粵北常見橋涵地基的處理
2009-09-28
1 引言
粵北地區(qū)多為石灰?guī)r、砂巖、花崗巖、變質(zhì)巖等，一般埋深較淺。雖然沒有沿海地區(qū)那么深的軟土，但是也有因其它原因沖積而成的軟土。另處，由于石灰?guī)r溶蝕嚴(yán)重，造成地基犬牙交錯(cuò)，地基情況千差萬別。過去對(duì)地質(zhì)情況不重視，且為節(jié)省投資，常常不鉆探。而即使進(jìn)行了鉆探，也畢竟是“一孔”之見，設(shè)計(jì)對(duì)地基的處理亦不可能十全十美。因此，施工過程中，地基情況五花八門，有時(shí)甚至與設(shè)計(jì)情況相差甚遠(yuǎn)，不得不現(xiàn)場(chǎng)處理。
筆者自參加工作多年來，處理了許多不同類型的橋涵地基。由于自己主要是在生產(chǎn)單位，故沒有進(jìn)行多少實(shí)驗(yàn)工作，許多處理方法都不是能用純理論的計(jì)算方法精確地計(jì)算出來的，許多是理論與實(shí)踐的結(jié)合，但又確實(shí)是行之有效的方法。下面將各種處理方法作一個(gè)簡要總結(jié)，與同行探討。
2 一般情況的地基處理
2.1 土質(zhì)地基
對(duì)于這類地基，因?yàn)槠涑休d能力滿足設(shè)計(jì)要求，故一般僅需鏟平，修整妥善后即可砌筑基礎(chǔ)。為保證基底不致浸水，一般在基底以外另挖一比基底標(biāo)高低30～50cm的集水溝排水。
2.2 巖石地基
對(duì)于花崗巖、石灰?guī)r等較堅(jiān)硬而又難以風(fēng)化的基底，且埋深已在滿足設(shè)計(jì)埋深以下的基礎(chǔ)，一般只需清除表面風(fēng)化層檢平即可。如巖面有較大范圍的傾斜，則可分級(jí)鑿成臺(tái)階，然后沖刷干凈。
對(duì)于紅砂巖等較易風(fēng)化的巖基，除應(yīng)鑿除表面風(fēng)化嚴(yán)重的巖體外，一般尚應(yīng)嵌巖60～100cm，因?yàn)樵谖揖止莛B(yǎng)的許多地基為紅砂巖的橋基，都有不同程度的沖空情況。如南雄的水南橋 、始興縣的關(guān)橋等。因此，驗(yàn)收基礎(chǔ)時(shí)一定要嚴(yán)格真正意義上的嵌巖。在實(shí)際操作中，我們發(fā)現(xiàn)許多施工單位挖基時(shí)往往開挖得較基礎(chǔ)尺寸大許多，或者用鑿巖機(jī)將基礎(chǔ)開挖得傾斜一定角度，造成“假嵌巖”。在這種情況下，驗(yàn)收基礎(chǔ)時(shí)，應(yīng)叫施工單位按基礎(chǔ)尺寸用風(fēng)鉆修整至比較垂直的基坑，第一層基礎(chǔ)不設(shè)模板滿(砌)澆。如果是傾斜的，則設(shè)模板澆搗基礎(chǔ)后，底層基礎(chǔ)與巖面的三角部分用貧混凝土封填。
3 特殊地基的處理
這類地基主要是指對(duì)比設(shè)計(jì)所要求的承載力不足，或者基礎(chǔ)范圍軟硬不一等等。
3.1 軟土
粵北地區(qū)的軟土多為淤泥質(zhì)粘土或亞粘土，及緩流沖積而成的軟粘性土，天然孔隙比較大，天然含水量大于液限，容許承載力一般介于0.1～0.2MPa之間，一些甚至低于0.1MPa。而我們的橋梁設(shè)計(jì)通常要求基底承載力在0.25～0.35MPa。在實(shí)踐中，我們對(duì)于基底承載力在0.15～0.2MPa之間的天然基礎(chǔ)，通常采用換填的方法處理。一般都用天然砂礫作為換填材料，擴(kuò)散角按φ＝45°擴(kuò)散。
對(duì)于承載力介于0.1～0.15MPa或小于0.1MPa的軟土，由于用換土方法來處理時(shí)，通常墊層厚度超過2.5m，這樣，如采用換土的方法，就顯得不夠經(jīng)濟(jì)。因此，通常采用如下兩種方法：
(1)砂樁擠密法。
軟土承載力低，往往是由于孔隙比大。因此，用砂樁擠密軟土，減小孔隙比，達(dá)到提高基底承載力的目的。具體計(jì)算按《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算。
(2)松木樁擠密法。
在1975年《公路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》7.45條和1980年《公路橋涵設(shè)計(jì)施工技術(shù)規(guī)范》第3.67條中，都有規(guī)定可以采用短木樁擠密法處理軟土地基，但在1985年頒發(fā)的《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》JTJ024—85中，沒有提及短木樁擠密法，這是否說明用短木樁擠密土壤不能使用呢?
