随着生产的发展与工程建设的需要,深基础的应用越来越广泛.除桩基础、沉井基础外,还有墩基础和沉箱基础等.其主要特点是需采用特殊的施工方法解决基坑开挖、排水等问题,以减小对邻近建筑物的影响.
5．5．1 墩基础
墩基础是一种利用机械或人工在地基中开挖成孔后灌注混凝土形成的大直径桩基础.由于其截面尺寸较大,长度相对较短,粗大似墩,故称为墩基础.
墩基础一般采用一柱一墩,与桩基础作用相似.两者的主要区别在于:墩基础长细比较小,承载力高,荷载传递过程不同,采用明挖方式,施工方便,施工机具简单,施工时无噪声,速度快,无振动,并且容易探明是否已达到设计要求的持力层,必要时可做试验测定其物理特性,因而,被广泛用于各种工业与民用建筑工程、桥梁工程、煤矿建设等工程中.
根据工程地质和水文地质资料、施工设备及技术条件,经过经济合理和技术可行性论证后进行墩基础设计,其构造要求如下:
(1)墩基础一般设计为一柱一墩,墩身嵌入墩帽应不小于100mm.墩帽常采用方形截面,厚度不宜小于350mm,挑檐的宽度不宜小于200mm,墩基础主筋锚入墩帽内的长度不应小于35倍主筋直径.
(2)墩基础的混凝土强度等级不应低于C20.钢筋保护层厚度不宜小于35mm,对于水下墩基础不宜小于50mm.
(3)根据内力计算配置墩身钢筋笼,当墩顶弯矩较小时,按构造设置.当墩身直径800mm≤d＜1500mm时,最小配筋率为0．2％;当d＝1500mm时,最小配筋率不应大于0．2％.主筋直径不宜小于14mm,且不应少于8根.插入墩顶以下主筋全长不应小于墩长的1/3或3．5d.
(4)墩底进入持力层的深度宜为墩身直径的1~3倍,尽量选择坚硬的岩层或土层作为持力层.
(5)由于是人工或机械挖孔,为提高承载力可采用扩底端.扩底端直径D与墩身直径d之比不应大于3.
5．5．2 沉箱基础
5．5．2．1 沉箱基础发展简史
1841年,气压沉箱在法国问世.法国工程师M．特里热在采煤工程中为克服管状沉井下沉困难,把沉井的一段改装为气闸,成为沉箱,并提出了用管状沉箱建造水下基础的方案.1851年,J．赖特在英国罗切斯特梅德韦河上建桥时,首次下沉了深18．6m的管状沉箱.1859年,法国弗勒尔圣德尼在莱茵河上建桥时,下沉了底面规格和基底相同的矩形沉箱,以后沉箱被广泛应用.
早期的沉箱多用钢铁制造,以后又相继出现了石沉箱、木沉箱、钢筋混凝土沉箱等.特大型的沉箱为1878—1880年法国土伦干船坞钢沉箱,其平面尺寸为41m×144m.下沉最深的沉箱为1955年位于密西西比河上、跨度655m的管道悬索桥的沉箱,因其采用了在沉箱周围打深井抽水以降低地下水位的措施,使刃脚工作最低处在静水位以下达44m.
我国最先采用沉箱基础的是京山(北京—山海关)铁路滦河桥(1892—1894年).我国自行设计建造的浙赣(浙江—江西)铁路杭州钱塘汀桥(1935－1937年),也采用了沉箱下接桩基的联合基础.新中国成立后,有些桥梁如1955年建成的黎湛(黎塘—湛江)铁路贵县郁江桥也曾使用沉箱基础,但以后逐渐为管柱及其他基础所替代.
除上述气压沉箱外,还有一种被港口部门也称为沉箱的构筑物.其外形像一只有底无盖的箱子,因其不用压缩空气,故可称为无压沉箱.它用钢筋混凝土建造,只能在水中而不能在土中下沉,故它和气压沉箱不同,不能作为深基础.其一般多用在水流不急、地基或基床不受冲刷、地基沉降小、基础不需埋入土中或对沉降不敏感的构筑物中,如港口岸壁、码头、防波堤、灯塔等工程.
无压沉箱一般在岸边或船坞中制造,然后浮运就位,灌水和填充下沉,使之平稳沉到已整平的地基或抛石基床上.如箱内填砂石,则沉箱要做顶盖.基底土质较差时,也可先在水底挖一浅坑,打下若干基桩,在桩顶处灌筑水下混凝土承台,再将无压沉箱沉至已找平的承台面上,箱周下部也用水下混凝土进行围护.
