砂桩+满堂支架复合法在现浇连续箱梁施工中的应用

■曾兆宜

(福州市市政建设开发有限公司，福州 350001)

0 前言

在箱形结构梁桥施工中，满堂支架现浇工艺由于具有较好的经济性与通用性，已成为较为成熟的施工方法之一。施工过程中应对地基先进行处理。若地基处理不当，混凝土浇筑过程中，基础沉降不均匀或沉降量超标，会引起支架坍塌、梁体变形、开裂等质量事故，本文阐述了砂桩在软基中的加因处理方法及其采用满堂支架的地基处理技术，最后通过承载力验收对施工效果进行评价，确保桥梁结构在施工过程中的安全。

1 工程概况

本工程位于某国道互通内，该桥共十跨，桥长225.5m，前5跨为一联现浇连续箱梁，箱梁结构为双箱双室。连续箱梁长度为19.5×5=97.5m，高度为1.5m，箱梁底板宽度为7.5m，顶板宽度为10.5m，箱梁底板至地面高度4.8～7m。本联箱梁混凝土标号为 C50，设计方量为742.97m3。根据设计方提供的桩基地质勘探报告，支架搭设区域原地面为耕植土，需对滩涂软地基进行处理以满足施工要求。

2 砂桩在软土中的加固原理及设计

2.1 加固原理

（1）置换作用：砂桩成桩后，由较密实的砂桩桩体取代了与桩体体积相同的软土，二者共同承担上部传来的荷载。另外砂桩也有加筋的作用，可以增大地基抗剪强度。表1示出了土层物理力学能各项指标。

（2）加速排水作用：砂桩是由反滤性很好的粗粒材料组成，与上覆砂（碎石）垫层共同作用，形成良好的竖向和横向的排水通道，可以快速有效的消散成桩时形成的超孔隙水压力，加速软土的排水固结，加快路基软土的沉降稳定。

2.2 砂桩设计

（1）砂桩直径与布置形式

砂桩直径应根据地基土质情况和成桩设备等因素确定。根据以往工程经验，设计确定砂桩直径采用50cm。

表1 土层物理力学性质指标表

该段软土地基加固纵向长度71m，横向宽度58～118m，加固面积范围较大，且为满堂处理，故砂桩采用等边三角形布置。

（2）砂桩间距

砂桩间距按下式进行计算：

式中，AP为砂桩的截面积（m2），m为面积置换率。

综合路基稳定验算，并结合以往的工程经验，设计中，K15+705～K15+751 段砂桩间距为 1.4m；K15+751～K15+776段（靠近A4标桥台）桩间距为1.2m。

（3）砂桩加固宽度

设计中在填方坡脚外侧放宽一排桩。

（4）砂桩桩长

根据地质资料，本工程地基土中淤泥土层逐渐加大加深，厚度最大为11.1m，设计中，砂桩完全穿过淤泥土层，进入坡残积砂质粘性土层。如图1所示，砂桩穿过淤泥层，桩尖置于坡残积砂质粘性土层内至少50cm，砂桩长度由5.7m逐渐增长到13.5m。

图1 K15+705～K15+776段砂桩布置立面图

（5）垫层设置

设计中，K15+705～K15+751段采用50cm砂垫层+两层聚丙烯单向土工格栅 （180kN/m）；K15+751～K15+776段（靠近A4标桥台）采用50cm级配碎石垫层+两层直径为8mm的钢筋网。

（6）砂桩填料

设计要求采用级配较好且干净的中粗砂，也可用砂砾。填料中含泥量不得大于5%。

2.3 砂桩复合地基稳定验算和沉降计算

（1）稳定验算

考虑到公路软土路堤施工时填土荷载是按照一定的施工速率逐渐填筑加载而非瞬间填到设计高度这一实际情况，设计时采用有效固结应力法进行稳定验算，稳定安全系数F计算式如下：

（2）沉降计算

地基总沉降计算方法采用经验系数法，即S=msSC。式中，SC为主固结沉降；ms为经验系数，与地基条件、荷载强度、加荷速率等因素有关。

主固结沉降通常采用分层总和法，根据地质资料本工程采用压缩模量法进行计算。

对于复合地基设置的垫层，一般认为其压缩量很小，在施工过程中已基本完成，故垫层沉降量一般忽略不计。

（3）计算实例

以K15+770处计算为例，采用理正软土地基路堤设计软件计算，如图 2、3、4所示。

路基填筑至设计标高6.5m+路面换算土柱高1m的超填预压土，即7.5m。砂桩间距1.2m。

①稳定验算

最不利位置处在圆心(-2.142858，13.928570)(m)、滑动半径26.817139(m)处，稳定安全系数K=1.202。详见图2所示。

图2 K15+770处加载稳定计算图

②沉降计算

路面竣工时，地基沉降=0.796(m)

路面竣工后，基准期内的残余沉降=0.061(m)

基准期结束时，地基沉降=0.856(m)

