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沪昆高速公路某大桥桩基保护抗震加固工程方案研究

时间:2016-09-05来源: 作者: 点击: 266次


任振华*12,曾宪桃1,屈文俊2

(1.湖南工程学院建筑工程学院,湖南湘潭411104

2.同济大学土木工程学院,上海 200092)

[摘 要]:在开挖某下穿公路基础时,发现沪昆高速公路某大桥桩基础需要进行小修。在对桥梁桩基础进行检测后,提出了两套加固方案并进行了优化对比,结果表明:方案1会造成桩基强度损失,方案2在不破坏原有桩基的前提下,能够确保先后两次浇筑的混凝土工作的同步性和整体性,因此方案2优于方案1。同时作者还对施工工序、施工工艺、技术要求和施工注意事项等进行了详细阐述。

关键词:高速公路;大桥;桩基;抗震加固;方案

[中图分类号]U445.6      [文献标识码]        [文章编号]

 

Study on seismically strengthening project of Shanghai-Kunming expressway bridge pile foundation protection

REN Zhen-hua*12 ,ZENG Xian-tao1,Qu Wenjun2

(1. School of Building Engineering of Hunan Institute of Engineering, Xiangtan 411104, China;2. College of Civil Engineering of Tongji University, Shanghai, 200092, China)

Abstract: In the excavation of one underpass highway foundation, the bridge pile foundations of Shanghai-Kunming expressway were found to be reinforced. After the detection of the bridge pile foundations, two sets of reinforcement scheme were put forward and optimized contrast. The results show that, Scheme 1 will cause the pile foundation strength loss, Scheme 2 without destroying the original under the premise of pile foundation , ensures that has two pouring the concrete work of synchronicity and integrity. So the scheme 2 is better than those of 1. At the same time the construction process, construction technology, technical requirements and matters needing attention in construction were expounded.

Keywords: Expressway, Great bridge, Pile foundation,Seismically strengthening, Scheme


0  

该桥为一座预应力混凝土宽幅连续空心板桥,全长146.08m,跨径组合(19.96+5×20+19.96m,桥宽28m,桥宽布置为0.5m(外侧防撞墙)+12m(行车道)+1.0m(内侧护栏)+1.0m(央分隔带)+1.0m(外侧护栏)+12m(车行道)+0.5m(外侧防护墙),上部构造为7×20预应力混凝土空心板,先简支后连续,下部构造采用柱式墩,肋板式桥台,墩台均采

收稿日期:2016-××-××

基金项目:国家自然科学基金项目(51478346)湖南省科技计划项目重点专项(2015SK20543);湖南省教育厅重点项目(69657

          中国博士后基金项目(2016M591707;湖南工程学院博士启动项目。

作者简介:任振华(1981-),女,河南焦作人,副教授,工学博士,主要从事建筑结构的健康检测与加固,

 

 

 


用桩基础,其中34墩为端承柱,桩长均为12m

持力层为弱风化粉砂岩。其整体外貌图如图1所示。

由省交通建设质量监督试验检测中心等单位20114月出具的大桥水中桩基检测报告显示,墩柱混凝土强度满足设计强度C30的要求,碳化深度平均值0-0.5mm,表面碳化对钢筋锈蚀的影响轻微,墩柱、柱与系梁连接处未见明显外观缺陷,3#墩系梁底部局部混凝土脱落,墩桩顶混凝土局部有蜂窝、麻面,4# 墩系梁未见明显外观缺陷,4#墩桩身

 

 

有砖砌结构包裹,压缩了河床过水面积,不利于泄洪。3#4#墩桩基四周河床淤积抬升,3#4#墩所有桥墩立柱垂直度均未超过规范容许值,检测认为该桥水中基础评定为二类,需要进行小修。在建的云龙大道新建工程需下穿该大桥,并在大桥下穿段道路临河侧设置现浇箱型重力式挡墙;下穿施工中大桥3#4#墩桩基开挖约至系梁顶以下最大4.14m,即桩基最大外露高度为3.14m,如图2所示;外观检查发现3#-13#-23#-33#-4桩露出的桩身沿横桥向内倾斜(图3)。为及时掌握该桥桩基的工作状况,保证结构运营的安全性,并给以后的养护维修工作提供依据,受甲方委托,于20118月对大桥3#4#墩共计8根外露桩基及系梁进行了现场检测,从现场开挖检测情况看,桩基开挖后状况稳



