■曾兆宜

(福州市市政建設開發(fā)有限公司，福州 350001)

0 前言

在箱形結構梁橋施工中，滿堂支架現(xiàn)澆工藝由于具有較好的經(jīng)濟性與通用性，已成為較為成熟的施工方法之一。施工過程中應對地基先進行處理。若地基處理不當，混凝土澆筑過程中，基礎沉降不均勻或沉降量超標，會引起支架坍塌、梁體變形、開裂等質量事故，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，最后通過承載力驗收對施工效果進行評價，確保橋梁結構在施工過程中的安全。

1 工程概況

本工程位于某國道互通內(nèi)，該橋共十跨，橋長225.5m，前5跨為一聯(lián)現(xiàn)澆連續(xù)箱梁，箱梁結構為雙箱雙室。連續(xù)箱梁長度為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)箱梁混凝土標號為 C50，設計方量為742.97m3。根據(jù)設計方提供的樁基地質勘探報告，支架搭設區(qū)域原地面為耕植土，需對灘涂軟地基進行處理以滿足施工要求。

2 砂樁在軟土中的加固原理及設計

2.1 加固原理

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

（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形成的超孔隙水壓力，加速軟土的排水固結，加快路基軟土的沉降穩(wěn)定。

2.2 砂樁設計

（1）砂樁直徑與布置形式

砂樁直徑應根據(jù)地基土質情況和成樁設備等因素確定。根據(jù)以往工程經(jīng)驗，設計確定砂樁直徑采用50cm。

表1 土層物理力學性質指標表

該段軟土地基加固縱向長度71m，橫向寬度58～118m，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

砂樁間距按下式進行計算：

式中，AP為砂樁的截面積（m2），m為面積置換率。

綜合路基穩(wěn)定驗算，并結合以往的工程經(jīng)驗，設計中，K15+705～K15+751 段砂樁間距為 1.4m；K15+751～K15+776段（靠近A4標橋臺）樁間距為1.2m。

（3）砂樁加固寬度

設計中在填方坡腳外側放寬一排樁。

（4）砂樁樁長

根據(jù)地質資料，本工程地基土中淤泥土層逐漸加大加深，厚度最大為11.1m，設計中，砂樁完全穿過淤泥土層，進入坡殘積砂質粘性土層。如圖1所示，砂樁穿過淤泥層，樁尖置于坡殘積砂質粘性土層內(nèi)至少50cm，砂樁長度由5.7m逐漸增長到13.5m。

圖1 K15+705～K15+776段砂樁布置立面圖

（5）墊層設置

設計中，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標橋臺）采用50cm級配碎石墊層+兩層直徑為8mm的鋼筋網(wǎng)。

（6）砂樁填料

設計要求采用級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 砂樁復合地基穩(wěn)定驗算和沉降計算

（1）穩(wěn)定驗算

考慮到公路軟土路堤施工時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計高度這一實際情況，設計時采用有效固結應力法進行穩(wěn)定驗算，穩(wěn)定安全系數(shù)F計算式如下：

（2）沉降計算

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

主固結沉降通常采用分層總和法，根據(jù)地質資料本工程采用壓縮模量法進行計算。

對于復合地基設置的墊層，一般認為其壓縮量很小，在施工過程中已基本完成，故墊層沉降量一般忽略不計。

（3）計算實例

以K15+770處計算為例，采用理正軟土地基路堤設計軟件計算，如圖 2、3、4所示。

路基填筑至設計標高6.5m+路面換算土柱高1m的超填預壓土，即7.5m。砂樁間距1.2m。

①穩(wěn)定驗算

最不利位置處在圓心(-2.142858，13.928570)(m)、滑動半徑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)定計算圖

②沉降計算

路面竣工時，地基沉降=0.796(m)

路面竣工后，基準期內(nèi)的殘余沉降=0.061(m)

基準期結束時，地基沉降=0.856(m)

最終地基總沉降采用經(jīng)驗系數(shù)法，計算得 0.955(m)。

本段軟土時間、填土、沉降、固結度之間的關系如圖3、圖 4所示。

圖3 時間-填土-固結度曲線圖

圖4 時間-填土-固結度曲線圖

綜上，本項目穩(wěn)定及沉降計算結果均滿足規(guī)范要求。

3 設計和施工中注意的問題

（1）料源

由于項目區(qū)中粗砂料源短缺，而外購價格高昂。經(jīng)多方論證，決定利用項目周邊豐富的優(yōu)質海砂作為砂樁填料來源。在成樁28d后，施工單位對砂樁進行重Ⅱ型動力觸探檢測，標貫試驗檢測以每貫入30cm為陣擊錘擊數(shù)，檢測依據(jù)合同圖紙設計和 《建筑地基處理技術規(guī)范》，并以貫入30cm的N63.5錘擊數(shù)不小于8擊為標準來判定砂樁密實度是否合格，對砂樁擠密效果以不少于總樁數(shù)的2%抽查頻率進行。共對70根樁進行檢測，檢測結果：N63.5錘擊數(shù)貫入30cm平均錘擊數(shù)在12～16之間，指標離散值小，處中密狀態(tài)，基本達到了預期的要求。

（2）砂樁充盈系數(shù)

設計中，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（設計值），會達到每延米0.28～0.29m3。經(jīng)分析認為，主要是由于樁周軟土力學性能差所致。該段路基軟土的不排水剪強度小于20kPa，軟土對砂樁的徑向支持力較小，砂樁樁體容易產(chǎn)生鼓脹，故每延米灌砂量會有所增加。因此，通過本工程施工結論，建議灘涂軟土砂樁充盈系數(shù)適當取大值，取1.45～1.5較為合適。從本工程砂樁的檢驗結果表明，沿海灘涂軟土地基可以采用砂樁加固法，但必須嚴格控制各項施工指標。

