砂樁+滿堂支架復(fù)合法在現(xiàn)澆連續(xù)箱梁施工中的應(yīng)用

■曾兆宜

(福州市市政建設(shè)開發(fā)有限公司，福州 350001)

0 前言

在箱形結(jié)構(gòu)梁橋施工中，滿堂支架現(xiàn)澆工藝由于具有較好的經(jīng)濟(jì)性與通用性，已成為較為成熟的施工方法之一。施工過程中應(yīng)對(duì)地基先進(jìn)行處理。若地基處理不當(dāng)，混凝土澆筑過程中，基礎(chǔ)沉降不均勻或沉降量超標(biāo)，會(huì)引起支架坍塌、梁體變形、開裂等質(zhì)量事故，本文闡述了砂樁在軟基中的加因處理方法及其采用滿堂支架的地基處理技術(shù)，最后通過承載力驗(yàn)收對(duì)施工效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，確保橋梁結(jié)構(gòu)在施工過程中的安全。

1 工程概況

本工程位于某國(guó)道互通內(nèi)，該橋共十跨，橋長(zhǎng)225.5m，前5跨為一聯(lián)現(xiàn)澆連續(xù)箱梁，箱梁結(jié)構(gòu)為雙箱雙室。連續(xù)箱梁長(zhǎng)度為19.5×5=97.5m，高度為1.5m，箱梁底板寬度為7.5m，頂板寬度為10.5m，箱梁底板至地面高度4.8～7m。本聯(lián)箱梁混凝土標(biāo)號(hào)為 C50，設(shè)計(jì)方量為742.97m3。根據(jù)設(shè)計(jì)方提供的樁基地質(zhì)勘探報(bào)告，支架搭設(shè)區(qū)域原地面為耕植土，需對(duì)灘涂軟地基進(jìn)行處理以滿足施工要求。

2 砂樁在軟土中的加固原理及設(shè)計(jì)

2.1 加固原理

（1）置換作用：砂樁成樁后，由較密實(shí)的砂樁樁體取代了與樁體體積相同的軟土，二者共同承擔(dān)上部傳來的荷載。另外砂樁也有加筋的作用，可以增大地基抗剪強(qiáng)度。表1示出了土層物理力學(xué)能各項(xiàng)指標(biāo)。

（2）加速排水作用：砂樁是由反濾性很好的粗粒材料組成，與上覆砂（碎石）墊層共同作用，形成良好的豎向和橫向的排水通道，可以快速有效的消散成樁時(shí)形成的超孔隙水壓力，加速軟土的排水固結(jié)，加快路基軟土的沉降穩(wěn)定。

2.2 砂樁設(shè)計(jì)

（1）砂樁直徑與布置形式

砂樁直徑應(yīng)根據(jù)地基土質(zhì)情況和成樁設(shè)備等因素確定。根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)確定砂樁直徑采用50cm。

表1 土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)表

該段軟土地基加固縱向長(zhǎng)度71m，橫向?qū)挾?8～118m，加固面積范圍較大，且為滿堂處理，故砂樁采用等邊三角形布置。

（2）砂樁間距

砂樁間距按下式進(jìn)行計(jì)算：

式中，AP為砂樁的截面積（m2），m為面積置換率。

綜合路基穩(wěn)定驗(yàn)算，并結(jié)合以往的工程經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)中，K15+705～K15+751 段砂樁間距為 1.4m；K15+751～K15+776段（靠近A4標(biāo)橋臺(tái)）樁間距為1.2m。

（3）砂樁加固寬度

設(shè)計(jì)中在填方坡腳外側(cè)放寬一排樁。

（4）砂樁樁長(zhǎng)

根據(jù)地質(zhì)資料，本工程地基土中淤泥土層逐漸加大加深，厚度最大為11.1m，設(shè)計(jì)中，砂樁完全穿過淤泥土層，進(jìn)入坡殘積砂質(zhì)粘性土層。如圖1所示，砂樁穿過淤泥層，樁尖置于坡殘積砂質(zhì)粘性土層內(nèi)至少50cm，砂樁長(zhǎng)度由5.7m逐漸增長(zhǎng)到13.5m。

