-43.

[5] 周霄，李修坤，組合壓漿技術在軟弱地層橋梁鉆孔樁中的應用研究[J].公路，2016，61（ 10）：116-121.

[6] 陶興文，上海地區鉆孔灌注樁后壓漿技術的設計與施工[J].探礦工程（巖土鉆掘工程），2001，28（4）：35-36，38.

【責任編輯張帥】

收稿日期：2019- 04-14

基金項目：國家重點研發計劃項目（ 2018YFC0407806）

作者簡介：楊紀（1979-），男，湖北荊州人，高級工程師，主要從事橋梁設計工作