1. 前言
隨著我國(guó)國(guó)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(lái)越多，技術(shù)要求和規(guī)模越來(lái)越大。從遠(yuǎn)景看將來(lái)跨越瓊州海峽、渤海灣海峽和臺(tái)灣海峽的交通工程也正在研究之中。這些超級(jí)大工程（Superinfrastructure）的共性問(wèn)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(duì)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(duì)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的承載力和抗災(zāi)能力要求越來(lái)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(jiàn)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(jià)。因此，超大型建筑的基礎(chǔ)工程在選擇方案時(shí)，應(yīng)選擇質(zhì)量可預(yù)控的方案，取得主動(dòng)權(quán)，確保其長(zhǎng)久性。
鑒于此，本文針對(duì)當(dāng)前橋梁工程界對(duì)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(jiàn)。
2. 大直徑超長(zhǎng)鉆孔樁基礎(chǔ)之不足
自上世紀(jì)70年代以來(lái)，大直徑鉆孔灌注樁逐漸受到偏愛(ài)。其主要優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、變水下作業(yè)為陸上作業(yè)，因而可簡(jiǎn)化施工過(guò)程，降低造價(jià)，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(guò)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(guò)厚，孔底的沉渣也隨之積聚加厚。前者將會(huì)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(guò)程中，質(zhì)量事故幾率較大。此外，在鉆孔樁的施工工藝中，對(duì)鉆渣、泥漿造成的污染還沒(méi)有完善的處理措施。
近來(lái)，為了改善鉆孔樁的質(zhì)量，已采用優(yōu)質(zhì)的膨潤(rùn)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(jià)格昂貴，級(jí)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(lái)循環(huán)倒用泥漿，需有一定的場(chǎng)地，因而要增加投資和工序。在水中的鉆孔樁施工時(shí)，必須設(shè)置施工平臺(tái)和鋼護(hù)筒，耗鋼量很大。無(wú)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(duì)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(zhǎng)，但鉆孔加深勢(shì)必又加大泥漿比重來(lái)護(hù)壁，于是出現(xiàn)了惡性循環(huán)（例如樁長(zhǎng)已超過(guò)120m，承載力仍不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)，就在樁側(cè)、樁底壓漿，造價(jià)勢(shì)必提高，以直徑2.5m計(jì)，每延米已達(dá)到3萬(wàn)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(zhǎng)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(zhǎng)鉆孔樁時(shí)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)，但增長(zhǎng)緩慢。當(dāng)L=40D時(shí)，增長(zhǎng)率等于常數(shù)。如果按現(xiàn)行規(guī)范的計(jì)算方法，過(guò)分地加大樁長(zhǎng)以圖提高承載力，不僅達(dá)不到預(yù)期效果，反而會(huì)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]
（1）端阻力按孔徑的二次方增長(zhǎng)，而摩擦力僅按一次方增長(zhǎng)。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(shí)，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(shí)，土向孔內(nèi)移動(dòng)，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(huì)使承臺(tái)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(shí)，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(shì)
管柱基礎(chǔ)和空氣幕沉井施工是我國(guó)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(hào)墩，曾做過(guò)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(jià)。
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(gè)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(jiǎn)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(guò)程中，除用導(dǎo)向裝置外，還可以通過(guò)各向空氣幕來(lái)調(diào)整傾斜和位移，工程質(zhì)量較為可靠。無(wú)環(huán)境污染的問(wèn)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(zhǎng)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(wèn)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(wèn)題，維修的難度就大得多了，甚至是無(wú)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(wèn)題要改線，將會(huì)影響到整個(gè)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(huì)、政治、民生問(wèn)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(wú)裂縫、無(wú)滲透、無(wú)腐蝕的預(yù)控，可采用相應(yīng)的摻和劑在預(yù)制管柱時(shí)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(yǔ)
科學(xué)發(fā)展、科技創(chuàng)新的成果往往來(lái)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(zhǎng)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(guò)數(shù)十年的考驗(yàn)，質(zhì)量是完全可靠的。本文希望通過(guò)試驗(yàn)來(lái)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(dòng)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(shì)必會(huì)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(lái)可喜的收獲。
參考文獻(xiàn)
[1]殷萬(wàn)壽、朱海濤：“對(duì)用現(xiàn)行規(guī)范指導(dǎo)設(shè)計(jì)大直徑鉆孔樁出現(xiàn)承載力不足問(wèn)題的思考”《鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)》2006年第7期。
[2]朱海濤、唐寰澄：“特大橋基礎(chǔ)工程新方案—空氣幕管柱基礎(chǔ)”《第十七屆全國(guó)橋粱學(xué)術(shù)會(huì)議論文集》上冊(cè)2006年人民交通出版社，
[3]朱海濤、吳彬俊：“鋼筋混凝土橋梁病害的主要成周及修補(bǔ)加固范例”中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)2005年中外橋梁病害整治大會(huì)論文集》。
[4]殷萬(wàn)壽編著：《深水基礎(chǔ)工程》（第二版）中國(guó)鐵道出版社2003年出版。
[5]劉海清、陳陣、黃文機(jī)：“對(duì)鉆孔柱承載力不足的思考”《第十五屆全國(guó)橋梁學(xué)術(shù)論文集》2002年同濟(jì)大學(xué)出版社出版。
[6]蘇宏雯、黃融、畢桂平：“大直徑超長(zhǎng)混凝士鉆孔樁壓漿技術(shù)的應(yīng)用”《世界橋梁》2004年增刊。
《橋梁》2008第4期 總第24期