粵北山區(qū)多松木，興建橋涵時(shí)，遇軟土地基，通常用短松木樁擠密軟土，取得較好的效果，具體做法是：
a.用以加固的軟土地基必須在滿足設(shè)計(jì)埋深以下，且在年最低水位以下，以保證地基不被洪水沖毀，并防止木樁時(shí)干時(shí)濕，腐朽變質(zhì)。
b.雙人用鋼釬，在基底周邊及中心處，每隔一定距離(一般2～3m)，探明軟土層厚度，以便于選定木樁的長度。
c.木樁的長度，一般不宜長于4m，因?yàn)檫^長，難于就地取材，材料較貴不經(jīng)濟(jì)，而且操作不易，但亦不宜短于2.5m，木樁的尾徑為12～14cm。最好選用松木(因?yàn)橛兴f年松之說)，樁頭用斧頭削尖。
d.打樁有用三個(gè)把柄的叫三星錘，亦有用鑄鐵鑄成的穿心錘，現(xiàn)在因?yàn)闄C(jī)械化程度高，常用挖掘機(jī)的挖斗倒過來扣壓樁，工效非常高，僅需兩人扶樁就位，由挖斗輕按至樁入土自穩(wěn)，然后人走開，由挖掘機(jī)按壓樁下去。一般每3～5min即可打一條樁。一般一個(gè)臺(tái)班可完成一個(gè)基礎(chǔ)的打樁工作。
e.打樁時(shí)，為使擠密效果好，必須由基底四周往內(nèi)圈施打。
f.樁的布置以梅花形為好，樁間距離不宜小于3倍樁徑。
g.打樁完畢應(yīng)鋸平樁頭，使每根樁的樁頂基本水平。清挖打樁時(shí)擠出的爛泥，然后用天然砂礫回填，一般厚度為60～80cm，保證基礎(chǔ)不包樁頭，使受力均勻。
h.最后取土樣做土工試驗(yàn)，或用長桿貫入儀驗(yàn)證處理后地基的實(shí)際承載能力是否滿足設(shè)計(jì)要求。
按以上方法，十幾年來我們分別處理了許多橋的地基，如1993年在國道323線南雄建造的修仁橋，跨徑16mT梁橋；1994年國道106線上的徑口橋，跨徑13mT梁橋；1996年的官渡大橋，跨徑20mT梁橋；1995年的翁源六里南門橋，跨徑35m剛架拱橋等等，現(xiàn)均已通車多年，未發(fā)現(xiàn)由于基礎(chǔ)變形所產(chǎn)生的破壞。實(shí)踐證明是可行的。但是必須注意，雖然短木樁與軟土之間有摩擦力存在，但不宜將短木樁按摩擦樁來考慮，同時(shí)即使短木樁有時(shí)會(huì)可能到達(dá)持力層，也不能完全作為支承樁考慮，短木樁只起擠密土壤，提高地基承載力的作用。短木樁與加固后的土壤應(yīng)作為一個(gè)整體來考慮，即作為“復(fù)合地基”。
3.2 基底軟硬不一，不均勻
對(duì)于這類地基，我們常常是根據(jù)其不均勻程度，具體問題具體分析。對(duì)于完全是土質(zhì)的或有土有石的，在同一個(gè)基礎(chǔ)土多石少或石多土少，或一邊是土一邊是石，或中間是石兩邊是土，或兩邊是石中間有土的，或是石筍林立的，處理方法都不同，下面分別介紹。
3.2.1 整個(gè)基底都是土質(zhì)的，軟硬差別小
這種地質(zhì)，由于都是土質(zhì)的，雖然存在基底承載力不均勻的情況，但一般差別不會(huì)大。這時(shí)我們一般先弄清在基底范圍內(nèi)軟硬所占的比例大小及釬探軟層的厚度。如果軟的占比例小，一般為1/3以下，且厚度不厚(一般小于2m)，則采用挖去軟土回填砂礫的方法處理；如果軟的占比例較大，一般為1/3至1/2時(shí)，則采取加固軟基的辦法，常用密打松木樁的方法(因?yàn)橐猛诰驒C(jī)挖基礎(chǔ)，一般可就近采購松木樁用挖掘機(jī)打樁，無需額外增加施工機(jī)械)，通常能加快施工進(jìn)度。