Fig.1 Overall figure of the bridge and beneath the road

2 下穿道路在3#桩左幅桩基处的开挖情况

Fig.2 The excavation of beneath the road at the 3# left pile foundation

        


 

 

 

 

 

               


定。3#-13#-4号桩基四周土层分别开挖至横系梁顶以下3.41m3.55m4.14m4.0m,从桩基表面留下的覆盖层印迹来看,本次开挖土层深度分别为1.40m1.53m2.12m1.93m,但墩柱、横系梁及桩基表面未见任何新开展受力裂缝,表明桩基目前没有发生不均匀沉降与异常变位,目前总体状况稳定;4#墩桩基由砖砌结构、木材及土层包裹,目前总体状况稳定。



Fig. 3 Beneath road at the 3#4# pile foundation

4. 3#-1号桩基横向向内倾斜

Fig.4 Lateral inward tilt of 3#-1 pile foundation

 


 

 

 

 

 

 



从外观和强度检测情况看,桩基有以下几个问题:①桩基桩径偏大。3#-13#-4号桩基桩径设计直径为1.2m,而实测桩径平均值为1.5m,桩径偏大的原因应是施工时的扩孔造成的;②桩基倾斜。3#-1桩基横向向内倾斜度为4.4%,但按1.2m设计桩径考虑时,这一部分仍包裹在实际外露桩基以内,可以认为实测桩基尽管倾斜度较大,仍可以认为1.2m的设计桩经(图4的蓝色虚线内)这一部分满足倾斜度不大于1%的规程要求(挖孔桩0.5%,钻孔灌注桩1%,其它各桩基按设计桩经考虑时,其垂直度均满足规程要求;③桥墩桩基有轻度蜂窝麻面等外观缺陷。墩柱、系梁无明显外观缺陷;桩基与系梁连接处无明显外观缺陷;3#墩桩基顶混凝土局部有轻微蜂窝、麻面,4#墩桩身有堆砖结构及木桩包裹,如图5所示,桩基混凝土病害未知;④桩基及系梁混凝土实测强度按木桩设计强度C25的要求;⑤桩基混凝土保护层的厚度大于10cm3#-13#-23#-4桩基没有探测到钢筋,表明其钢筋笼保护层厚度普遍大于10cm,这与3#墩桩基直径有1.2m设计值扩孔至1.5m有关。按检测结果,大桥3#4#桩基技术状况可评定为二类,但需对桩基实施具体的保护措施,确保安全。




Fig.5 The brick structure of 4 # pile foundation and partial excavation

 


 

 

 

 

 



1  桩加固方案及比较

总体上看,目前情况下3#4#墩外露桩基竖向及水平方向受力安全有保证。施工过程中要防止大型机械对桥墩的撞击,可采用浆砌片石或钢筋混凝土块筑岛提高桩基水下部分抗冲刷的能力与使用耐久性,通过增设横系梁来提高两倾斜桩基的整体受力。具体方案如下:

总体方案。根据对该桥现场实地调查和桩基外观检测的结果,确定该桥墩保护工程设计方案,以安全、快速、经济为原则。

1)3#墩、4#墩桩基外露倾斜,保护工程设计考虑兼顾刚度、美观和耐久性,同时切实考虑施工的可行性并保证施工期的大桥运营安全;

2)对3#墩、4#墩系梁及桩基原有耐久性病害进行修补处理;

3)桥墩保护工程采用钢筋混凝土包裹桩基的设计,为加强桩基整体性,在两桩基之间另增设一道横系梁;

4)包裹层钢筋混凝土的基础垫层用素混凝土,奠基于弱风化粉砂岩上,以增强桩基竖向承载能力;

