根式防生基础应用技术研究

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　　摘要：根式基础作为一种防生结构，近年来在我国开展了一定的研究，并在部分工程得到了成功应用。结合相关理论分析、施工实践和应用实例，浅析根式基础的施工关键技术，为该新型技术的推广应用提供借鉴。
　　
　　关键词：根式基础，理论分析，施工技术
　　
　　1．前言
　　根式（沉井）基础是采用沉井预留顶推孔，待沉井下沉到设计标高后在土层中顶推预制的根键，使根键与沉井固结后形成一种仿生基础。
　　根式基础与常规的桩基、沉井等基础形式相比，具有材料强度利用率高、工程量减少25%左右、经济效益显著等优势。同时根式基础施工化整为零、较大型沉井施工相比，具有风险低，构件预制率高，质量易保证，工效高等特点，为大型桥梁尤其悬索桥锚碇提供了一种新型基础形式。该基础作为一种创新理念，甚至可以推广到水工、建筑等工程行业，具有良好的社会经济效益和推广应用价值。
　　2．根式基础工作原理理论分析
　　
　　
　　图1根式基础布置与结构示意图
　　
　　根式基础承载原理在于由于顶推根键的挤密和应力扩散作用充分调动了基础周边土体的承载潜力，使得抗压时基础底部得以“卸载”，其承载力得以提高；同时根键与土体的紧密嵌固作用使其抗拔承载力也得以提高。根式基础由于根键的挤密及弹性地基梁的作用使基础的抗水平承载力也得以提高。
　　对根式基础进行竖向荷载作用下的有限元分析表明：在根键分布段位置，塑性区明显向外扩张且沿着根键端部分布；根键包络范围内部土体随沉井一起移动，并未受到明显挤压，说明整体滑移面从井壁外侧扩张到根键端部，滑移体的直径明显扩大，根键相当于扩径作用。在沉井底部，由于受到挤压，土体也明显产生塑性区，且塑性区呈椭球形分布。
　　
　　图2根式基础竖向受力特性分析
　　3．根式基础施工关键技术
　　3.1沉井下沉技术
　　1.下沉系数计算。
　　沉井下沉前,应对下沉系数K进行了详细计算,并应针对沉井在浇筑过程中不稳定状态、部分节段在下沉过程中下沉系数偏小等情况制定相应的施工预案。
　　下沉系数计算公式为：K=(G+F3)/(F1+F2)
　　式中：G：沉井自重,kN；
　　F1：刃脚下地基土的正面反力，kN；
　　F2：侧壁摩阻力，kN；
　　F3：施工荷载,kN。
　　沉井在接高过程中下沉系数小于0.9时,可满足施工稳定性要求;在下沉过程中大于1.5时,下沉比较顺利;下沉系数大于1.1时,可下沉到位。
　　2.下沉辅助措施
　　1）导向架
　　导向架是沉井下沉过程中重要的限位纠偏措施。沉井前3节下沉时由于外露地面多,下沉时容易歪斜,所以利用刚度大的导向架并及时纠偏,是确保沉井准确下沉到位的前提条件。现场一般采用4根长20m的Φ630×10mm钢管桩作定位桩,入土12m以上，相邻钢管桩H350型钢相连作水平限位。
　　2）空气幕
　　空气幕气龛凹槽的形状采用棱锥形,用木契块预留,喷气孔均为直径Φ1mm的圆孔。为了防止气流从沉井上下泄漏,在井顶上部5m及刃脚以上3m范围内不布置气龛。气龛布置上疏下密,成梅花形分布。
　　3）加配重助沉
　　沉井在抓斗取土、空气幕助沉的情况下难以下沉时,在沉井顶面布置压重支撑型钢平台,平台顶堆放根键、钢筋或铁砂等重物以增大基础下沉系数,使根式基础下沉到位。
　　3.沉井下沉
　　1）首节沉井下沉施工
　　首节沉井浇筑完成并达到90%强度后,开始下沉施工。首节刃脚垫木抽除分4个区域,由4个小组对称同时进行。采用50t履带吊车悬1.4m3抓斗进行取土下沉施工。施工中应做到“勤测勤纠,随偏随纠”。
　　2）其他各节沉井下沉施工
　　井内出土主要采用抓斗取土工艺。第2、3节在实际下沉时依靠自重就能下沉;第4、5节在采用空气幕助沉的情况下可下沉到位;第6、7节浇筑后一次下沉，以后每接高一节,下沉前一节到位。
　　沉井下沉施工误差控制要求：
　　①沉井刃脚底面标高应符合设计要求；
　　②对于沉井底面、顶面中心与设计中心的偏差,允许纵横向偏差为沉井高度的1/50；
　　③沉井的最大倾斜度为1/50。
　　3.2根键预制
　　1.模板制作
　　根键钢套和模板加工应在钢结构加工厂进行,内外钢套在固定的钢桁架胎模上匹配加工,统一编号。
　　2.根键钢筋笼制作
　　根键钢筋笼应在专门场地提前预制,分类编号、挂标识牌后堆放在指定区域内。钢筋笼制作满足《公路桥涵施工技术规范》(JTJ041-2000)的要求。
　　3.模板及钢筋笼安装
　　安装程序如下:根键底模安放在枕木上并调平垫实→安装内钢套及钢刃刀→安装钢筋笼(注意保护层厚度并与钢刃刀焊接)→焊接顶板→安装根键外模。
　　4.混凝土浇筑