圖1 K15+705～K15+776段砂樁布置立面圖

（5）墊層設(shè)置

設(shè)計(jì)中，K15+705～K15+751段采用50cm砂墊層+兩層聚丙烯單向土工格柵 （180kN/m）；K15+751～K15+776段（靠近A4標(biāo)橋臺(tái)）采用50cm級(jí)配碎石墊層+兩層直徑為8mm的鋼筋網(wǎng)。

（6）砂樁填料

設(shè)計(jì)要求采用級(jí)配較好且干凈的中粗砂，也可用砂礫。填料中含泥量不得大于5%。

2.3 砂樁復(fù)合地基穩(wěn)定驗(yàn)算和沉降計(jì)算

（1）穩(wěn)定驗(yàn)算

考慮到公路軟土路堤施工時(shí)填土荷載是按照一定的施工速率逐漸填筑加載而非瞬間填到設(shè)計(jì)高度這一實(shí)際情況，設(shè)計(jì)時(shí)采用有效固結(jié)應(yīng)力法進(jìn)行穩(wěn)定驗(yàn)算，穩(wěn)定安全系數(shù)F計(jì)算式如下：

（2）沉降計(jì)算

地基總沉降計(jì)算方法采用經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法，即S=msSC。式中，SC為主固結(jié)沉降；ms為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，與地基條件、荷載強(qiáng)度、加荷速率等因素有關(guān)。

主固結(jié)沉降通常采用分層總和法，根據(jù)地質(zhì)資料本工程采用壓縮模量法進(jìn)行計(jì)算。

對(duì)于復(fù)合地基設(shè)置的墊層，一般認(rèn)為其壓縮量很小，在施工過程中已基本完成，故墊層沉降量一般忽略不計(jì)。

（3）計(jì)算實(shí)例

以K15+770處計(jì)算為例，采用理正軟土地基路堤設(shè)計(jì)軟件計(jì)算，如圖 2、3、4所示。

路基填筑至設(shè)計(jì)標(biāo)高6.5m+路面換算土柱高1m的超填預(yù)壓土，即7.5m。砂樁間距1.2m。

①穩(wěn)定驗(yàn)算

最不利位置處在圓心(-2.142858，13.928570)(m)、滑動(dòng)半徑26.817139(m)處，穩(wěn)定安全系數(shù)K=1.202。詳見圖2所示。

圖2 K15+770處加載穩(wěn)定計(jì)算圖

②沉降計(jì)算

路面竣工時(shí)，地基沉降=0.796(m)

路面竣工后，基準(zhǔn)期內(nèi)的殘余沉降=0.061(m)

基準(zhǔn)期結(jié)束時(shí)，地基沉降=0.856(m)

最終地基總沉降采用經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法，計(jì)算得 0.955(m)。

本段軟土?xí)r間、填土、沉降、固結(jié)度之間的關(guān)系如圖3、圖 4所示。

圖3 時(shí)間-填土-固結(jié)度曲線圖

圖4 時(shí)間-填土-固結(jié)度曲線圖

綜上，本項(xiàng)目穩(wěn)定及沉降計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

3 設(shè)計(jì)和施工中注意的問題

（1）料源

由于項(xiàng)目區(qū)中粗砂料源短缺，而外購價(jià)格高昂。經(jīng)多方論證，決定利用項(xiàng)目周邊豐富的優(yōu)質(zhì)海砂作為砂樁填料來源。在成樁28d后，施工單位對(duì)砂樁進(jìn)行重Ⅱ型動(dòng)力觸探檢測(cè)，標(biāo)貫試驗(yàn)檢測(cè)以每貫入30cm為陣擊錘擊數(shù)，檢測(cè)依據(jù)合同圖紙?jiān)O(shè)計(jì)和 《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》，并以貫入30cm的N63.5錘擊數(shù)不小于8擊為標(biāo)準(zhǔn)來判定砂樁密實(shí)度是否合格，對(duì)砂樁擠密效果以不少于總樁數(shù)的2%抽查頻率進(jìn)行。共對(duì)70根樁進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果：N63.5錘擊數(shù)貫入30cm平均錘擊數(shù)在12～16之間，指標(biāo)離散值小，處中密狀態(tài)，基本達(dá)到了預(yù)期的要求。

（2）砂樁充盈系數(shù)

