开兰特大桥临时支架地基处理方案优选

李青，叶朝良，赵任龙

(石家庄铁道大学土木工程学院，河北石家庄050043)

开兰特大桥临时支架地基处理方案优选

李青，叶朝良，赵任龙

(石家庄铁道大学土木工程学院，河北石家庄050043)

郑州至徐州客运专线开兰特大桥采用临时支架进行现浇梁体的施工。梁体自重较大，天然地基承载力低，无法满足承载力及变形控制要求。因此，现浇梁临时支架的地基处理对确保桥梁线形控制和施工安全至关重要。本文结合开兰特大桥临时支架地基处理工程实例，从适用性、承载力、沉降控制、工程造价等多方面对高压旋喷桩、CFG桩、柱锤冲扩桩和灰土垫层4种地基处理方案进行比选，最终选取高压旋喷桩复合地基处理方法为最优方案。

临时支架 地基处理 方案优选 高压旋喷桩

临时支架法现浇预应力混凝土连续箱梁在桥梁工程中是一种较为常见的施工方法，最近几年，随着公路、铁路交通基础设施建设的高速发展，采用临时支架法进行桥梁施工也越来越普遍［1］。临时支架的地基处理方法繁多，同一工程会有很多适宜的处理方法。目前，对于临时支架地基处理方法的研究较少［2-6］。地基处理方案优选对工程质量、工期及成本控制有着极其重要的作用。地基处理方案的恰当与否，关系到整个工程的安全、质量、投资和进度，其重要性已愈来愈多地被人们所认识［7］。通常地基处理方案优选是以经济为单目标优化准则做出的，由于地基的特殊复杂性，其方案的确定应将地质条件、施工条件、环境条件及工程经济条件等综合考虑［8］。

郑州至徐州客专开兰特大桥采用临时支架进行施工。临时支架地基处理对桥梁施工及其线形控制极其重要，严格控制地基沉降的同时还应保证地基处理方案的技术可靠性和经济合理性。

1 工程概况

郑徐客专开兰特大桥位于开封至兰考段内，桥址范围内地势较为平坦。为了缩短工期，采用临时支架进行梁体现浇施工。临时支架剖面如图1。梁体为单箱单室、变高度、变截面结构。箱梁顶宽13.4 m，底宽7.0 m，高5.20～9.20 m。梁体截面面积大，自重大。天然地基承载力低，地下水埋深较浅，在梁体荷载作用下变形大，无法满足承载力及变形控制要求。

图1 开兰特大桥临时支架剖面(单位:cm)

临时支架采用钢筋混凝土矩形基础，宽度为18.8 m，长度根据不同梁高和分段梁体重量分别采用6，8，10 m 3种。基础埋深0.3 m，基底均布压力为160 kPa。地基土层多由粉土、粉质黏土，细砂组成，各土层名称、物理力学性质指标见表1。

表1 土层物理力学性质指标参数

2 地基处理方案比选

根据工程情况及地质特征初步提出4种地基处理方案:①高压旋喷桩复合地基;②CFG桩复合地基;③灰土垫层;④柱锤冲扩桩复合地基。为了保证高压旋喷桩法、CFG桩法和柱锤冲扩桩法各方案的可比性，其初步设计参数(桩长12，16，20 m;桩径600 mm;桩间距1.8 m;桩布置成三角形式)完全相同。

灰土垫层宽度的确定，除应满足压力扩散的要求外，还应考虑侧面土的强度条件。垫层顶面每边超出基础底边应大于z tanθ，且不得小于300 mm，如图2所示。

图2 垫层宽度取值示意(单位:mm)

2.1 适用性比较

高压旋喷桩复合地基对淤泥、淤泥质土、粉土、流塑或软塑黏性土、砂土、黄土、碎石土、素填土和人工填土都有良好的处理效果。具有设计方法简单灵活、施工机具简单、施工速度快、以及施工中基本不产生环境污染等优点。CFG桩复合地基适用于处理黏性土、粉土、砂土和正常固结的素填土等地基。具有施工速度快、工期短、质量易于控制且工程造价低等优点。灰土垫层适用于处理各类浅层(3 m以内较为经济合理)软弱地基。对于大面积换填处理，一般需采用大型机械设备;地基土体地下水位高时，需要采取降水措施。施工土方量大、弃土多，工程费用增高，工期拖长，对环境的影响增大。柱锤冲扩桩复合地基对地下水位以下的饱和土层冲孔时塌孔严重，有时甚至无法成孔，成桩过程中地面隆起严重，桩底和桩间土挤密效果不明显，桩身质量较难保证［9］。

本工程中，临时支架地基土体处理深度范围内多为粉土、黏性土、砂土，且地下水埋深较浅，距地面1 m左右。根据工程情况及地质特征，初步拟定高压旋喷桩法、CFG桩法、灰土垫层法3种方案。

2.2 地基承载力对比

复合地基承载力的确定有2种方法［10］。

1)桩土应力法

式中:m为面积置换率;fs为天然地基承载力;n为桩土应力比。

2)规范法

式中:qpk为桩侧阻力标准值;qsik为桩端端阻力标准值; up为桩身周长;li为第i层岩土厚度。

式中:η为桩身强度折减系数;fcu为桩体材料抗压强度。

根据上述计算方法，高压旋喷桩复合地基承载力为208.6 kPa，CFG桩复合地基承载力为324.7 kPa，均满足基底承载力要求。通过压力扩散原理计算地基土体各分层处土体总应力，计算结果显示加固区和下卧层承载力也均满足要求。

