橋梁工程巖土勘察方案及設(shè)計計算參數(shù)選擇

安景波

上海山騁勘察設(shè)計有限公司 上海 200000

橋梁施工是一項系統(tǒng)化的復雜工作，包含的工序環(huán)節(jié)較多，且各個工序環(huán)節(jié)都與整體工程質(zhì)量有著密切關(guān)聯(lián)關(guān)系，其中基礎(chǔ)施工部分更是起著重要的奠基作用。在正式開始施工之前，必須全方位做好施工現(xiàn)場及周圍環(huán)境的勘察工作，尤其要準確掌握地質(zhì)巖土情況，這樣才能有針對性地制定施工方案，從而確保后續(xù)各環(huán)節(jié)橋梁施工工作的順利有序開展，有效控制橋梁設(shè)施質(zhì)量品質(zhì)。

1 工程概況

本文所述項目為青浦香花橋街道與G1503上海繞城高速相交區(qū)域的部分橋梁施工工程，該工程所在地地形較為復雜，同時分布有高速路段和河道，橋梁設(shè)施需要分多個建設(shè)。其中河道沿線建設(shè)3座跨越式小橋，高速公路部分建設(shè)大型的跨線主橋和引橋。工程前期巖土勘測以及過程中的橋梁基礎(chǔ)施工方案確立，是本次施工項目的重點關(guān)注內(nèi)容。為了能夠?qū)崿F(xiàn)勘察方案的深度優(yōu)化目標，本次項目勘察方案設(shè)計增加了很多的內(nèi)容，同時還制定了一系列勘察應急準備措施，多管齊下以應對現(xiàn)場復雜多變的地層情況。

2 勘察目的及要求

施工勘察的目的主要為了給施工圖設(shè)計提供準確、完整的數(shù)據(jù)資料，以確保設(shè)計方案的合理性與可行性。其勘察要求主要包括以下幾項內(nèi)容：首先，需要詳細了解施工現(xiàn)場區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)土層結(jié)構(gòu)，并探明土質(zhì)均勻情況、基礎(chǔ)持力層部分的層面埋深情況和土層厚度情況，以便計算巖土結(jié)構(gòu)的力學性能，分析土體的壓縮性和穩(wěn)定性，合理確定地基承載力，保證地基結(jié)構(gòu)的安全性；其次，要對施工現(xiàn)場的地下水情況進行勘察，準確計算水位變化幅度，同時檢驗地下水和土壤的腐蝕性，明確地下水環(huán)境條件；此外，還要分析擬建區(qū)域的抗震能力，以便對可能存在的地震類自然災害等進行預測，制定合理的應對方案。最后，要根據(jù)上述數(shù)據(jù)計算和提供相應的地基承載力以及變形評估參數(shù)，作為工程圖紙設(shè)計的依據(jù)標準[1]。

3 勘察方案

根據(jù)相關(guān)設(shè)計單位所提出的工程勘測要求以及行業(yè)勘察規(guī)范，對現(xiàn)場勘察位置以及勘測點數(shù)量進行規(guī)劃，然后結(jié)合現(xiàn)場環(huán)境條件對勘察方案進一步做確認，不合理之處與設(shè)計單位溝通調(diào)整。最后確認具體勘察方案如下：大橋按照每個橋墩二個勘察孔的標準進行勘察，中橋按照四個勘探孔的標準勘察，個別勘察孔受到場地現(xiàn)場條件限制進行微調(diào)。鉆孔深度與場地類別、基礎(chǔ)部分施工設(shè)計方案以及地基承載力要求保持相符性，根據(jù)鉆孔的使用目的，將孔深控制在60-90m之間。

4 巖土工程評價

本工程整體巖土屬性相對穩(wěn)定，地表淺層的土壤以雜填土為主，較為松散，填充物主要為砂性土，均勻度和密實度方面略差，屬于不均勻地層，承載力不足。但是深層土質(zhì)的工程性質(zhì)較好，30m以下基本為第⑦層主要為粉砂層，其下為層厚較厚的第⑧層灰色粉質(zhì)粘土，72m左右進入第⑨層粉砂層，深部土層承載力高、穩(wěn)定性較好。但是從承載力方面來看，本工程擬建施工現(xiàn)場的巖土具有一定可壓縮性，缺少可塑性巖體，總體承載性能中等水平，采取常規(guī)樁基施工工藝無法滿足大橋橋墩樁基承載力要求，如何保證基礎(chǔ)工程的荷載安全性，是本次施工的重難點之處[2]。

5 地基基礎(chǔ)設(shè)計計算有關(guān)參數(shù)

5.1 巖土參數(shù)統(tǒng)計

本次勘察以原位測試為主要手段，采用標準貫入及輕型動力探觸試驗方法，同時采集巖土樣本進行室內(nèi)土工試驗。對原位測試和土工試驗數(shù)據(jù)進行逐一核對檢查和分層數(shù)理統(tǒng)計，最后計算出各層巖土參數(shù)的平均值、標準值、范圍值、標準差以及變異系數(shù)值。

5.2 巖土參數(shù)選擇

我國橋梁工程地基設(shè)計的巖土參數(shù)選擇有其專門的標準值和范圍值可以進行參照使用，需確定的參數(shù)主要可以分為兩類，其一是巖土物理性能指標值，包括天然重度Y、含水率w、天然空隙比e0、液限指數(shù)IP、塑限指數(shù)IL、壓縮系數(shù)av、壓縮模量ES等；其二是力學強度指標，包括內(nèi)聚力c、內(nèi)摩擦角φ等。表1所示為當前橋梁施工工程當中常見的巖土土質(zhì)性質(zhì)指標標準推薦值，所示參數(shù)值為標準值范圍 的平均值[3]。