最终地基总沉降采用经验系数法，计算得 0.955(m)。

本段软土时间、填土、沉降、固结度之间的关系如图3、图 4所示。

图3 时间-填土-固结度曲线图

图4 时间-填土-固结度曲线图

综上，本项目稳定及沉降计算结果均满足规范要求。

3 设计和施工中注意的问题

（1）料源

由于项目区中粗砂料源短缺，而外购价格高昂。经多方论证，决定利用项目周边丰富的优质海砂作为砂桩填料来源。在成桩28d后，施工单位对砂桩进行重Ⅱ型动力触探检测，标贯试验检测以每贯入30cm为阵击锤击数，检测依据合同图纸设计和 《建筑地基处理技术规范》，并以贯入30cm的N63.5锤击数不小于8击为标准来判定砂桩密实度是否合格，对砂桩挤密效果以不少于总桩数的2%抽查频率进行。共对70根桩进行检测，检测结果：N63.5锤击数贯入30cm平均锤击数在12～16之间，指标离散值小，处中密状态，基本达到了预期的要求。

（2）砂桩充盈系数

设计中，砂桩充盈系数取1.3。但在砂桩试桩过程中，砂桩每m灌砂量均有不同程度的大于0.26m3（设计值），会达到每延米0.28～0.29m3。经分析认为，主要是由于桩周软土力学性能差所致。该段路基软土的不排水剪强度小于20kPa，软土对砂桩的径向支持力较小，砂桩桩体容易产生鼓胀，故每延米灌砂量会有所增加。因此，通过本工程施工结论，建议滩涂软土砂桩充盈系数适当取大值，取1.45～1.5较为合适。从本工程砂桩的检验结果表明，沿海滩涂软土地基可以采用砂桩加固法，但必须严格控制各项施工指标。

（3）软土地区路堤填土高度控制

在初步设计阶段，该段路堤填土高度为4.3～9.5m，但根据详勘阶段地质报告给出的软土力学指标，该段软土稳定验算和沉降计算均不满足规范要求。建议路线组调低该段路基填土高度。经现场踏勘及专家指导，在不影响路线设计标准及线形要求的情况下，对局部路线进行纵坡调整，考虑砂桩预压需超填1m，将该段路线路基设计填土高度调整为3.4～6.5m。路基设计高度调整后，稳定验算和沉降计算能满足规范要求。路基施工后根据连续观测数据，路基中心沉降及路基坡脚侧向位移均满足设计及规范要求。

4 搭设满堂支架地基承载力计算分析

4.1 支架搭设方案

本工程采用碗扣式满堂支架，采用Φ48×3.5的钢管作为支架横杆和立杆。搭设支架时逐联搭设，张拉结束后方可拆架。经受力验算，中部和端部横墙处立杆间距采用0.6m×0.6m，箱梁腹板处立杆间距为0.6m×0.6m，其余位置立杆间距为0.6m×0.9m，立杆步距为1.2m。立杆底托下纵向设置5×10cm方木，方木放置于硬化后的混凝土顶面，立杆顶托上纵向放置Ⅰ12工字钢，在工字钢上横向设置轴线间距为30cm的10×10cm方木，在方木上安装1.5cm厚的胶板底模，如图5所示。

支架搭设过程中，要经常对支架搭设质量进行检查，做好过程控制。过程中主要检查支架立杆的竖直度、立杆间距，扫地杆布设的高度，顶、底托外露长度，上碗扣是否锁紧，纵横向及水平向剪刀撑间距是否严格按方案施工。支架搭设达到设计高度后，要求项目部组织进行全面的检查和验收，验收合格后报总监办，由总监办组织项目部等技术人员再次共同对支架安装进行整体质量验收；参加人员现场应填写支架搭设验收表，确保支架搭设质量有据可查。

图5 箱梁满堂支架设计横断面示意图

4.2 立杆受力验算

据《路桥施工计算手册》，采用Φ48×3.5碗扣钢管作支架，当横杆步距为1.2m时，对接立杆的容许荷载[N容]=33.6kN。根据支架设计图，横梁及腹板区受力最不利处的平均每平方米布置了 1/（0.6×0.6）=2.78根钢管，箱室底板受力最不利处的平均每平方米布置了1/（0.6×0.9）=1.85根钢管。

以立杆上方的顶托受力最大的立杆作为验算对象，则立杆底部承受竖向荷载为：（1）腹板下：N=60.52 kN/m2/2.78 根/m2=21.77kN＜[N容]=33.6kN；（2） 横梁下：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。单根立杆承受荷载满足容许荷载要求。

4.3 地基承载力计算

立杆基础底面的平均压力P=N/A，腹板底部最大荷载N=21.77kN，立杆底部钢垫板尺寸15cm×15cm，条形枕木与混凝土硬化垫层总厚度为15cm，基础应力扩散角取 45°，则基础顶部承压面积 A=0.45×0.45=0.20m2，基底平均压力P=21.77/0.20=109kPa。安全系数取1.5，现场地基承载力 f＞109×1.5=164kPa。