灰土垫层厚0.5，1.0和2.0 m时，垫层底部不满足承载力要求。厚度为3，4和5 m时，垫层底部满足承载力要求。

2.3 沉降控制

处理后地基沉降量S由两部分组成，加固区土层压缩量S1和下卧层沉降量S2。

1)加固区土层压缩量S1

将加固区按天然地基土层进行分层，分别计算各层复合土体的压缩量，按式(5)求得加固土层压缩量。

式中:Pzi为第i层复合土层顶面的附加应力值;Espi为第i层复合土层的压缩模量。

复合土层的压缩模量Esp等于天然地基压缩模量Es的ζ倍，ζ值可按下式确定

式中:fak为基底下天然地基承载力特征值;fspk为复合地基承载力特征值。

2)下卧土层沉降量S2用应力面积法进行计算。

采用高压旋喷桩和CFG桩处理后，地基沉降计算量对比如图3。采用3.0，4.0，5.0 m灰土垫层处理后，地基沉降量如图4所示。

图3 高压旋喷桩、CFG桩法地基沉降量

图4 灰土垫层法地基沉降量

从图3可看出，增加桩长可明显减小地基沉降量，但桩长由16 m变为20 m时，对地基沉降量的影响不大。桩长、桩径、桩间距相同时，CFG桩法处理后地基沉降量比高压旋喷桩法处理后的地基沉降量小，沉降控制效果更好。由图4可知，灰土垫层法地基沉降量较大，沉降控制效果不明显，在此不予采用。

2.4 工程造价方面

CFG桩法沉降控制效果优于高压旋喷桩法，但是CFG桩造价明显高于高压旋喷桩。对于桩径为600 mm的桩体，高压旋喷桩造价大约80～130元/m，CFG桩造价大约为120～250元/m。对于灰土垫层，垫层挖方量及填方量均较大，工程造价相对较高，不经济。

3 方案优选结果分析

1)通过适用性分析，初步拟定高压旋喷桩法、CFG桩法、灰土垫层法3种方案。

2)承载力验算表明:高压旋喷桩法、CFG桩法均满足承载力要求。灰土垫层厚度＞3 m时，地基满足承载力要求。

3)通过沉降控制比选:垫层法沉降控制效果不明显，在此不予采用;CFG桩法和高压旋喷桩法均可满足沉降控制要求，而且CFG桩法的沉降控制效果略优于高压旋喷桩法。

4)高压旋喷桩复合地基处理方法造价明显低于CFG桩法及灰土垫层法。

最终选取高压旋喷桩复合地基处理方法为最优方案。其不但满足工程对承载力和沉降控制的要求，而且施工简单，工程造价相对较低。

4 结语

结合郑徐客专开兰特大桥临时支架地基处理工程实例，对高压旋喷桩、CFG桩、柱锤冲扩桩和灰土垫层4种地基处理方案，从适用性及技术可靠性、承载力、沉降控制效果、工程造价等方面进行了比选，最终选取高压旋喷桩复合地基处理方法为最优方案。不但满足工程对承载力和沉降控制的要求，而且施工简单，工程造价相对较低。

［1］刘东海，杨健，方军．复杂地形条件下满堂支架法现浇箱梁的应用［J］．桥隧工程，2013(11):362-365．

［2］邱福平，吕忠明，夏来福．关于浅水、软地基现浇箱梁满堂支架地基处理施工工法的研究［J］．交通科技，2010(增2):26-28．

［3］刘永利．满堂支架地基处理［J］．民营科技，2008(12):170-171．

［4］王凤龙，张静．满堂支架法现浇箱梁地基处理工艺浅析［J］．重庆建筑，2012，11(7):41-43．

［5］武雪艳．现浇箱梁桥施工支架的地基处理研究［J］．北京水务，2014(1):42-45．

［6］符强，李延强．ANSYS在贝雷梁施工支架检算及变形量预测中的应用研究［J］．铁道建筑，2012(6):30-33．

［7］田微微，李洪涛．地基处理方案的模糊相似优选［J］．科学技术与工程，2009，9(16):4698-4702．

［8］张轩，吕培印．用模糊相似优先比决策法确定深基坑支护方案［J］．辽宁工学院学报，1999，19(5):49-52．

［9］卢信雅．复合地基悖论——深搅桩桩体作用及实体基础设计方法［C］//全国岩土与工程学术大会论文集．北京:人民交通出版社，2003:877-881．

［10］中华人民共和国建设部．JGJ 79—2012建筑地基处理技术规范［S］．北京:中国建筑工业出版社，2012．

［11］中华人民共和国建设部．GB 50007—2011建筑地基基础设计规范［S］．北京:中国建筑工业出版社，2011．

(责任审编赵其文)

TU472

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．04．09

1003-1995(2015)04-0031-03

2014-05-15;

2015-01-09

李青(1988—)，女，河北石家庄人，硕士研究生。