5)由于该桥各桩基倾斜程度不一,仅选取倾斜角度最大(4.4%)的3#-13#-2桥墩桩基进行外包混凝土与增设系梁的设计, 其它桥墩桩基均按此施工,仅对桩周因钢筋尺寸酌情调整,施工中确保外包混凝土桩基竖直度满足规程要求(<0.3%H )而且外包混凝土最小厚度应小于20cm

桥墩桩基采用外包裹钢筋混凝土保护工程的做法有两个方案,两桩基之间另增设横系梁的工艺也做相应的改变。

方案1:首先去除桩基钢护筒,对原桩基加强范围内的混凝土表面进行凿毛,并清洗干净;根据设计位置,在桩基混凝土中钻孔,钻孔直径为24mm,钻孔深度为25cm,桩基表面按40cm间距植筋、布设桩基外包钢筋及横系梁的钢筋;浇筑桩基外包及增设系梁混凝土。方案1如示意图6a所示。

方案2:首先去除桩基钢护筒,对原桩基加强范围内的混凝土表面进行凿毛,并清洗干净。为保证原有桩基混凝土的完整性,不在原有桩基上钻孔植筋,而是用两个圆心角小于180度的半圆形钢护筒紧扣在桩基圆柱上,并对两个半圆施加预压应力,使原有桩基混凝土承受压应力,将半圆筒固定好以后,再在钢护筒上焊接扇形辐射钢筋和环形箍筋;系梁内的增强钢材不用钢筋而改用型钢,以便与半圆形钢护筒相连,最后,浇筑桩基外包及增设系梁混凝土,如图6b所示。

从整体上看,方案2较方案1优越。方案1破坏了原有钢筋混凝土桩基的结构,在原有桩基混凝土中植筋,一是原有混凝土结构和后追加的新混凝土结构受力不同步,缺乏整体工作特性,损害了混凝土的整体性,植筋孔洞减少了混凝土的承载面积,二是孔洞开凿有可能破坏桩基内的原有钢筋,造成桩基强度损失,其三,由于高速公路归口高管局管理,万一被现有施工单位改造过的桩基出现问题,将来会有责任难以划分的麻烦。方案2就不同了,钢护筒没有扰动原有桩基,同时给原有桩基在环向增加了预应力在不破坏原有桩基的前提下,确

 

 

文本框: 原系数文本框: 100文本框: 22文本框: 40文本框: 100文本框: 6×14.5文本框: R75文本框: 原系数文本框: R75文本框: 100文本框: 40文本框: 50文本框: 100文本框: 335文本框: 3×5


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92.5

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60

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6×14.5

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原系数

67.5

3×9.8

R75

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92.5

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92.5

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3×5

6 两方案对比图

Fig.6 Compared with the two plans

a

b

 


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 




 


确保了先后两次浇筑的混凝土工作的同步性和整体性。应优先选择方案2实施。

2  施工工序及技术要求说明

桩基保护工程设计标准。荷载等级按原设计标准为汽车-20级,挂车-120;桥梁宽度为28.0m,桥面横坡双向2%;桥梁纵坡维持原纵坡不变。

主要材料。桩基外包及增设系梁混凝土均采用C30,桩基外包部分混凝土的垫层采用C20素混凝土;普通钢筋必须符合“GB/T1499.1-2008”和“GB/T1499.2-2007”标准的规定,其中:钢筋直径D12mm,全部采用HRB335热轧带肋钢筋,抗拉强度标准值fsk=335MPa。钢筋直径D12mm,全部采用R235,抗拉强度标准值fsk=235MPa;水泥、砂石和拌和用水的质量应符合《施工技术规范》JTJ041-2000的有关规定并符合相应的国家标准。

