马桥MQ6砂桩试验.docx
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马桥MQ6砂桩试验
马鞍山长江公路大桥MQ-06合同段
北锚碇沉井地基处理试验
技
术
方
案
编制：
审核：
中交二航局马鞍山长江公路大桥MQ-06合同段项目经理部
2009年11月
目录
一、工程概述及方案编制1
1.1工程概述1
1.2工程地质概况1
1.3编制目的2
1.4编制依据2
1.5编制范围2
二、复合地基设计3
2.1换填层设计3
2.2砂桩设计计算3
2.3复合地基对比分期试验设计6
三、复合地基试验施工7
3.1砂桩施工7
3.1.1砂桩施工工艺7
3.1.2砂桩质量控制指标及措施7
3.1.3冬季施工控制措施8
3.2换填层施工8
四、复合地基试验检测10
4.1检测试验目的10
4.2检测试验依据10
4.3检测人员及设备配置10
4.4试验方法10
4.5试验内容12
4.6承载力基本容许值的确定13
4.7一期砂桩试验13
4.7.1试验分组13
4.7.2试验原理14
4.7.3试验场地14
4.7.4一期试验步骤安排15
4.8二期复合地基试验15
五、安全、环保措施17
5.1安全目标17
5.2安全控制措施17
5.3环保措施17
5.3.1大气污染的防治措施17
5.3.2水污染的防治措施17
5.3.3噪声污染的防治措施18
5.3.4固体、废弃物的处置措施18
六、工期安排19
6.1工期目标19
6.2工期控制措施19
附录21
1、前三节总重量计算21
2、刃脚与隔墙支撑端总面积21
3、回填垫层的侧摩阻力计算21
一、工程概述及方案编制
1.1工程概述
马鞍山长江公路大桥位于安徽省东部，起自巢湖市和县姥桥镇省道206，接规划中的马鞍山至合肥高速公路，跨江后进入马鞍山市，终点止于马鞍山市当涂县牛路口（皖苏界），与规划中的马鞍山至溧水公路（江苏段）相接，路线全长约36.14km。
北锚碇基础采用沉井基础。
沉井长和宽分别为60.2m和55.4m（第一节沉井长和宽分别为60.6m和55.8m），沉井高41m，共分八节，第一节为钢壳混凝土沉井，高8m；第二至第八节均为钢筋混凝土沉井，其中2-6节为5m高，第七节为3.5m，第八节为4.5m。
沉井中心里程为K6+546.90m，沉井顶面标高为＋4.5m，基底标高为-36.5m，基底置于中密的中砂层。
沉井为普通钢筋混凝土结构，共分为25个井孔，第一节钢壳沉井在工厂加工预制，最后在施工现场就位拼装成整体。
首节沉井以钢壳体为模板浇筑混凝土，形成钢壳混凝土沉井。
第二节到第八节为钢筋混凝土沉井，均为现场浇筑。
1.2工程地质概况
北锚碇位于和县江堤外侧，南距和县长江大堤约240m，墩位处地面高程5.0~6.1m，主要为耕地及水塘。
地表覆盖层厚约45m，自上而下依次为可塑状粉质粘土（厚2.5~3.5m）、流塑状淤泥质粉质粘土（厚15~16m）、稍密状~中密状粉细砂（厚18~22m）及中密状中砂（厚4~10m）。
下伏基岩为砂质泥岩及砂岩，岩面平缓，高程在-39~-40m之间，其中砂质泥岩岩质软，遇水易软化，属低耐久性岩石；砂岩岩质较硬，属坚硬岩，是良好的基础持力层。
表1-1北锚碇区地质土层参数一览表
土层编号
地层标高
m～m
岩土名称
岩土特征
地基容许承载力值[σ0]（kPa）
钻孔桩桩周极限摩阻力τi（kPa）
沉桩桩端土极限承载力值[σr]（kPa）
沉桩桩周土极限摩阻力τi（kPa）
①0
+2.6～+6.1
粉质粘土
可塑状态
100～110
30～35
35
①1
-11.9～+2.6
淤泥质粉质粘土
流塑状态
90
25
1000
25
①2
-24.7～-11.9
粉砂
