1. 前言
隨著我國國民經(jīng)濟(jì)穩(wěn)步持續(xù)地高速發(fā)展，交通工程量也相應(yīng)大大增加，需新建的特大橋、港灣巨型碼頭的數(shù)量越來越多，技術(shù)要求和規(guī)模越來越大。從遠(yuǎn)景看將來跨越瓊州海峽、渤海灣海峽和臺灣海峽的交通工程也正在研究之中。這些超級大工程（Superinfrastructure）的共性問題是：投資巨大、技術(shù)復(fù)雜、環(huán)境影響因素較多，因而風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)也相應(yīng)大。故對其功能（Performance）、可施工性（Constructionability）、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)（Economical Index）、工期（Construction Period）和耐久性（Durability）必須十分重視。而特大橋基礎(chǔ)工程方案的比選范圍狹窄，特別在深海區(qū)、厚覆蓋層或地質(zhì)、水文、環(huán)境、氣候惡劣較復(fù)雜的橋位區(qū)域，受風(fēng)、浪、地震、海嘯、船撞等因素的破壞襲擊幾率較大。因此對基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的承載力和抗災(zāi)能力要求越來越高，其安全度、耐久性、整體穩(wěn)固性、經(jīng)濟(jì)性和防腐等課題也是研究關(guān)鍵。
早期設(shè)計(jì)的特大橋基礎(chǔ)都力求達(dá)到新鮮巖層，這樣能安全承受任何施加的預(yù)見荷載，這是橋梁工程界最穩(wěn)妥的設(shè)計(jì)理念。因?yàn)榛A(chǔ)工程的穩(wěn)定可靠可以滿足100年以上的規(guī)范要求。如果基礎(chǔ)工程結(jié)構(gòu)本身的抗腐蝕能力及其耐久性能得到科學(xué)的預(yù)控，就不必為日后的養(yǎng)護(hù)維修難度付出沉重的代價。因此，超大型建筑的基礎(chǔ)工程在選擇方案時，應(yīng)選擇質(zhì)量可預(yù)控的方案，取得主動權(quán)，確保其長久性。
鑒于此，本文針對當(dāng)前橋梁工程界對大橋基礎(chǔ)工程常偏好于鉆孔灌注樁基礎(chǔ)方案提出一些拙見。
2. 大直徑超長鉆孔樁基礎(chǔ)之不足
自上世紀(jì)70年代以來，大直徑鉆孔灌注樁逐漸受到偏愛。其主要優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡單、操作方便、變水下作業(yè)為陸上作業(yè)，因而可簡化施工過程，降低造價，且可增加工點(diǎn)，縮短工期。故鉆孔樁在其他水工、建筑等工程領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用。但鉆孔樁在施工過程中，由于水文、地質(zhì)條件復(fù)雜，影響因素較多或操作稍有不當(dāng)就極易造成塌孔，縮頸、斷樁、樁身夾帶泥沙或存在孔洞等缺陷的隱患。為了護(hù)壁成孔，啟用高比重的泥漿或就地造漿，易使孔壁泥皮過厚，孔底的沉渣也隨之積聚加厚。前者將會使摩阻力大大降低
[5]。在灌注水下混凝土?xí)r，往往使混凝土夾帶泥沙，樁身強(qiáng)度下降，因而在成樁過程中，質(zhì)量事故幾率較大。此外，在鉆孔樁的施工工藝中，對鉆渣、泥漿造成的污染還沒有完善的處理措施。
近來，為了改善鉆孔樁的質(zhì)量，已采用優(yōu)質(zhì)的膨潤土加適量的堿作為制作低比重優(yōu)質(zhì)泥漿護(hù)壁的原料。但價格昂貴，級配要求嚴(yán)格。為了節(jié)約原材料，必須有循環(huán)凈化系統(tǒng)的設(shè)施來循環(huán)倒用泥漿，需有一定的場地，因而要增加投資和工序。在水中的鉆孔樁施工時，必須設(shè)置施工平臺和鋼護(hù)筒，耗鋼量很大。無論是采用高比重泥漿還是低比重優(yōu)質(zhì)泥漿，作用僅僅是對鉆孔進(jìn)行護(hù)壁。但卻降低樁側(cè)的摩阻力．這樣不得不增加樁長，但鉆孔加深勢必又加大泥漿比重來護(hù)壁，于是出現(xiàn)了惡性循環(huán)（例如樁長已超過120m，承載力仍不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求時，就在樁側(cè)、樁底壓漿，造價勢必提高，以直徑2.5m計(jì)，每延米已達(dá)到3萬元以上的紀(jì)錄）。
用泥漿護(hù)壁的鉆孔樁即使承載力達(dá)到要求，但如果在施工中投放長鋼筋籠，其保護(hù)層也難以保證均勻．鋼護(hù)筒以下防腐的耐久性措施并不到位。另外．采用超長鉆孔樁時忽略了臨界深度這一重要的理論性概念及摩阻力沿著樁長變化的分布影響因素。根據(jù)試驗(yàn)可知，砂土中鉆孔樁沿著樁長方向的表皮摩阻力，在某一深度內(nèi)（即臨界深度Lc≤10～15D，D為孔徑），隨著深度的增長很快達(dá)到它的最大值。超出此深度后（L≈20D）摩阻力雖仍有增長，但增長緩慢。當(dāng)L=40D時，增長率等于常數(shù)。如果按現(xiàn)行規(guī)范的計(jì)算方法，過分地加大樁長以圖提高承載力，不僅達(dá)不到預(yù)期效果，反而會造成浪費(fèi)和增加施工難度。因此用大直徑的摩擦樁，尤其用泥漿護(hù)壁的大直徑鉆孔樁是很不經(jīng)濟(jì)的。這是因?yàn)椋?sup>[4]