（3）軟土地區(qū)路堤填土高度控制

在初步設計階段，該段路堤填土高度為4.3～9.5m，但根據(jù)詳勘階段地質報告給出的軟土力學指標，該段軟土穩(wěn)定驗算和沉降計算均不滿足規(guī)范要求。建議路線組調低該段路基填土高度。經(jīng)現(xiàn)場踏勘及專家指導，在不影響路線設計標準及線形要求的情況下，對局部路線進行縱坡調整，考慮砂樁預壓需超填1m，將該段路線路基設計填土高度調整為3.4～6.5m。路基設計高度調整后，穩(wěn)定驗算和沉降計算能滿足規(guī)范要求。路基施工后根據(jù)連續(xù)觀測數(shù)據(jù)，路基中心沉降及路基坡腳側向位移均滿足設計及規(guī)范要求。

4 搭設滿堂支架地基承載力計算分析

4.1 支架搭設方案

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。搭設支架時逐聯(lián)搭設，張拉結束后方可拆架。經(jīng)受力驗算，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。

支架搭設過程中，要經(jīng)常對支架搭設質量進行檢查，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，掃地桿布設的高度，頂、底托外露長度，上碗扣是否鎖緊，縱橫向及水平向剪刀撐間距是否嚴格按方案施工。支架搭設達到設計高度后，要求項目部組織進行全面的檢查和驗收，驗收合格后報總監(jiān)辦，由總監(jiān)辦組織項目部等技術人員再次共同對支架安裝進行整體質量驗收；參加人員現(xiàn)場應填寫支架搭設驗收表，確保支架搭設質量有據(jù)可查。

圖5 箱梁滿堂支架設計橫斷面示意圖

4.2 立桿受力驗算

據(jù)《路橋施工計算手冊》，采用Φ48×3.5碗扣鋼管作支架，當橫桿步距為1.2m時，對接立桿的容許荷載[N容]=33.6kN。根據(jù)支架設計圖，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算對象，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 地基承載力計算

立桿基礎底面的平均壓力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，基礎應力擴散角取 45°，則基礎頂部承壓面積 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)場地基承載力 f＞109×1.5=164kPa。

經(jīng)現(xiàn)場輕型觸探試驗顯示，地基承載力容許值小于150kPa，最小值為85kPa，需對地基進行處理，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，為了確保現(xiàn)澆箱梁的支架穩(wěn)定，減少不均勻沉降，支架搭設前需將經(jīng)砂樁處理后的軟基進行清理，結合本工程實際情況，地基采取以下處理方法：

（1）對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行地基承載力檢測，要求地基承載力達到150kPa，如達不到要求則應加深開挖換填深度；進行整平，然后在地基兩側挖排水溝，降低地基含水量，并用壓路機壓實地基，壓實度達到90%以上。上面鋪設30cm厚級配碎石，再用壓路機將其壓實，在其頂部澆筑15cm厚C15砼。

（2）對于承臺基坑回填部分，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級配碎石振動壓實，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，要求項目部施工前應嚴格做好技術交底工作，按方案組織施工，每道工序完成后須經(jīng)監(jiān)理工程師確認合格后方可進入下道工序。支架地基處理應大于支架兩側臨邊外沿線50cm，過程中應嚴格做好壓實度檢測并確保砼澆筑厚度，確保地基處理質量。

4.5 地基容許應力值

當基底作用豎向集中力P時，基礎中心點下豎向附加應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設計規(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)為強度與穩(wěn)定性兩個方面，地基承載力容許值是地基的強度指標，地基穩(wěn)定性還需檢驗支架預壓沉降量。《鋼管滿堂支架預壓技術規(guī)程》（JGJ/T194-2009）規(guī)定，對支架基礎代表性區(qū)域的預壓監(jiān)測過程中，當最初72h各監(jiān)測點的沉降量平均值小于5mm時，應判定同類支架基礎的其余部分預壓是否合格。一般預壓過程任務繁重，要了解土的壓縮性能，亦可通過計算地基最終沉降量，驗算基礎沉降量是否滿足規(guī)范要求；壓縮模量可通過荷載板試驗確定，最終沉降量計算可采用土力學彈性理論方法。

（1）荷載板試驗

采用《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》（JTG E60-2008）承載板測定地基回彈模量試驗法，加載設施為一后軸重≥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、測力環(huán)與壓力表組成，回彈變形由彎沉儀檢測。

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)域進行荷載板試驗，支架基礎變形P-L曲線如圖6所示，對數(shù)據(jù)點進行線性擬合，相關系數(shù)分別為0.981和0.989，說明荷載壓強0.4MPa范圍內(nèi)，P-L為線性相關曲線；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。取結束試驗前的各回彈變形值，按線性回歸方法由公式（1）計算土基回彈模量 值。

式中，D為荷載板直徑；μ0為土泊松比，對碎石土取0.3。

最終計算可得原泥漿池區(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

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

式中，基礎底面平均壓力p=131kPa，基礎寬度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，足以表明支架基礎滿足施工要求，不均勻沉降可以忽略不計。

5 結語

滿堂支架地基處理質量一般采用預壓驗收的方式進行檢查，包括支架基礎預壓、支架預壓、沉降量觀測等，操作任務繁重、工效較低。本文對地基處理從兩個方面進行承載力驗算：（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力；（2）進行荷載板試驗，確定地基變形模量，計算支架最終沉降量，結果顯示支架沉降量遠小于規(guī)定值。試驗操作簡便，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。