深水基础的设计与施工

1深水基础的设计与施工吴兴序2内容1深水基础的特点和常用类型2深水基础的施工技术3深水基础的设计计算31.1深水基础的特点深水基础的基本特点在于深水环境。由于水环境的影响，深水基础的地基勘察、基础选型、埋置深度、荷载计算、施工方式、质量控制和设计检算等均与陆地情况有较大差异。目前对于基础工程中的所谓“浅水”或“深水”尚没有明确的定量界限，但通常可认为：水深在5~6m以上，不能采用一般的土围堰和木板桩围堰等防水技术施工的基础可称为深水基础。深水基础在设计和施工方面的特点在于：（1）受力更为复杂；（2）水文条件的控制作用更明显；（3）需要考虑水中介质和物体对基础的作用；（4）勘察、施工和质检更困难；1深水基础的特点和常用类型4（5）施工因素对设计方案的影响更强；（6）基础类型的选择更重要；（7）质量控制标准特殊。1.2深水基础的常用类型深水基础的常用类型有如下一些：（1）桩基础和管柱基础；（2）沉井基础；（3）沉箱基础；（4）地下连续墙基础；（5）组合型基础。51.3深水基础的类型选择1.3.1深水基础选型的控制条件深水基础类型的选择，除要考虑结构体系及荷载性质、施工方法及机具条件等因素外，更要考虑桥址处的自然条件，主要是水文与地质条件、气象与环境条件。1．水文条件水深、流速、冲刷、冲溶、浸蚀、水流方向、水位涨落幅度、漂流物（船、冰）冲击力与波浪冲击力等。2．地质条件在具有溶洞、溶沟或岩面高差较大的岩石地基上，以采用管柱及钻孔桩基础为宜。6在岩面不平的地基上，若用多柱式基础(包括管柱与钻孔桩）不能满足上部结构所需的刚度要求时，可以用水下爆破、抓斗挖掘清除基坑、用钻机磨平地基表面的施工方法，并选用“设置基础”方案。在覆盖层很厚，即35~50m以下尚无承载力较高的持力层时，采用摩擦桩基础是很合理的选择。但在地震区桩应穿过可能液化的土层，并宜采用深桩基础方案。在标贯击数大于10的粘土中，或大于30的砂土(包括砾石、卵石层）中，打入钢筋混凝土桩或预应力钢筋混凝土桩常把桩打断，这时选用钢桩反而会得到经济合理的效果。当然，在粘土中，采用钻孔桩就更为合适了。7应该特别重视那些曾经发生过或将来可能发生的有关影响基础的耐久性与稳定性的地质现象，如滑坡、山崩、泥石流、岩溶地区的地层下陷、岩石冲刷溶蚀等。基础位置的选取是至关重要的。3．气象条件对于深水基础，需考虑的气象条件主要是：风、浪、气温和降水。4．环境条件对于深水基础类型的选择，有时还会遇到环境条件变成了控制因素的情况。日本《基础设计规范》制定的《基础类型选择参考表》可供参考。891.3.2南京长江大桥的基础选型介绍1．自然条件南京长江大桥全长6772m，正桥长1576m，为10孔公铁两用、上下分层钢桁梁桥。浦口岸第1孔为128m简支钢桁梁。其余9孔为三联三等跨160m的连续钢桁梁，正桥水中基础共9个。基本自然条件如下。（1）水文长江南京段距人海口约400km，处于感潮河段，径流量大，水文情况主要由江流控制，其次为潮汐。1）水位应用南京历年实测量高高潮水位计算的成果，1954年最高高潮水位+10.22的周期接近300年一遇，故采用+10.22作为设计水位。102）流量南京因处感潮河段，1954年下泄最大日平均流量91800m3/s时，相应最大垂线平均流速与半潮平均流速比值为1.04，推算得南京最大瞬时流量为95500m3/s，以此作为设计流量。3）流速南京河段一般为顺流，最大流速常发生在低潮与低潮前一小时之间，通过设计洪水时的桥址处流速，按1954年汛后实测断面计算，桥前断面平均流速为2.54m/s，桥下断面平均流速为2.80m/s；按最大单宽流量计算，行近墩前最大垂线平均流速为3.06m/s，孔中最大垂线平均流速为3.20m/s。4）比降本河段水面比降均为正比降，按桥址上游28km下三山至桥11址下游20km栖霞山之平均比降计，最高高潮水位比降为0.023‰，最高低潮水位比降为0.027‰，最低高潮水位比降为0.0017‰，最低低潮水位比降为0.0019‰。