桩基开挖及施工。1)扩除4#墩桩身外侧的木桩和砖砌结构,并将3#4# 墩区原河道道床线以下,人工开挖平整至36.4m高程;2)根据检测报告及现场检查情况,对3#墩、4#墩系梁原有蜂窝麻面、混凝土脱落等病害进行修补处理。其中,混凝土脱落的部位用M30高强度聚合物砂浆进行修补;蜂窝麻面采用砂浆抹平压光、压实及水泥压浆处理;3)分四等份进行桩周土层人工开挖和素混凝土浇筑,形成桩基保护工程垫层;4)去除桩基钢护筒,对原桩基加强范围内的混凝土表面进行凿毛,并清洗干净;5)桩基表面按40cm间距植筋、布设桩基外包钢筋及横系梁的钢筋;6)浇筑桩基外包及增设系梁混凝土;7)对桩周回填砂砾石并平整至36.4m高程, 3#4#墩区域采用10cm厚砂砾石垫层和50cm厚M10砂浆砌片砌筑渠底,铺装至37.0m高程。

施工工艺及技术要求

施工中严格遵循《公路桥涵施工技术规范》(JTJ041-2000)、《公路工程质量检验评定标准》(JTGF80/1-2004)、《公路桥梁加固设计规范》(JTG/T J22-2008)、公路桥梁加固施工技术规范》(JTG/T J23-2008)要求,并从严控制。

M30聚合物砂浆的施工工艺。1)清理表面:将疏松、污物、灰尘全部清理干净,并尽可能使表面处于饱和面干含水状态;2)抹前处理:对结合面涂界面剂进行界面处理;3)配制砂浆:为保证高强度聚合物砂浆的质量,应尽可能采用厂家推荐使用的配合比进行配制(推荐重量配合比为:HPWH-II:砂:水=10022036),采用盘式砂浆搅拌机,配制好的砂浆应在两小时内用完;4)涂刷砂浆:按专业要求涂刷砂浆,表层喷涂防护材料;5)养护:应特别注意早期养护,砂浆终凝后即可浇水或覆盖养护,潮湿养护时间一般7-14天。

蜂窝及麻面处理施工工艺。1)对3#墩、4#墩系梁局部麻面的部位,用水充分湿润后,用原混凝土配合比去石子砂浆,将麻面抹平压光;2)对于小蜂窝的部位,洗刷干净后,用1212.5水泥砂浆抹平压实;3)对于较大蜂窝,凿去蜂窝处薄弱松散颗粒,刷洗净后,支模用高一级细石混凝土仔细填塞捣实,表面抹砂浆或灌筑混凝土封闭后,进行水泥压浆处理。

桩周开挖及素混凝土浇筑要求。1)桩基保护工程采用人工开挖,避免采用工程机械可能危及桥墩的结构安全;2)桩基保护工程将开挖至34.0m高程的弱风化粉砂岩层,这样桩基最大外露高度为6.257m(4#),为确保桩周土层开挖时的大桥运营安全,每一桩基沿桩周按设计要求分4等份(每次90度角)进行土层开挖(每次为桩周的1/4)和素混凝土浇筑;3)同幅两根桩基严格按桩周开挖顺序分8次进行施工,而且同幅桥3#4#桥墩不能同时开挖;4)每次人工开挖至34.0m高程的弱风化粉砂岩层,清理孔底后浇筑2.0mC20素混凝土,混凝土达设计强度70%后进行下一阶段的开挖与素混凝土浇筑;5)桩周开挖后,若发现地质情况与设计不符时,应及时通知设计部门酌情确定基础埋深。

桩基外包混凝土的施工工艺及要点。1)选择施工场地,按设计文件进行钢筋加工,下料时须考虑其搭接或焊接长度;2)采用砂轮去除桩基外包范围内钢护筒,原桩基混凝土表面应凿出凹凸差不小于6mm的粗糙面,并清洗干净;3)施工锚固钢筋必须用电钻钻孔,孔深和孔径按设计图中的规定执行,电钻钻孔时孔位应避开原桩基钢筋,插入钢筋后须用环氧树脂进行锚固。具体流程如下:成孔清孔-钢筋除锈-注胶-植筋;4)锚固钢筋、外包混凝土纵向钢筋和构造钢筋分别与箍筋进行点焊;5)浇注混凝土时注意分层,振捣密实后再进行下一层浇筑。