表1 地基土層物理力學性質(zhì)指標推薦值

6 橋梁基礎(chǔ)方案

6.1 橋梁淺基礎(chǔ)施工方案分析

本工程勘察過程中發(fā)現(xiàn)，淺基礎(chǔ)部分地層具有較為明顯的復雜性，而且受到當?shù)刈匀画h(huán)境等各方面因素影響，很容易發(fā)生淺部土層性質(zhì)變化現(xiàn)象，施工孔位移位的幾率較大，存在較大的施工安全風險。綜合分析判斷，該工程采用常規(guī)的墩基礎(chǔ)施工方案難以保證橋梁基礎(chǔ)持力層的穩(wěn)定性，需采用穩(wěn)定性更高、荷載能力更強的樁基礎(chǔ)施工工藝。

6.2 橋梁樁基礎(chǔ)施工方案分析

本工程橋梁跨度較大，對于單樁的承載力有著較高要求，最大單樁灌注樁設(shè)計為Φ1500mm規(guī)格，其承載力設(shè)計值要求至少達到1200T，承載力標準值需滿足2400T。樁基承載力（考慮樁端后注漿）標準值的設(shè)計主要根據(jù)上海市《地基基礎(chǔ)設(shè)計標準》其單樁承載力估算允許值，再乘以綜合調(diào)整系數(shù)決定，最后根據(jù)承載力要求再選擇合適的土層作為地基持力層。本次樁基施工綜合調(diào)整系數(shù)為1.2，單樁承載力主要參照有關(guān)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》文件要求。表3所示為我國現(xiàn)行鉆孔灌注樁單樁軸向受壓承載力容許值[4]。

表2 單樁豎向承載力計算參數(shù)表

層號 土層名稱 層底絕對標高 (m)比貫入阻力Ps平均值(MPa)預制樁(PHC管樁) 灌注樁fs(kPa)fp(kPa)fs(kPa)fp(kPa)⑦1 草黃-灰黃色砂質(zhì)粉土 -26.68 - -31.55 9.38 90 70⑦2 灰黃～灰黃色粉砂 -37.84 - -42.54 11.36 100 6000 55 1700⑧1 灰色粉質(zhì)粘土 -39.20 - -51.59 2.23 70 65⑨ 灰色粉砂土 -65.67 - -69.71 12.17 120 8000 100 3500

根據(jù)《地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》及《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》相關(guān)公式估算，地基土的單樁軸向受壓承載力容許值見下表3。

表3 鉆孔灌注樁單樁軸向受壓承載力容許值估算表

橋梁施工工程常規(guī)的樁基礎(chǔ)施工工藝主要采用大直徑灌注樁方法，理論上采用該施工技術(shù)的情況下，樁基持力層需布置在第⑦或第⑨層土層區(qū)域。但是經(jīng)過對以往類似項目工程施工經(jīng)驗進行分析，發(fā)現(xiàn)采取大直徑灌注樁方案時，按照本工程的地質(zhì)條件，樁基承載力計算值明顯偏小，無法達到規(guī)范標準值。因此，經(jīng)過綜合考量后，本工程最終選用了樁端、樁側(cè)后注漿施工工藝。

樁端及周圍后壓漿工藝的優(yōu)勢在實踐當中已經(jīng)獲得了有效驗證，這種樁基施工方法可以大大提高單樁承載力，最高甚至可以達到150%左右。理論上，單樁承載力強度越高，樁基持力層的選擇就可以越靈活。本次工程當中按照樁基承載力采用后注漿工藝比普通鉆孔灌注樁技術(shù)提高40%的標準，樁身30m以下范圍內(nèi)全部注漿，其安全性和經(jīng)濟性能夠達到最佳的狀態(tài)?；谠摌藴剩罱K選擇第⑦2層作為樁基持力層，既可以滿足單樁體承載設(shè)計值，又能實現(xiàn)成本最優(yōu)控制[5]。

但是經(jīng)過計算分析后發(fā)現(xiàn)，本工程采用樁端后注漿工藝，還存在一個難點問題，即樁基沉降量計算后結(jié)果不符合施工規(guī)范要求。分析其原因，主要是由于樁基沉降量計算沒有對應的標準計算參數(shù)，通常情況下，類似工程項目的樁基沉降量一般為PHC管樁的80%左右，但如果按照這種傳統(tǒng)的計算標準，本工程樁基沉降量計算結(jié)果會出現(xiàn)明顯不合理。再次經(jīng)過對既有施工案例進行對比分析，總結(jié)發(fā)現(xiàn)，對于選擇第⑦層作為樁基持力層的橋梁施工工程，樁端采用后注漿方式時，其樁基沉降計算經(jīng)驗系數(shù)Ψm可介于0.40-0.50之間取值。基于此，本次勘察后結(jié)合GTS三維建模，重新調(diào)整了經(jīng)驗系數(shù)參數(shù)值，獲得了較為可靠的結(jié)果，樁基沉降量也得到準確分析。

7 結(jié)論及建議

本次橋梁工程巖土勘察方案及設(shè)計計算參數(shù)的選擇最后經(jīng)過現(xiàn)場試驗驗證，比較符合實際情況。通過本次勘察優(yōu)化設(shè)計，積累了大量關(guān)于橋梁施工工程巖土勘察的理論規(guī)劃經(jīng)驗，為其他類似項目工程的前期方案制定提供了可靠的參考案例。但是也應注意，理論與實踐難免會存在一定差異，因此，在實際施工時應先進行必要的實驗，比如樁基施工應進行樁身質(zhì)量檢測，必要時進行單樁靜載試驗。如果施工過程中發(fā)現(xiàn)與勘察地質(zhì)資料不符或地層變化較大的情況，應及時與設(shè)計人員以及巖土工程師等進行確認，必要時進行補勘作業(yè)。