設(shè)計(jì)中，砂樁充盈系數(shù)取1.3。但在砂樁試樁過程中，砂樁每m灌砂量均有不同程度的大于0.26m3（設(shè)計(jì)值），會(huì)達(dá)到每延米0.28～0.29m3。經(jīng)分析認(rèn)為，主要是由于樁周軟土力學(xué)性能差所致。該段路基軟土的不排水剪強(qiáng)度小于20kPa，軟土對(duì)砂樁的徑向支持力較小，砂樁樁體容易產(chǎn)生鼓脹，故每延米灌砂量會(huì)有所增加。因此，通過本工程施工結(jié)論，建議灘涂軟土砂樁充盈系數(shù)適當(dāng)取大值，取1.45～1.5較為合適。從本工程砂樁的檢驗(yàn)結(jié)果表明，沿海灘涂軟土地基可以采用砂樁加固法，但必須嚴(yán)格控制各項(xiàng)施工指標(biāo)。

（3）軟土地區(qū)路堤填土高度控制

在初步設(shè)計(jì)階段，該段路堤填土高度為4.3～9.5m，但根據(jù)詳勘階段地質(zhì)報(bào)告給出的軟土力學(xué)指標(biāo)，該段軟土穩(wěn)定驗(yàn)算和沉降計(jì)算均不滿足規(guī)范要求。建議路線組調(diào)低該段路基填土高度。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)踏勘及專家指導(dǎo)，在不影響路線設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及線形要求的情況下，對(duì)局部路線進(jìn)行縱坡調(diào)整，考慮砂樁預(yù)壓需超填1m，將該段路線路基設(shè)計(jì)填土高度調(diào)整為3.4～6.5m。路基設(shè)計(jì)高度調(diào)整后，穩(wěn)定驗(yàn)算和沉降計(jì)算能滿足規(guī)范要求。路基施工后根據(jù)連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)，路基中心沉降及路基坡腳側(cè)向位移均滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

4 搭設(shè)滿堂支架地基承載力計(jì)算分析

4.1 支架搭設(shè)方案

本工程采用碗扣式滿堂支架，采用Φ48×3.5的鋼管作為支架橫桿和立桿。搭設(shè)支架時(shí)逐聯(lián)搭設(shè)，張拉結(jié)束后方可拆架。經(jīng)受力驗(yàn)算，中部和端部橫墻處立桿間距采用0.6m×0.6m，箱梁腹板處立桿間距為0.6m×0.6m，其余位置立桿間距為0.6m×0.9m，立桿步距為1.2m。立桿底托下縱向設(shè)置5×10cm方木，方木放置于硬化后的混凝土頂面，立桿頂托上縱向放置Ⅰ12工字鋼，在工字鋼上橫向設(shè)置軸線間距為30cm的10×10cm方木，在方木上安裝1.5cm厚的膠板底模，如圖5所示。

支架搭設(shè)過程中，要經(jīng)常對(duì)支架搭設(shè)質(zhì)量進(jìn)行檢查，做好過程控制。過程中主要檢查支架立桿的豎直度、立桿間距，掃地桿布設(shè)的高度，頂、底托外露長(zhǎng)度，上碗扣是否鎖緊，縱橫向及水平向剪刀撐間距是否嚴(yán)格按方案施工。支架搭設(shè)達(dá)到設(shè)計(jì)高度后，要求項(xiàng)目部組織進(jìn)行全面的檢查和驗(yàn)收，驗(yàn)收合格后報(bào)總監(jiān)辦，由總監(jiān)辦組織項(xiàng)目部等技術(shù)人員再次共同對(duì)支架安裝進(jìn)行整體質(zhì)量驗(yàn)收；參加人員現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)填寫支架搭設(shè)驗(yàn)收表，確保支架搭設(shè)質(zhì)量有據(jù)可查。

圖5 箱梁滿堂支架設(shè)計(jì)橫斷面示意圖

4.2 立桿受力驗(yàn)算

據(jù)《路橋施工計(jì)算手冊(cè)》，采用Φ48×3.5碗扣鋼管作支架，當(dāng)橫桿步距為1.2m時(shí)，對(duì)接立桿的容許荷載[N容]=33.6kN。根據(jù)支架設(shè)計(jì)圖，橫梁及腹板區(qū)受力最不利處的平均每平方米布置了 1/（0.6×0.6）=2.78根鋼管，箱室底板受力最不利處的平均每平方米布置了1/（0.6×0.9）=1.85根鋼管。