饱和中密
100～130
35
2000～2500
35～40
②1
-28.1～-24.7
细砂
饱和中密
160～180
40～50
3000
45～50
②2
-39.1～-28.1
中砂
中密
200～350
55～60
5000～6000
60～65
从表中可以看出地基土质松软，由于沉井规模庞大，因此下沉过程中就存在地表一定范围内地基承载力不够，需临时加固地基。
1.3编制目的
根据沉井总体施工方案，沉井前三节一次接高下沉。
为保证第一、二、三节沉井的施工质量，沉井在前三节接高过程中，地基应有足够的均匀承载力，在原地基承载力不能够满足设计要求的条件下，需对沉井下的地基进行加固处理。
沉井地基采用砂桩复合地基法进行加固，加固后的地基承载力、加固的深度和影响范围等需通过地基处理试验确定。
通过砂桩试验，确定在满足设计要求的条件下，合理的砂桩间距、入土深度，从而选择经济、可行的处理方案。
1.4编制依据
（1）《马鞍山长江公路大桥左汊主桥北锚碇土建工程施工（MQ-06合同段）招标文件项目专用本》
（2）《马鞍山长江公路大桥跨江主体工程——MQ-06合同段招标图（左汊主桥北锚锭）》
（3）《马鞍山长江公路大桥跨江主体工程南北锚碇参考资料》
（4）《马鞍山长江公路大桥左汊主桥锚碇土建工程施工项目（MQ-06、MQ-07合同段）补遗书（第1号）》
（5）《公路桥涵施工技术规范》（JTJ041-2000）；
（6）《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTGD63-2007）；
（8）《建筑地基处理技术规范》（JGJ79_2002）；
（9）《建筑地基基础设计规范》（GB50007_2002）；
其它相关国家标准、行业标准、技术条件及验收方法等。
1.5编制范围
北锚碇沉井地基处理试验方案编制范围：
一期进行3组试验桩的平板载荷试验；二期进行地基加固后的平板载荷试验。
二、复合地基设计
本工程沉井规模庞大，浅表地基承载能力差，根据下沉计算并结合工期考虑，第一、二、三节沉井在地表以上一次性接高，为保证沉井的施工质量，需保证地基有足够的承载力。
由于地表原状土为软土，故提出以下加固方案：
先用砂桩加固深14.5m范围内的软土，再用级配较好的碎石和砂换土，砂垫层厚为2.5m，夯实，并根据设计设置土模供沉井施工之用。
2.1换填层设计
前三节沉井的总重量为G=56076t，接高中沉井刃脚踏面入土2.6m，隔墙支撑于地基之上，其支撑端面积共为S=1025.28m2，回填土侧摩阻力
=2796t，则所需要的极限地基承载力为：
依据施工经验，考虑1.25的抗力系数，则地基处理后极限承载力不小于649.6kPa，依据施工经验，地基承载力基本容许值的2倍作为地基的极限承载力，对应的地基基本容许承载力为649.6/2=324.8kPa。
换填垫层采用2.5m深50%粉砂+50%石屑垫层，以满足沉井施工所需要的承载力。
图2-1井壁及隔墙下垫层情况图
2.2砂桩设计计算
设计荷载为第一、二、三节沉井重量，另加0.2t/m2的施工荷载。
井壁及隔墙下垫层受力情况如图2-1所示：
垫层下卧层土体为粉质粘土层，其承载力基本容许值为90kPa，小于沉井施工所需承载力，故沉井施工前，对沉井井壁及隔墙底部下卧层进行砂桩加固，地基承载力满足第一、二、三节沉井混凝土重量。
施工中首先进行4.1m基坑开挖，然后进行砂桩施工，砂桩施工完再进行0.5m开挖，最后进行2.5m的50%粉砂+50%石屑垫层施工，垫层表面顶标高为+4.0m。
假设沉井的全部荷载由沉井井壁及隔墙底部复合地基承受，则：
扩散到砂垫层底面的土压力
Z与垫层土的自重应力
C之和
H应小于或等于该处下卧层顶面地基的承载力，即