5）流向桥址位于下关窄段下游的水流扩散区，来水方向受到一定控制，流向偏角一般比较小。6）冲刷冲刷的计算结果如表1-2。12表1-2各墩位处的计算冲刷深度13（2）地质1号墩基础位于基岩深槽上。构成深槽的基岩，为暗红色胶结不良的松软砂岩，极限抗压强度很低，约为2.0-4.0MPa。深槽中的覆盖层厚90m左右，上部为厚约12m的软塑砂粘土，中部为厚约26m的粉细砂，下部为粗砂、砾砂层，容许承载力为0.4MPa。2~7号墩基础，位于基岩深槽右侧的一级基岩阶地上。阶地面上的覆盖层厚约35m，主要为细砂，底部有厚约5-15m的粗砂、砾砂层。组成阶地的基岩：2、6号墩基础下为砂质页岩夹砂岩；3、5号墩为砂质页岩与砂岩互层；4号墩以砂岩为主，夹砂质页岩；7号墩则全为粘土质页岩。8、9号墩基础，位于二级基岩阶地上。一级阶地与二级阶地的分界点在7、8号墩中间。阶地上的覆盖层厚约40m，主要14为细砂。基岩为角砾岩，色淡红。角砾大小不一，稀密不均匀，从砂粒到直径达20cm的漂石都有，一般以2~5cm为主；角砾岩成分主要为石灰岩、石英岩和其他火成岩，还有少量的火山凝灰岩；胶结物以钙质与铁质为主，泥质少量；裂隙稀少，未发现大的破碎带，仅有少量小的溶蚀孔洞；岩质胶结坚固，极限抗压强度一般在20MPa以上，最大达65MPa；岩面平坦，风化层很薄。（3）气象1）降水量根据1905-1936年及1946—1954年的记录，南京地区年平均降水量为995.3mm，年最大降水量为1621.3mm。一般4至9月为雨季，6至8月雨量尤为集中，日最大降水量为198.5mm。152）风向风速根据1929~1936年及1951~1953年的记录，南京地区在11至2月，以北东的风向为主，4至8月以东南风为主，最大风速为27.8m/s。3）气温根据1922~1936年及1946~1955年记录，南京地区的最低气温发生在12至2月，最低温度为-14C；最高气温发生在7至9月，最高温度为+43C。2．基础比选我国的深水基础技术在南京长江大桥建造期间已有很大提高，参与比选的方案有：（1）钢筋混凝土沉井基础；（2）钢筋混凝土沉井加管柱基础；（3）锁口管柱基础；（4）各种直径的管柱基础。16经过按自然条件，尤其是水文地质条件考虑后，确定采用的基础类型如下。8、9号墩基础因基岩为角砾岩，基岩单轴极限抗压强度高达20~40MPa，采用钢围堰管柱基础。4、5、6及7号墩基础位于基岩强度甚低，并有裂隙密集破碎带的泥质页岩上，所以采用了自浮式薄壁沉井基础。2、3号墩基础的基岩强度介于以上二者之间，且覆盖层较厚，又因当时尚不具备下沉长而深的管柱的技术能力，故采用了先下沉钢沉井，沉人覆盖层内一定深度，然后再在沉井内下沉预应力钢筋混凝土管柱直达岩盘并嵌岩的组合基础。1号墩位水不深而岩盘埋藏极深，且岩盘的埋藏深度已超过了当时沉井和管柱的可能下沉深度90m，故只得采用建于卵石层上的重型钢筋混凝土沉井基础。172.1水下地基勘察2.2防水围堰施工2.3桩基础和管柱基础施工2.4沉井基础施工2.5沉箱基础施工2.6地下连续墙基础施工2深水基础的施工技术182.1.1水下地基勘察的重要性和特殊性经验告诉我们，建筑物的失事70%～80%是由基础失败所引起，而基础的失败又多因地基不能满足设计要求且未加合理处理造成。这也就是说，建筑事故多半可以归结为地基事故。造成地基事故的具体原因是多种多样的，但归纳起来却又不外是：地基勘察的深度和广度不够、对岩土试验方法与结果分析理解的错误、在设计时对地基勘察资料的利用错误等。对水下地基基础的探测和研究，不仅要重视地质问题，还要重视水文和水力问题。2.1水下地基勘察192.2.1水下地基探测的内容与要求水下地基探测与陆上地基探测的相同点在于都是用钻探设备在地基中探明或钻取有限点的地质情况与试样，然后根据地质构造及土的成因来推断整个地基状况。区别在于水下地基不能进行直接观测，又难以采取原状土样交试验室进行试验。