3.2.2 基底有土有石，軟硬差別大
這種情況我們首先要求施工單位將石、土的平面圖畫出來，然后再根據(jù)情況通過計(jì)算處理。
(1)石筍林立且較均勻。由于粵北地區(qū)許多地方為石灰?guī)r地區(qū)，故一些橋基鉆探資料顯示為巖石(因?yàn)殂@孔正好在石筍上)，但實(shí)際上挖出來時(shí)石筍林立，石筍間常夾有軟泥，承載力通常僅為150kPa左右。且由于石筍在整個(gè)基底范圍內(nèi)比較多，且較均勻，間距小(一般小于1m)，對(duì)于這種情況，通常只需將石筍風(fēng)化和尖凸部份炸去，各石筍炸至同一水平面滿足設(shè)計(jì)埋深要求，清去部份軟泥(一般1m)，然后回填砂礫(比石筍面高30cm左右)即可?；装礃?gòu)造配筋，一般按12＠25布置。
(2)石筍林立不規(guī)則，石筍距離間隔較小。同樣，首先將石筍平面圖畫出來，找出最不利的情況，作出相應(yīng)的受力簡圖，一般分成簡支、懸臂和連續(xù)三種形式，將基底所要求的承載力作為荷載加上去計(jì)算，將計(jì)算出來的彎矩作為基礎(chǔ)配筋的依據(jù)。這種情況一般對(duì)于簡支的，跨徑以不大于3.5m為宜，局部地方局部處理，但配筋應(yīng)保證有足夠的錨固長度。對(duì)于簡圖為連續(xù)板梁形式的，一般跨徑以不大于4.5m為宜，對(duì)于懸臂的以不大于2m為宜，這樣，可保證彎矩不致過大，引起配筋過多。具體施工處理方法同(1)。但考慮到實(shí)際受力時(shí)，并不是象計(jì)算簡圖那樣，跨間完全是空的，因此，我們?cè)趯?shí)施過程中，根據(jù)地質(zhì)、土質(zhì)及回填料的實(shí)際情況，作0.9～0.7的彎矩折減，通常土質(zhì)好的折減少，土質(zhì)差的折減多。
(3)石筍林立，不規(guī)則，且間隔較大。這種情況，如果仍用(2)法處理，一般配筋數(shù)量大，不經(jīng)濟(jì)。特別是對(duì)于一些基礎(chǔ)，一邊是巖石，一邊是軟土，且?guī)缀醺髡家话氲那闆r，其彎矩如按懸臂計(jì)算，鋼筋甚至要幾層才行。另外，受力時(shí)，另一端彈性變形也大。而基礎(chǔ)一般混凝土標(biāo)號(hào)不高(不超過25＃)，即使受拉鋼筋配夠，混凝土受壓強(qiáng)度亦難達(dá)到要求，勢(shì)必要做雙筋設(shè)計(jì)，這是很不經(jīng)濟(jì)的。
4 工程實(shí)例簡介
下面用兩個(gè)施工實(shí)例，分兩種情況介紹處理方法。
(1)國道106線上的官渡大橋，三號(hào)墩，上部構(gòu)造為20m一跨的T梁橋，原設(shè)計(jì)為擴(kuò)大基礎(chǔ)，在施工過程中，發(fā)現(xiàn)上游為風(fēng)化頁巖，承載力能滿足要求，但下游約有4.5m為軟土(占整個(gè)基礎(chǔ)1/3多)顯然，如果不加處理，基礎(chǔ)上、下游軟硬不一極易在軟硬分界處造成破壞。