H≤[
H]
（1）下卧层承载力计算
由土力学公式
相应得下卧层承载力计算公式为：
，其中
G—第一、二、三节沉井自重及施工荷载的合力，施工荷载按0.2t/m2进行考虑，则可求出G=1489.7+（7690+7053+6821）×2.5+0.2×60.6×55.8=56076t；
L1、L2—井壁半刃脚及隔墙中心线长，L1=232.80m，L2=411.2m；
B1、B2—井壁及隔墙底宽度，在井壁全刃脚状态，计算得B1=2.0m，B2=1.4m；
—砂垫层应力扩散角（
）正切值，
=0.727；
H1—井壁刃脚下砂垫层厚度，为2.0m；
H—井壁处砂垫层厚度，为3.8m；
γ砂—砂容重取1.8t/m3。
所以要求下卧层顶面地基极限承载力[
H]≥199kPa，沉井施工以极限承载力计算，依据施工经验，地基承载力基本容许值的2倍作为地基的极限承载力。
取1.25的抗力系数，则下卧层地基承载力基本容许值需达到
（130.6/2）×1.25+68.4=150.0kPa。
（2）砂桩置换率计算
由于下卧层承载力不能满足要求，需采用砂桩进行置换，使砂桩复合地基的承载力基本容许值达到150.0kPa。
根据《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2002）求置换率m：
；
式中：
—振冲桩复合地基承载力基本容许值（kPa），
=150kPa；
—处理后桩间土承载力基本容许值（kPa），取开挖4.6m深处粉质粘土地基承载力基本容许值，根据地质资料得
=90kPa；
m—桩土面积置换率；
n—桩土应力比，即
与
的比值，
=300kPa；
由以上公式及数据可得：
；
（3）砂桩间距确定
由于下卧层承载力远达不到设计要求，故在下卧层主要承载范围内设置砂桩，以增加下卧层承载力。
砂桩直径考虑0.5m，采用梅花形布置，粘性土地基，根据《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2002）求出砂桩的间距L：
；
式中：
L—砂桩间距（m）；
—砂桩的截面积（m2）；
m—桩土面积置换率；
由以上公式及数据可得：
；
依据施工经验，砂桩间距取85cm。
2.3复合地基对比分期试验设计
1、对比试验
通过计算求出砂桩间距为89.5cm，故选取85cm、100cm、120cm三种桩间距进行分组试验。
试验砂桩桩径0.5m，每组7根，梅花形布置，中心间距0.85m、1.0m、1.2m三种。
至规定成桩时间后开挖30-50cm用堆载法对中心处砂桩进行平板载荷试验。
另外，地质资料显示，从地表以下2层为粉质粘土、淤泥质粉质粘土，换填前应先进行适当降水，再将土层清除掉。
2、分期试验
复合地基砂桩试验主要分两期进行，具体情况如下：
（1）、第一期：
前期3组试验桩的平板载荷试验，通过该期试验确定合理的砂桩间距、入土深度，从而选择经济、可行的处理方案。
（2）、第二期：
地基加固后的平板载荷试验，选择具有代表性的7个点（井壁下、隔墙下、井壁与隔墙交点处、隔墙与隔墙交点处）进行平板载荷试验，检验处理后的地基是否满足设计要求（地基承载力基本容许值大于324.8kPa）。
三、复合地基试验施工
3.1砂桩施工
3.1.1砂桩施工工艺
根据我单位以往的现场施工经验，拟采用如下的施工技术措施：
整平原地面→机具定位→桩管沉入→加料压密→拔管→机具移位。
（1）清理整平场地，清除高空和地面障碍物，开挖施工排水沟。
（2）按设计标高开挖整平到位。
（3）对桩位进行编号，以先中间后周边为序，注明于布桩图上，然后在场地上采用全站仪测量放线，布设桩位。
（4）导管必须高出设计桩长3～5米，桩头活页平底式。
（5）桩机就位，移机对准桩位，找平桩机校正机架垂直度。