所以勘察工作的难度更大。水下地基探测的内容与要求，在很大程度上取决于地质的复杂性和建筑物的性质与规模。但均应提供或确定下列资料：（1）选择基础型式所需资料；（2）确定地基承载力所需的资料；（3）足以评价地基沉降量的资料；（4）地基土和水质对基础的有害作用及研究防护措施所需资料；20（5）确定施工方法所需的资料（如防水围堰是否需要封底、支撑设计的土压力、沉井下沉范围内的摩阻力、沉桩深度范围有无障碍物等）；（6）为证明对环境或临近建筑物有无有害影响所需的资料（如爆破、开挖、水位升高或降低等对渔业及对临近建筑物的影响）；（7）岩石地基裂隙的定性定量资料；（8）是否存在影响建筑物的耐久性与稳定性的水文、地质现象。如滑坡、山崩、泥石流、岩溶地区的地层下陷、岩石冲刷溶蚀等。212.2.1工程中常用的围堰类型2.2防水围堰施工22图2-1各种型式的防水围堰（a）悬臂式单壁板桩围堰（b）有支撑的单壁板桩围堰（c）土围堰（d）双壁板桩围堰（e）连环格子式围堰232.2.2有支撑单壁板桩围堰（1）构造有支撑的单壁板桩围堰通常包括以下构件：板桩、导梁、支撑（包括联结系）和外导框。其中：板桩：可用木板桩、RC或PC板桩和钢板桩。导梁（环）：为一水平板梁（环）或桁梁（环）。其作用是把板桩上所受之力传至支撑上。支撑：为一受压构件，常设计成对撑式带有水平及立面联结系的立体桁架结构。外导框（环）：为一与导梁（环）在同一平面上，并且互相平行的外框（环）。其作用是限制板桩倾斜的导向结构，故至少要有两层。24（2）设计步骤有支撑的单壁板桩围堰的设计可按下列步骤进行：1）确定围堰的设计控制尺寸；2）研究地基土的情况，将地质剖面图（深度应达到岩面或0.707倍围堰或基坑宽度）、最高水位及施工最高水位绘于图上；3）计算围堰所受之侧压力，包括水压力与冰压力；4）设汁及计算围堰各构件所受之力及所需之断面；5）计算围堰的稳定性；6）分析计算围堰底的涌水、翻砂、拱起等有关基底稳定性的问题。25围堰尺寸由下列条件所控制：1）平面尺寸。多按上部结构及其基础的尺寸拟定。围堰以不妨碍施工和安装模板为原则，但至少应大于或离开所围结构与基础的轮廓尺寸1.5m。另外还须考虑抽水设备和汇水井安装所需之尺寸。2）立面尺寸。多受水位高度、冲刷深度、基坑开挖深度，以及基底稳定等因素所控制。其中尤以水位高低的影响最为直接重要。所以在设计时应按可能发生的而不是绝对的最不利水位计算。如各施工阶段的最高水位、抽水最高水位、行洪最高水位等。26（3）围堰板桩上所受的侧向土压力当挖土深度较大时，围堰内的支撑只能在挖土后逐层加设。abababcabcabcd（1）（2）（3）（4）（5）图2-2基坑逐层开挖和设置支撑时板桩上土压力强度分布的变化情况（1）第1层开挖（2）设置第1层支撑（3）第2层开挖（4）设置第2层支撑（5）继续开挖和设置支撑27图2-2为一不排水挖土基坑，图中示出了随着土层挖深，逐层加设支撑时实测土压力的变化情况。由图可以看出：在基坑开挖后尚未加设支撑时，板桩上所受的土压力逐渐减少，在基坑挖至一定深度并加上第一层支撑后，因为支点处的板桩稍有顶回，故而土压力也会相应增大，而以下则逐渐减少。当基坑继续挖深时，由于bc段板桩又有新的位移，致使板桩墙上的土压力又有所降低。同理，当加设第2层支撑后，支点处的压力又会有所增大。基坑土挖深至d点后，板桩墙由c点以下的土压力又会逐渐降低。以此类推，板桩墙上的土压力分布将趋近均匀而接近矩形分布。28据此，皮克（Peak1969）和太沙基（1967）建议对随着挖土深度逐层加设支撑的板桩围堰的土压力，可按图2-3所示的图形进行计算。（a）砂土（b）流塑或软塑粘性土（c）干硬粘性土图2-3侧向土压力计算图形（Peak）H0.75H0.25H0.75H0.25H0.25H0.65γHKaγHKa0.2~0.4γH292.2.3双壁板桩围堰（1）双壁板桩围堰的构造在深水条件下，双壁板桩围堰多采用钢板桩，在两层钢板桩之间