以立桿上方的頂托受力最大的立桿作為驗(yàn)算對(duì)象，則立桿底部承受豎向荷載為：（1）腹板下：N=60.52 kN/m2/2.78 根/m2=21.77kN＜[N容]=33.6kN；（2） 橫梁下：N=60.52 kN/m2/2.78 根/m2=21.77kN＜[N容]=33.6kN；（3） 箱室下：N=29.22kN/m2/1.85根/m2=15.79kN＜[N容]=33.6kN。單根立桿承受荷載滿足容許荷載要求。

4.3 地基承載力計(jì)算

立桿基礎(chǔ)底面的平均壓力P=N/A，腹板底部最大荷載N=21.77kN，立桿底部鋼墊板尺寸15cm×15cm，條形枕木與混凝土硬化墊層總厚度為15cm，基礎(chǔ)應(yīng)力擴(kuò)散角取 45°，則基礎(chǔ)頂部承壓面積 A=0.45×0.45=0.20m2，基底平均壓力P=21.77/0.20=109kPa。安全系數(shù)取1.5，現(xiàn)場(chǎng)地基承載力 f＞109×1.5=164kPa。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)輕型觸探試驗(yàn)顯示，地基承載力容許值小于150kPa，最小值為85kPa，需對(duì)地基進(jìn)行處理，才能滿足承載力要求。

4.4 軟基處理后的表面處理

本工程現(xiàn)澆連續(xù)箱梁順橋向穿越軟基，為了確?，F(xiàn)澆箱梁的支架穩(wěn)定，減少不均勻沉降，支架搭設(shè)前需將經(jīng)砂樁處理后的軟基進(jìn)行清理，結(jié)合本工程實(shí)際情況，地基采取以下處理方法：

（1）對(duì)于砂樁處理后的軟基部分，首先挖除40cm厚地表土，挖除后采用觸探儀進(jìn)行地基承載力檢測(cè)，要求地基承載力達(dá)到150kPa，如達(dá)不到要求則應(yīng)加深開挖換填深度；進(jìn)行整平，然后在地基兩側(cè)挖排水溝，降低地基含水量，并用壓路機(jī)壓實(shí)地基，壓實(shí)度達(dá)到90%以上。上面鋪設(shè)30cm厚級(jí)配碎石，再用壓路機(jī)將其壓實(shí)，在其頂部澆筑15cm厚C15砼。

（2）對(duì)于承臺(tái)基坑回填部分，為減小不均勻沉降，先清除積水和稀泥，填筑材料及方法同上。上部鋪50cm級(jí)配碎石振動(dòng)壓實(shí)，再澆筑15cm厚的C15砼。

因地基處理的好壞直接影響后續(xù)支架及現(xiàn)澆箱梁的穩(wěn)定，要求項(xiàng)目部施工前應(yīng)嚴(yán)格做好技術(shù)交底工作，按方案組織施工，每道工序完成后須經(jīng)監(jiān)理工程師確認(rèn)合格后方可進(jìn)入下道工序。支架地基處理應(yīng)大于支架兩側(cè)臨邊外沿線50cm，過程中應(yīng)嚴(yán)格做好壓實(shí)度檢測(cè)并確保砼澆筑厚度，確保地基處理質(zhì)量。

4.5 地基容許應(yīng)力值

當(dāng)基底作用豎向集中力P時(shí)，基礎(chǔ)中心點(diǎn)下豎向附加應(yīng)力沿深度方向曲線減小，支架基底最大壓力為109kPa，由布辛奈斯克公式可求得換填深度1m處豎向附加應(yīng)力σ=52kPa，小于地基承載力最低值85kPa，說明下臥土層地基承載力滿足要求。根據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD63-2007）表4.5.4的規(guī)定，碎石墊層地基承載力容許值為200～300kPa，滿足支架施工對(duì)地基承載力的要求。