校正桩管垂直度不大于1%，校正桩管长度及投料口的位置，使之符合试桩确定的桩长，在桩位处铺设少量砂。
提升桩管，将桩头活页闭合。
（6）利用沉管自重和钢丝绳加压沉入土中一定深度，然后开动振动锤，施振至设计标高。
（7）在桩管内灌满水，使砂料呈饱和水状态。
（8）应按桩孔体积和砂在中密状态时的干密度计算其实际灌砂量，然后按1.35松方系数估算用料量，一次上足或分两次投料。
亦可超量投砂，即增投砂量，当桩管全部拔出地面时，仍剩余一些砂料。
（9）边振边均匀缓慢拔出桩管，直至桩管全部拔出。
一般情况下，拔管1m控制在30秒内，每拔起0.5m停拔续振动20秒。
（10）在孔口部位进行反插。
（11）移动机具，至下一桩施工。
（12）施工完毕后，整平场地，测量标高，整理施工记录。
3.1.2砂桩质量控制指标及措施
1、砂桩施工控制指标：
表3-1挤密砂桩施工允许误差
次序
项目
单位
允许误差
检查方法和频率
1
桩距
mm
±150
抽查2%
2
桩长
mm
不小于设计
抽查施工记录
3
桩径
mm
不小于设计
抽查2%
4
竖直度
%
1.5
抽查施工记录
5
灌砂量
m3
不小于设计
抽查施工记录
砂石桩的施工质量检验可采用单桩载荷试验。
对桩体此次试验采用标准贯入试验，要求锤击数不少于15。
2、施工控制措施
挤密砂桩施工不当或技术要领把握不住，极易留下质量隐患，严重影响处理效果。
本标段拟从以下方面控制砂桩施工质量。
（1）若灌砂量不足，砂的含水率不佳或加水量不足，就会引起成桩桩身密实度不足，引起疏松现象。
因此要严格控制投砂量，桩管内的加水量必须充足。
（2）沉桩时桩管竖直度不够，或受邻桩振冲影响，容易引起已成砂桩倾斜。
因此成桩时要经常校正桩管竖直度，相邻桩应间隔跳跃施工，避免相互间震动影响。
（3）桩底空松或桩底端料少或无料会引起短桩，沉管时遭遇局部硬土层或孤石，处理不当也会造成桩长不够。
拔管前必须灌满砂料，并留振1min。
（4）三次投料不合理，反插深度和次数有误会都会引起砂桩缩径，必须改变投料量比例，改变反插深度和次数以满足要求。
（5）断桩是施工中常见病害，造成的原因有反插深度有误、塌孔、卡管活页打不开等。
要严格按工艺性试桩提供的技术参数控制拔管高度和拔管进度，否则易出现断桩，不能保证桩身的连续性。
（6）卡管为成桩中常见现象，要整修活页，使活页开启灵活打开。
（7）保持桩机垂直度，桩管偏差小于桩长的1%，充盈系数≥1.35，且砂密实。
3.1.3冬季施工控制措施
（1）做好冬季施工人员的防寒保护工作，按国家劳保规定发放防寒手套、防寒服、防寒帽等。
（2）做好物资、设备的防潮、防霉工作，减少浪费。
（3）在霜冻来临之前，对人行梯或脚手架及施工现场等均应采取防滑措施。
（4）冬季施工期间加强对机械设备的保暖维护工作，保证设备能正常运转。
3.2换填层施工
复合地基试验的换填层在砂桩施工完成后进行，基坑开挖后，采用50%粉砂+50%石屑填筑一定高度，用HCD80型振动冲击夯进行夯实，冲击夯性能参数见下表
表3-2HCD80型振动冲击夯性能参数表
序号
名称
跳起高度（mm）
前进速度（m/min）
冲击次数（次/min）
冲击能量（N.m）
电动功率（KW）
1
振动冲击夯
40~60
≥8
420-650
56
2.2
四、复合地基试验检测
4.1检测试验目的
在满足设计要求地基承载力的条件下，确定更经济、可行的加固处理方案。
4.2检测试验依据
《建筑地基基础设计规范》（GB50007—2002）；
《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTGD63-2007）。
4.3检测人员及设备配置