5．5．2．2 沉箱基础的构造
气压沉箱是一种无底的箱形结构,因为需要输入压缩空气来提供工作条件,故称为气压沉箱或简称沉箱.
沉箱由顶盖和侧壁组成(图5．26),其侧壁也称为刃脚.顶盖留有孔洞,以安设向上接高的气筒(井管)和各种管路.气筒上端连以气闸.气闸由中央气闸、人用变气闸及料用变气闸(或进料筒、出土筒)组成.在沉箱顶盖上安装围堰或砌筑永久性外壁.顶盖下的空间称为工作室.
图5．26 沉箱基础构造图
当把沉箱沉入水下时,在沉箱外用空气压缩机将压缩空气通过储气筒、油质分离器经输气管分别输入气闸和沉箱工作室,以把工作室内的水压出室外.之后工作人员就可经人用变气闸从中央气闸及气筒内的扶梯进到工作室内工作.人用变气闸的作用是通过逐步改变闸内的气压而使工作人员适应室内外的气压差,同时,又可防止由于人员出入工作室而导致高压空气外溢.
在沉箱工作室里,工作人员用挖土机具、水力机械(包括水力冲泥机、吸泥机)和其他机具挖除沉箱底下的土石,排除各种障碍物,使沉箱在其自重及其上逐渐增加的圬工或其他压重作用下,克服周围的摩阻力及压缩空气的反力而下沉.沉箱下到设计标高并经检验、处理地基后,用圬工填充工作室,拆除气闸、气筒,这时沉箱就成了基础的组成部分.在其上面可在围堰的保护下继续修筑所需要的建筑物,如桥梁墩台,水底隧道,地下铁道及其他水工、港口构筑物等.
沉箱适用于以下情况:
①待建基础的土层中有障碍物,用沉井无法下沉,基桩无法穿透时.
②待建基础邻近有埋置较浅的建筑物基础,要求保证其地基的稳定和建筑物的安全时.
③待建基础的土层不稳定,无法下沉井或挖槽沉埋水底隧道箱体时.
④地质情况复杂,要求直接检验并对地基进行处理时.由于沉箱作业条件差,对人员健康有害,且工效低、费用大,加上人体不能承受过大气压,故沉箱入水深度一般控制在35m以内,从而使基础埋深受到限制.因此,沉箱基础除遇到特殊情况外一般较少采用.
5．5．2．3 沉箱基础施工
按其下沉地区的条件,沉箱的施工有陆地下沉和水中下沉两种方法.陆地下沉有地面无水时就地制造沉箱下沉和水不深时采取围堰筑岛制造沉箱下沉两种方法.沉箱下沉程序如下所述:
(1)沉箱制造.
(2)下沉准备工作.抽除垫木,支立箱顶圬工的模板;安装气筒和气闸等.
(3)挖土下沉.工人进入工作室后,必须严格按操作规程进行作业.进入工作室前,工人先待在人用变气闸内,逐渐增加气压,待压力与工作室内气压相等时才可开门进入工作室;在离开沉箱时按相反的顺序进行.沉箱开始下沉时下沉速度较快,为保持顶盖板到土面的净空不少于1．8m,每次挖土不宜过深,以控制下沉速度,并应对称挖土,以防止沉箱倾斜.若由于土的摩擦力过大致使沉箱无法下沉,则可采用放气逼降法,即把工作室中的排气管打开,使室内气压骤减,相对提高沉箱的向下重力,就有可能克服土的摩擦力而下沉.注意放气时人应离开工作室.
(4)接长井管.
(5)沉箱下沉到设计标高后,进行基底土质鉴定和地基处理.
(6)填封工作室和升降孔.工作室内应填以强度等级不低于C15的混凝土或块石混凝土.混凝土的浇灌应由四周刃脚处开始,按同心圆一层层向中间填筑,接近顶盖板处应填以干硬性混凝土,并要振捣密实.最后,用1∶1的稀水泥浆从升降孔内以不高于400k Pa的压力注入工作室,同时把室内排气管打开,直到注浆管的水泥浆不再下降为止.这时,室内一切缝隙均已被水泥浆填满,顶盖板与填充混凝土已完全密封.然后,撤除气闸和井管,把升降孔也一同用混凝土填死.
工作人员在高气压的条件下工作时,必须有一套严格的安全和劳动保护制度,包括对工作人员的体格检查制度、工作时间制度(气压越高,每班工作时间越短)以及工作人员进出沉箱时必须在人员变气闸内按规定时间逐渐变压的制度.如加压过快,会引起耳膛病;减压过快,则人体血液中吸收的氮气来不及全部排出,形成气泡积聚、扩张、堵塞,从而引起严重的沉箱病.
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