经现场轻型触探试验显示，地基承载力容许值小于150kPa，最小值为85kPa，需对地基进行处理，才能满足承载力要求。

4.4 软基处理后的表面处理

本工程现浇连续箱梁顺桥向穿越软基，为了确保现浇箱梁的支架稳定，减少不均匀沉降，支架搭设前需将经砂桩处理后的软基进行清理，结合本工程实际情况，地基采取以下处理方法：

（1）对于砂桩处理后的软基部分，首先挖除40cm厚地表土，挖除后采用触探仪进行地基承载力检测，要求地基承载力达到150kPa，如达不到要求则应加深开挖换填深度；进行整平，然后在地基两侧挖排水沟，降低地基含水量，并用压路机压实地基，压实度达到90%以上。上面铺设30cm厚级配碎石，再用压路机将其压实，在其顶部浇筑15cm厚C15砼。

（2）对于承台基坑回填部分，为减小不均匀沉降，先清除积水和稀泥，填筑材料及方法同上。上部铺50cm级配碎石振动压实，再浇筑15cm厚的C15砼。

因地基处理的好坏直接影响后续支架及现浇箱梁的稳定，要求项目部施工前应严格做好技术交底工作，按方案组织施工，每道工序完成后须经监理工程师确认合格后方可进入下道工序。支架地基处理应大于支架两侧临边外沿线50cm，过程中应严格做好压实度检测并确保砼浇筑厚度，确保地基处理质量。

4.5 地基容许应力值

当基底作用竖向集中力P时，基础中心点下竖向附加应力沿深度方向曲线减小，支架基底最大压力为109kPa，由布辛奈斯克公式可求得换填深度1m处竖向附加应力σ=52kPa，小于地基承载力最低值85kPa，说明下卧土层地基承载力满足要求。根据《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTGD63-2007）表4.5.4的规定，碎石垫层地基承载力容许值为200～300kPa，满足支架施工对地基承载力的要求。

4.6 最终沉降量估算

承载力表现为强度与稳定性两个方面，地基承载力容许值是地基的强度指标，地基稳定性还需检验支架预压沉降量。《钢管满堂支架预压技术规程》（JGJ/T194-2009）规定，对支架基础代表性区域的预压监测过程中，当最初72h各监测点的沉降量平均值小于5mm时，应判定同类支架基础的其余部分预压是否合格。一般预压过程任务繁重，要了解土的压缩性能，亦可通过计算地基最终沉降量，验算基础沉降量是否满足规范要求；压缩模量可通过荷载板试验确定，最终沉降量计算可采用土力学弹性理论方法。

（1）荷载板试验

采用《公路路基路面现场测试规程》（JTG E60-2008）承载板测定地基回弹模量试验法，加载设施为一后轴重≥60kN的载重汽车，轮胎充气压力0.50MPa；刚性承载板厚20mm，直径为30cm；加载装置由千斤顶、测力环与压力表组成，回弹变形由弯沉仪检测。

从基底原泥浆池区和非泥浆池区分别选取两处代表性区域进行荷载板试验，支架基础变形P-L曲线如图6所示，对数据点进行线性拟合，相关系数分别为0.981和0.989，说明荷载压强0.4MPa范围内，P-L为线性相关曲线；曲线起始段并不存在反弯现象，表明地基表层已碾压密实。取结束试验前的各回弹变形值，按线性回归方法由公式（1）计算土基回弹模量 值。

式中，D为荷载板直径；μ0为土泊松比，对碎石土取0.3。

最终计算可得原泥浆池区地基回弹模量为265.2MPa，非泥浆池地基回弹模量为245.7 MPa。

图6 P-L曲线图

（2）最终沉降量估算

将每个支架立杆视作一个独立基础，传递到换填土基顶部的平均压力视为基底附加应力，受力面积为最终沉降量估算0.45m×0.45m，计算出基底最大沉降，即可预测满堂支架预压沉降值。基底最大应力109kPa，考虑1.2的预压荷载系数，基础底面最大应力p=109×1.2=131kPa，处于荷载板试验P-L曲线的线性范围内，因此，可通过弹性理论公式（2）计算最终沉降量。

式中，基础底面平均压力p=131kPa，基础宽度b=0.45m，土泊松比 μ=0.3，变形模量 E0=245.7MPa，查表得沉降影响系数E0=0.88，计算最终沉降量s=0.19mm，与规范规定的5mm相比甚小，足以表明支架基础满足施工要求，不均匀沉降可以忽略不计。

5 结语

满堂支架地基处理质量一般采用预压验收的方式进行检查，包括支架基础预压、支架预压、沉降量观测等，操作任务繁重、工效较低。本文对地基处理从两个方面进行承载力验算：（1）通过查表确定换填土层的地基承载力容许值大于支架基底最大应力；（2）进行荷载板试验，确定地基变形模量，计算支架最终沉降量，结果显示支架沉降量远小于规定值。试验操作简便，能快速得到最终沉降值，为支架的安全施工提供了有益的参考。