本次试验委托武汉港湾工程质量检测中心负责试验并出具相应的试验报告。
表4.1检测人员配置
序号
工种
人数
备注
1
管理及后勤人员
10
2
技术及质检人员
5
3
安全员
1
4
起重组
2
5
测量组
5
6
电工组
2
7
机修组
2
8
试验组
10
合计
37
表4-2检测设备配置
序号
检测方法
名称
型号
数量
备注
1
荷载试验
千斤顶
QW-1000
1台
2
油压表
100MPa
1只
3
百分表
0-50mm
4只
4
基准梁
槽钢
2根
5
钢性承压板
根据桩径选择
3块
6
反力设备
1000kN反力架
1套
7
试验荷载
黄沙或垫块
40吨
4.4试验方法
本次砂桩检测试验拟采用以下的检测流程：
图4.1复合地基检测流程
（1）试验加载装置采用重力梁体系。
试验采用1台QW-1000型最大作用力为1000kN油压千斤顶加载，并使千斤顶作用力通过复合地基中心。
位移观测采用大量程百分表测量。
（2）试验前，配重物（根键）一次性加上，并均匀稳固地放置于平台上，平台由两边支承次梁，次梁上放置试验配重。
（3）加载时，由平放于试桩顶面中心的千斤顶将反力传递给主梁，再传给次梁及平台上的配重物。
（4）试验加载方式采用慢速维持荷载法即逐级加载。
每级荷载达到相对稳定后加下一级荷载，直到试验达到要求的最大加载值。
然后跳级卸载至零。
图4-2试验堆载放置示意图
4.5试验内容
试验加载方法：
采用慢速维持荷载法，即逐级加载，每级荷载达到相对稳定后加下一级荷载，直到试验达到设计要求的加载值，然后分级卸载到零。
荷载分级：
加荷等级分为8级，总加载量为设计要求值的2.0倍。
沉降观测：
每加一级荷载，在加荷前后应各读记压板沉降一次，以后每半小时读记一次。
每次测读值记入试验记录表。
沉降相对稳定标准：
当一小时内沉降增量小于0.1mm时即可加下一级荷载。
终止加载条件：
当出现下列情况之一时，即可终止加载：
（1）沉降急剧增大、土被挤出或承压板周围出现明显的隆起；
（2）承压板的累计沉降量已大于压板宽度的6%；
（3）加载至设计要求的最大加载值。
卸载：
按加载级一半（4级）等量进行，间隔半小时，读记回弹量，待卸完全部荷载后间隔三小时读记总回弹量。
4.6承载力基本容许值的确定
承载力基本容许值的确定应符合下列规定：
（1）当P－s曲线上极限荷载能确定，而其值不小于对应比例界限的2倍时，可取比例界限；当其值小于对应比例界限的2倍时，可取极限荷载的一半；
（2）当P－s曲线是平缓的光滑曲线时，可按相对变形值确定：
对砂石桩的复合地基，可取s/b=0.015所对应的荷载。
按相对变形值确定的承载力基本容许值不应大于最大加载压力的一半。
4.7一期砂桩试验
通过现场试验砂桩的施工工序控制，单桩载荷试验结果分析。
确定在本项目地基处理中砂桩施工工艺的合理套管往复挤压振动次数与时间，套管升降幅度与速度，填料类型、每次填料量等参数。
并通过载荷试验结果验证加固方案拟定的桩径、桩距和布置形式等参数。
制定可行的砂桩加固方案加以实施。
4.7.1试验分组
根据以往施工经验并结合本项目特点，一期试验拟进行以下3组砂桩试验，每组7根砂桩，梅花型布置，试验时砂桩入土深度为17m，底标高为-12.5m。
具体分组情况如下：
表4-3砂桩试验分组情况表
组号
间距（m）
桩长（m）
桩身材料
换填材料
备注
试验一
0.85
17.0
中粗砂
50%石屑+50%粉砂
试验桩顶标高按+4.5m考虑
试验二
1.0
17.0
中粗砂
50%石屑+50%粉砂
试验三
1.2
17.0
中粗砂
50%石屑+50%粉砂
砂桩试验所用材料规格及数量见表4-4。
表4-4砂桩试验所用材料数量表
序号
组号
中粗砂（m3）
备注
1
试验一
23.1