4.6 最終沉降量估算

承載力表現(xiàn)為強(qiáng)度與穩(wěn)定性兩個(gè)方面，地基承載力容許值是地基的強(qiáng)度指標(biāo)，地基穩(wěn)定性還需檢驗(yàn)支架預(yù)壓沉降量?！朵摴軡M堂支架預(yù)壓技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T194-2009）規(guī)定，對(duì)支架基礎(chǔ)代表性區(qū)域的預(yù)壓監(jiān)測(cè)過程中，當(dāng)最初72h各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降量平均值小于5mm時(shí)，應(yīng)判定同類支架基礎(chǔ)的其余部分預(yù)壓是否合格。一般預(yù)壓過程任務(wù)繁重，要了解土的壓縮性能，亦可通過計(jì)算地基最終沉降量，驗(yàn)算基礎(chǔ)沉降量是否滿足規(guī)范要求；壓縮模量可通過荷載板試驗(yàn)確定，最終沉降量計(jì)算可采用土力學(xué)彈性理論方法。

（1）荷載板試驗(yàn)

采用《公路路基路面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程》（JTG E60-2008）承載板測(cè)定地基回彈模量試驗(yàn)法，加載設(shè)施為一后軸重≥60kN的載重汽車，輪胎充氣壓力0.50MPa；剛性承載板厚20mm，直徑為30cm；加載裝置由千斤頂、測(cè)力環(huán)與壓力表組成，回彈變形由彎沉儀檢測(cè)。

從基底原泥漿池區(qū)和非泥漿池區(qū)分別選取兩處代表性區(qū)域進(jìn)行荷載板試驗(yàn)，支架基礎(chǔ)變形P-L曲線如圖6所示，對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行線性擬合，相關(guān)系數(shù)分別為0.981和0.989，說明荷載壓強(qiáng)0.4MPa范圍內(nèi)，P-L為線性相關(guān)曲線；曲線起始段并不存在反彎現(xiàn)象，表明地基表層已碾壓密實(shí)。取結(jié)束試驗(yàn)前的各回彈變形值，按線性回歸方法由公式（1）計(jì)算土基回彈模量 值。

式中，D為荷載板直徑；μ0為土泊松比，對(duì)碎石土取0.3。

最終計(jì)算可得原泥漿池區(qū)地基回彈模量為265.2MPa，非泥漿池地基回彈模量為245.7 MPa。

圖6 P-L曲線圖

（2）最終沉降量估算

將每個(gè)支架立桿視作一個(gè)獨(dú)立基礎(chǔ)，傳遞到換填土基頂部的平均壓力視為基底附加應(yīng)力，受力面積為最終沉降量估算0.45m×0.45m，計(jì)算出基底最大沉降，即可預(yù)測(cè)滿堂支架預(yù)壓沉降值?；鬃畲髴?yīng)力109kPa，考慮1.2的預(yù)壓荷載系數(shù)，基礎(chǔ)底面最大應(yīng)力p=109×1.2=131kPa，處于荷載板試驗(yàn)P-L曲線的線性范圍內(nèi)，因此，可通過彈性理論公式（2）計(jì)算最終沉降量。

式中，基礎(chǔ)底面平均壓力p=131kPa，基礎(chǔ)寬度b=0.45m，土泊松比 μ=0.3，變形模量 E0=245.7MPa，查表得沉降影響系數(shù)E0=0.88，計(jì)算最終沉降量s=0.19mm，與規(guī)范規(guī)定的5mm相比甚小，足以表明支架基礎(chǔ)滿足施工要求，不均勻沉降可以忽略不計(jì)。

5 結(jié)語

滿堂支架地基處理質(zhì)量一般采用預(yù)壓驗(yàn)收的方式進(jìn)行檢查，包括支架基礎(chǔ)預(yù)壓、支架預(yù)壓、沉降量觀測(cè)等，操作任務(wù)繁重、工效較低。本文對(duì)地基處理從兩個(gè)方面進(jìn)行承載力驗(yàn)算：（1）通過查表確定換填土層的地基承載力容許值大于支架基底最大應(yīng)力；（2）進(jìn)行荷載板試驗(yàn)，確定地基變形模量，計(jì)算支架最終沉降量，結(jié)果顯示支架沉降量遠(yuǎn)小于規(guī)定值。試驗(yàn)操作簡(jiǎn)便，能快速得到最終沉降值，為支架的安全施工提供了有益的參考。