　　根键混凝土一般采用细石子混凝土,坍落度控制为(140±20)mm,由混凝土罐车运至施工现场后利用吊斗浇筑,用直径215cm的小振捣棒振捣密实。鉴于根键钢筋紧密,混凝土浇筑要缓慢,勤振捣,确保混凝土振捣质量。
　　5.根键存放
　　根键吊装应采用专用夹具吊装,防止根键损伤。根键保湿养生达到吊装强度后(一般设计强度的70%),按内外钢套匹配的编号进行统一编号,按“先顶推在上、后顶推在下”的原则堆放,便于根键顶推时的吊装。
　　3.3根键顶推工艺
　　1.根键顶推前施工准备
　　根键预留孔清理干净,安装好橡胶止水带;将顶推平台整体下放至根键预留孔底口以下0.5m左右位置,便于根键就位;将钢支垫吊放至顶推平台上,千斤顶、油泵调试好并吊放至沉井顶面,待根键吊装到位后将千斤顶吊入沉井内准备顶推。
　　2.根键吊装
　　采用根键专用吊装夹具,由吊车将根键吊装至预留孔就位。根键尾部焊吊环,拴结调节绳便于调整根键位置,避免根键在吊装下放过程中碰撞沉井内壁。
　　3.根键顶推前调整[!--empirenews.page--]
　　根键顶推前,须将根键、千斤顶、钢支垫调节至一条轴线上,其角度偏差小于,用3m长铝合金抄平尺和量角器检验。根键与平台接触面用钢棒支垫,以减小根键在顶推过程中与平台的摩擦力。利用抄平尺和水准尺量测根键是否水平并与预留孔成直线。
　　4.千斤顶顶推根键
　　具体顶推步骤和工艺如下：
　　1）根键及钢支垫安装就位。
　　2）安装千斤顶,注意保持反力支垫平面、千斤顶平面、被顶推根键面平行。
　　3）慢慢往千斤顶工作腔供油,并观察根键工作情况。
　　4）当千斤顶活塞全部回程到底后,停止供油,完成一次顶推过程。
　　5）增加钢支垫,重复进行1）～5）步骤。
　　
　　图3根键顶推
　　3.4根式基础防水、根键止水工艺技术
　　根式基础施工止水技术包括井壁挡水板防水、橡胶止水带挡水、挤密式构造止水、快速顶推、末端快凝止水、内衬永久止水等环节。
　　1.井壁挡水板防水
　　挡水板在沉井浇筑前、钢筋安装过程中通过螺栓固定在外钢套上,挡水板间缝隙用透明胶带封好,安装时确保其与外模之间有几公分距离,使挡水板外侧有一定混凝土层隔水。挡水板可采用高密度聚乙烯板,其强度、刚度、韧性、耐磨性、耐腐蚀性、摩擦系数等特性均满足施工要求。
　　
　　图4安装好的外钢套挡水高密度聚乙烯板
　　2.橡胶止水带挡水。
　　根键顶推过程中,通过根键对已安装在外钢套内橡胶止水带的挤压作用,而形成具有一定抗水压能力的封闭体,以起到挡水作用。考虑安装方便、止水良好、易于压缩、根键顶推过程中不被根键带走等功能要求,橡胶止水带形状和硬度均需试验研究后确定。
　　3．挤密式构造止水。
　　根键内、外钢套为匹配制作且由前向后设置2.5%的坡度,随着根键的顶推,根键、外钢套、止水橡胶之间越来越紧密,利用这种挤密式构造达到止水效果。
　　4.快速顶推
　　可使用防回缩大行程多级千斤顶进行根键顶推,加快根键顶推速度,使根键的扩大头部分尽快进入外钢套内,以减小根键与外钢套之间的空隙,利于根键止水。
　　5.末端快凝止水
　　根键顶推到位后,焊接内外钢套防止根键回缩,并在末端预留凹槽内涂快凝防水材料彻底止水。
　　6.内衬永久止水
　　待上述步骤完成后,在根键末端钢板上焊接钢筋网片,分节段浇筑混凝土内衬,以固结根键并永久止水。
　　通过采取以上“组合式”的止水措施,可确保根键在顶推前不漏水、顶推过程中安全、顶推完成后完全止水的目的。
　　4．工程应用实例
　　1）合淮阜九标跨淮河大堤桥23#、24#主墩基础，沉井高22.0m（含2.5m厚承台），外直径8.0m。根键采用C30矩形断面钢筋砼棒，棒长3.8m，插入土体内的长度2.5m，共梅花形布置8层40根。基础施工用历经6个月完成，沉井最大偏位79mm，最大倾斜度1/145，整个施工过程安全可靠。该桥设计荷载汽超-20，基础承受恒活载竖向荷载近60000KN，大桥与2007年底通车，目前已运营近三年，监测数据表明一切正常。
　　2）马鞍山长江公路大桥水中辅助墩基础及陆上引桥基础：沉井高41.0m，外直径6.0m，m。根键采用C30十字型断面钢筋砼棒，棒长3.2m，插入土体内的长度2.3m，共梅花形布置15层75根。其中5#沉井历时8个月完成沉井施工及根键顶进，最大偏位121mm，最大倾斜度1/130；6#沉井历时7个月完成沉井施工及根键顶进，最大偏位136mm，最大倾斜度1/142。整个沉井施工过程安全可靠，荷载试验表明承载力满足设计要求。
　　
　　参考文献
　　
　　1．殷永高.根式基础及根式锚碇方案构思.公路.2007年.第2期
　　2．《公路桥涵施工技术规范》(JTJ041-2000)