考虑1.35的松方系数，共计中粗砂93.6m3
2
试验二
23.1
3
试验三
23.1
合计
69.3
4.7.2试验原理
通过对复合地基承载力的计算，扩散到砂垫层底面的土压力
Z与垫层土的自重应力
C之和
H应小于或等于该处顶面地基的承载力基本容许值
H＝150.0kPa。
以1.2m桩距为例，根据试验规程，1.2m桩距试验所用承压板尺寸为1.12m×1.12m，承压板厚度均为3cm。
成桩时间达到后，开挖30-50cm，在中心砂桩处铺上5-10cm的砂垫层找平地面，砂垫层由50%粉砂+50%石屑构成，然后进行单桩平板荷载试验。
1.2m桩距组砂桩试验示意图及布置如下图。
图4-3砂桩及垫层布置图
在满足砂桩承载力基本容许值时对应的检测配重为：
表4-5砂桩承载力150kPa时不同桩距对应的检测配重
序号
间距（m）
承压板尺寸（m）
对应检测配重
（t）
1
0.85
0.79×0.79
18.7
2
1.0
0.94×0.94
26.5
3
1.2
1.12×1.12
37.6
4.7.3试验场地
一期试验场地选择在沉井基础范围内井孔位置，场地整平后从地面开挖至+4.5m标高位置处即可进行砂桩施工，试验范围内如有水池，先把池内水及泥浆排挖干净，回填夯实。
一期试验场地可根据现场实际情况进行调整。
3组试验场地如图所示：
图4-4一期试验布置图
4.7.4一期试验步骤安排
首先进行试验一：
即按照设计所要求的桩径0.5m，桩距0.85m，桩顶标高+4.5m，桩底标高-12.5m，桩体材料为中粗砂进行现场试验，此组为试验中地基加固最强一组，此试验在满足设计要求的情况下，依次按地基加固从强到弱的顺序进行试验，通过对试验数据的分析，以确定经济、合理的试验组。
试验桩施工时做好详尽的现场记录，观察和记录沉管深度、拔管高度及反插深度，详细记录每一次的灌注量、拔管高度、反插深度及成桩时间。
载荷试验完后必须提交试桩试验报告。
重点阐述桩身材料、桩身材料密实度、桩距、桩长，总结评价施工工艺、施工质量、加固效果。
4.8二期复合地基试验
根据复合地基一期试验结果，在满足承载力前提下选择经济、合理的方案作为沉井地基加固方案，施工完成后，在沉井地基受力较大的特征点进行原位试验，以检验地基加固方案能满足沉井施工要求。
试验原理与一期试验原理相同。
复合地基的二期试验场地位于沉井基础内，砂桩施工完成后开挖基坑至标高+1.5m，进行换填施工，施工完成后检测复合地基承载力是否满足施工要求。
二期试验根据沉井底部受力，在井壁下、隔墙下、井壁与隔墙交点处、隔墙与隔墙交点处等7个关键点进行二期复合地基承载力试验，试验点布置如图4-5所示：
图4-5二期试验测点布置图
五、安全、环保措施
5.1安全目标
马鞍山大桥“零伤亡”，确保不发生较大的安全生产事故。
5.2安全控制措施
1、加强安全意识及安全技术的教育，各工种严格执行操作规程。
2、设专、兼职安全员，加强施工全过程的安全监督，发现问题及时整改。
3、施工人员必须穿戴好防护用品，如安全帽等。
4、施工平面的空档处必须系挂好安全网或铺设脚手板。
5、在高边坡等区域应加设栏杆。
6、加强用电的规范管理。
严禁私拉乱接电缆线。
5.3环保措施
5.3.1大气污染的防治措施
防治大气污染的重点是控制煤烟污染、控制机动车尾气污染以及控制扬尘污染。
a、控制煤烟污染
①、严格执行《低硫优质煤及制品》标准，强行推广使用低硫低灰优质煤。
②、发展液体燃料。
采用轻柴油替代小煤炉。
③、积极利用电等清洁能源，热水、采暖尽量使用电器设备。
b、控制扬尘污染
①、对易产生扬尘的砂石料，进行遮盖或适当洒水，淘汰落后工
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