桩基植筋施工工艺及要点。1)根据设计位置,在桩基混凝土中钻孔,钻孔直径为24mm,钻孔深度为25cm2)用硬毛刷刷孔壁,再用干净无油的压缩空气吹出灰尘,反复进行不小于3次,必要时可用干净棉布沾少量丙酮或酒精擦净孔壁;3)将钢筋表面进行除锈处理,并用丙酮或酒精擦试干净;4)将植筋胶管上拧紧混胶嘴,装入施胶枪,向植筋孔内注胶,注胶时必须从孔底逐步向孔口填胶,注胶量应略大于理论需胶量,以确保注胶饱满;5)将钢筋旋转插至孔底,保证孔口溢胶,并注意防止漏胶;6)凝胶后常温(25)下固化1-3天,固化过程中避免扰动;7)外观检查注胶是否饱满,固化是否正常。

4 施工注意事项及建议

1)施工前应做好详细的施工组织,在施工的同时,保证施工人员及交通安全;

2)在施工前,应先认真检查混凝土脱落、蜂窝、麻面等病害的部位及面积,并做好记录,按相关方法进行处理;

3)在桩周土层开挖的过程中,应采用人工开挖,避免采用大中型机械,危及桥墩基础的安全。

结论

通过对沪昆高速公路某大桥桩基保护抗震加固工程方案的研究,取得了如下初步结论:

1)方案1在原有桩基混凝土中植筋,破坏

7 工程完工后相片(左幅图为3#桩)

Fig.7 After the completion of the project

 

 


了原有钢筋混凝土桩基的内部受力及结构,同时原有混凝土结构和后追加的新混凝土结构受力不同步,桩基缺乏整体工作特性,损害了混凝土的整体性,植筋孔洞减少了混凝土的承载面积,孔洞开凿有可能破坏桩基内的原有钢筋,造成桩基强度损失,另外,由于高速公路归口高管局管理,万一改造过的桩基出现问题,将来会有责任难以划分的麻烦;

2)方案2就不同了,钢护筒没有扰动原有桩基,同时给原有桩基在环向增加了预应力,在不破坏原有桩基的前提下,确保了先后两次浇筑的混凝土工作的同步性和整体性。应优先选择方案2实施。实施后的桥梁桩基如图7所示。

3)本文中所述的方案2还能够使构件的延性得到明显的改善,耗能能力大大提高,使结构整体上具有优越的抗震性能,适于在工程上对混凝土构件进行补强。


 

 

 

 

                       


 

 


参考文献:

[1] 中华人民共和国交通部.《公路工程质量检验评定标准》(JTGF80/1-2004,2005

Ministry of Transport of the People's Republic of China.《Highway engineering evaluate standard by quality inspection》(JTGF80/1-2004),2005(in chinese)

[2] 中华人民共和国交通部.《公路桥梁加固设计规范》(JTG/T J22-2008,2008

Ministry of Transport of the People's Republic of China.《Technical Specifications for Strengthened of Highway Bridge》(JTG/T J22-2008),2008(in chinese)

[3] 中华人民共和国交通部.《公路桥涵施工技术规范》(JTJ041-2000,2000

Ministry of Transport of the People's Republic of China.《Technical Specifications for Construction of Highway  Bridge》(JTJ041-2000),2000(in chinese)

[4] 中华人民共和国交通部.《公路桥梁加固施工技术规范》(JTG/T J23-2008,2008

Ministry of Transport of the People's Republic of China.《Technical Specifications for Strengthened Construction of Highway Bridge》(in chinese)

[5] 任振华,曾宪桃.预压应力钢护筒并植筋扩大断面的混凝土柱加固方法[P].发明专利(专利号:ZL 2014 1 0815513.8),201510

Ren Zhenhua,Zeng Xiantao. The method of prestress Steel Casing reinforced concrete column with Planting bar and enlarge section[P]. Invention patent(No.ZL 2014 1 0815513.8),2015,10

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