?。?）端阻力按孔徑的二次方增長，而摩擦力僅按一次方增長。所以，在大直徑的樁中不去利用端阻力是不合理的。
?。?）在同樣的土層中，泥漿護(hù)壁的鉆孔樁，其摩阻力要比打入樁小得多。這是因?yàn)榇蛉霕稌r，土體被向外擠，使土的水平應(yīng)力增大，產(chǎn)生較大的摩阻力。當(dāng)用鉆孔樁時，土向孔內(nèi)移動，致使土的水平應(yīng)力降低，摩阻力也就降低。
?。?）由于以摩擦力為主的樁應(yīng)服從最小樁距2.5D的規(guī)定，以D=2.5m為例，其樁距就需6.25m，顯然會使承臺座板尺寸加大，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。
因此，當(dāng)結(jié)構(gòu)上要求用大直徑樁時，宜采用充分發(fā)揮摩阻力和端阻力的柱樁基礎(chǔ)方案。
3. 空氣幕管柱基礎(chǔ)新方案的優(yōu)勢
管柱基礎(chǔ)和空氣幕沉井施工是我國較成熟的技術(shù)，將管柱基礎(chǔ)與空氣幕技術(shù)相結(jié)合可提高施工效率和下沉深度。這是一種較可靠的基礎(chǔ)方案，
[2]相比之下它的優(yōu)點(diǎn)在于管柱是一種具有較大承載力的少樁基礎(chǔ)（武漢大橋在N3號墩，曾做過Φ155cm管柱的單柱靜載試驗(yàn)，達(dá)到45000KN的承載力尚未達(dá)到極限），故可大大降低造價。
管柱本身是主體受力結(jié)構(gòu)，在工廠或工地預(yù)制，其質(zhì)量及保護(hù)層可以得到嚴(yán)格預(yù)控。減少了下沉鋼筋籠和清孔的工序，避免了鉆孔樁易發(fā)生的一些通病。適應(yīng)各種復(fù)雜地基條件的施工，如溶洞，破碎巖石帶及個別障礙物。嵌入基巖的管柱基礎(chǔ)自身的空間剛構(gòu)剮度和強(qiáng)度足以抗拒所受之水平力及力矩。管柱基礎(chǔ)可設(shè)計(jì)部分斜管柱，以抗拒較大的水平力，而鉆孔澆注樁就難以斜向進(jìn)行泥漿護(hù)壁鉆孔。
如果巖層較深，管柱底達(dá)不到巖面，只需將管柱下沉到堅(jiān)實(shí)的持力層上，將空氣幕的管道全部壓漿封閉，水泥漿一郎分從氣龕噴出，使管柱壁變得粗糙。這樣端阻力和摩阻力部得到充分發(fā)揮，可大大提高承載力。
由于工序減少，施工簡單，可以利用現(xiàn)有的施工設(shè)備，施工進(jìn)度容易得到保證。在下沉過程中，除用導(dǎo)向裝置外，還可以通過各向空氣幕來調(diào)整傾斜和位移，工程質(zhì)量較為可靠。無環(huán)境污染的問題發(fā)生，施工也很安全。
應(yīng)該指出，特大橋基礎(chǔ)工程的耐久性不僅僅是百年大計(jì)的要求，而應(yīng)是像長江三峽大壩那樣的數(shù)百年大計(jì)的永久性事業(yè)。上部結(jié)構(gòu)出了問題容易被發(fā)現(xiàn)、可以加固維修或更換，而下部結(jié)構(gòu)尤其水面以下的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)如果出了質(zhì)量問題，維修的難度就大得多了，甚至是無法修復(fù)。眾所周知，特大橋的橋位往往是決定線路走向的關(guān)鍵，一旦出了嚴(yán)重質(zhì)量問題要改線，將會影響到整個區(qū)間線路、地方的規(guī)劃設(shè)計(jì)和布局，造成的經(jīng)濟(jì)、社會、政治、民生問題，影響是難以估量的。在方案中為了確保作為主要受力的管柱本身強(qiáng)度得到無裂縫、無滲透、無腐蝕的預(yù)控，可采用相應(yīng)的摻和劑在預(yù)制管柱時按比例要求摻入到攪拌機(jī)中與混凝土一起攪拌。在管柱出廠后可在柱壁上涂刷相應(yīng)的制劑，兩者都可起到保護(hù)管柱的耐久作用。隨著科技的發(fā)展，這類制劑的質(zhì)量有所提高，為管柱基礎(chǔ)的耐久性提供了支持。
4. 結(jié)束語
科學(xué)發(fā)展、科技創(chuàng)新的成果往往來源于科學(xué)試驗(yàn)，“實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。”采用管柱基礎(chǔ)在長江、黃河等大江大河上修建的數(shù)十座特大橋在質(zhì)量上已經(jīng)過數(shù)十年的考驗(yàn)，質(zhì)量是完全可靠的。本文希望通過試驗(yàn)來完善一種嶄新的方案，把管柱樁和空氣幕相結(jié)合，在深水基礎(chǔ)工程中做一些新的嘗試。若能取得成功，則將充分利用空氣動力學(xué)這一領(lǐng)域的清潔能源為橋梁工程服務(wù)。從科學(xué)發(fā)展觀出發(fā)，勢必會從整體質(zhì)量上、經(jīng)濟(jì)效益上、節(jié)能環(huán)保上、安全耐久性上都帶來可喜的收獲。
參考文獻(xiàn)
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《橋梁》2008第4期 總第24期