為此，在現(xiàn)場(chǎng)，我們叫施工單位用長鋼筋進(jìn)行釬探，發(fā)現(xiàn)軟土厚約4m，即可到巖層。考慮到施工單位沒有鉆機(jī)，決定采用人工挖孔樁處理(這樣，無需額外添加過多的施工設(shè)備)。具體做法是，采用樁徑為1.5m，壁厚30cm，20＃砼，共兩個(gè)，間距為3m，1m一節(jié)，現(xiàn)場(chǎng)搗制，一節(jié)節(jié)，直到巖層，清洗干凈樁底后，現(xiàn)澆15＃片石混凝土。然后基礎(chǔ)分別擱置在巖石和兩個(gè)挖孔樁樁頂，基礎(chǔ)配筋按簡支配置。該橋于1996年通車，至今使用良好。所以，對(duì)于這種情況，如果軟土不深(一般不大于6m)，可采用挖孔樁處理。
(2)翁源縣六里糖廠有一座橋，為3跨35m的鋼筋混凝土剛架拱橋。鉆探資料顯示，河中墩基為石灰?guī)r，覆蓋層僅3.5～4m厚，因此設(shè)計(jì)時(shí)采用擴(kuò)大基礎(chǔ)。但施工過程中，二號(hào)墩挖至一定標(biāo)高后，發(fā)現(xiàn)上游有巖石，但下游卻為黑色軟土，承載力約為150kPa，且軟硬幾乎各占一半，即基礎(chǔ)范圍內(nèi)有6m是軟土。經(jīng)用挖掘機(jī)挖深3m，并用4m長鋼釬探測(cè)，仍未見底，估計(jì)該層軟土厚達(dá)8m。當(dāng)時(shí)，一開始提出采用樁基，樁底嵌巖，然后在上面做一承臺(tái)(承臺(tái)擱在樁頂和巖石上)。這種方法當(dāng)然最穩(wěn)妥，但施工單位沒有這套鉆孔樁設(shè)備，經(jīng)聯(lián)系其它單位，因?yàn)橹挥羞@個(gè)基礎(chǔ)兩根樁，且還要重新鉆探(擔(dān)心有溶洞)，故工期要一個(gè)半月，造價(jià)要25萬元，但該工程為地方集資，資金很緊，且臨近汛期，不抓緊完成，將造成更大的損失。經(jīng)研究，對(duì)軟土決定采用密打松木的方法處理。具體做法是：
a.巖石部分按滿足設(shè)計(jì)埋深再炸下去80cm(按當(dāng)時(shí)標(biāo)高應(yīng)再炸深1.5m)。
b.軟土部分采用12～14，長4m的松木樁，按間距50cm，梅花形從邊往中打。由于考慮到巖石與軟土軟硬差別較大，故盡量多打松木樁。叫施工單位按以上方法打完后，再適當(dāng)補(bǔ)樁，凡能打入樁的地方，均盡量打，打到樁有回彈的感覺為止，然后將擠出的爛泥清除。
c.以巖石面為標(biāo)準(zhǔn)，再回填80cm的砂礫(滿足設(shè)計(jì)埋深)作為巖石的褥墊。經(jīng)打樁處理的軟土從樁頂往上亦回填砂礫至同一標(biāo)高。樁頂面的回填砂礫應(yīng)嚴(yán)格分層振動(dòng)密實(shí)，而巖面的砂礫則可稍不嚴(yán)格。這樣，可使軟硬兩端的沉降量適應(yīng)。
d. 基底按?12＠25配置鋼筋。
以上處理方法，除炸1.5m厚的石灰?guī)r花去3天時(shí)間外，其余處理都非常順利，一共用去6天時(shí)間，即完成了基底處理，加快了施工進(jìn)度，節(jié)約了投資。從1995年竣工至今，未發(fā)現(xiàn)因基礎(chǔ)處置不當(dāng)所產(chǎn)生的病害，說明這種處治方法是可行的。
由于本人水平所限，上面所述錯(cuò)漏之處，在所難免，敬請(qǐng)各位同行批評(píng)指正
