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    富冰冻土碎石桩复合路基施工工法

    1前言

    我国具有广大的季节冻土和多年冻土区,随着国家西部交通建设的大力开发,冻土区的工程建设任务日益增多。而多年冻土地区公路工程施工,由于地基的冻融作用及其他不良冻土现象的影响,往往会产生各种工程病害,从而影响工程的质量。黑龙江省龙建路桥第二工程有限公司承建的伊春至嘉荫公路,地处多年冻土区,并且多为富冰冻土,为避免工程产生各种冻害隐患,富冰冻土段采用了清基换填1250px砂砾,设置碎石桩的复合地基施工工艺,通过碎石桩及桩间土(包括即将融化的多年冻土)的共同作用形成承载力较高的复合地基,改善土的物理力学指标,提高地基土的承载力,减少地基土的压缩变形,并消除路基下多年冻土的融沉和不均沉降等病害。该技术成功应用在汤嘉公路汤旺河至嘉荫段工程项目、黑洛公路黑呼界至呼玛段工程项目及 绥满国道主干线海林至亚布力公路改扩建工程项目。

    应用此工艺施工后,多年冻土地段经过多年通车运营未发生任何冻融、沉陷病害。2011年6月经黑龙江省交通运输厅组织的专家鉴定,认为该项技术处于国内领先水平。经科技查新国内未见相关报道。

    2工法特点

    2.1 冻土地区碎石桩施工与路槽大面积开挖换填施工相比,既解决了多年冻土开挖困难的问题,为机械化施工创造了条件,提高了施工进度,又减少了对原有冻土层地质条件改变。此工艺对路基冻结状态改变较小,利用碎石桩及桩间冻土的共同作用形成承载力较高的复合地基,使路基更为稳定。

    2.2 冻土地区碎石桩施工与水泥混凝土灌注桩施工相比,其造价较低,施工方便,并且避免了水泥混凝土灌注桩施工中的水化热给稳定的冻土带来的热扰动,从而导致冻土的冻结强度降低,致使桩的承载力下降,影响施工进度。

    2.3 冻土地区碎石桩施工对地基温度场扰动小,施工时间短,受扰动冻土回冻时间快,满足“保持路基冻结状态”的要求。

    2.4 冻土地区碎石桩施工不受季节影响,全年均可施工,便于工程总体控制,可以缩短工期。

    3适用范围

    适用于各种岩性、冻土特征、水文地质条件的公路冻土地基。

    4工艺原理

    挤密碎石桩是采用重锤等能量、等变形夯扩挤密方法施工,是采用专用施工机械,首先利用重锤夯击(冲击)成孔,使桩身周围土体得到第一次挤密,其次在孔中分层填入碎石并夯实,使桩周围土体得到第二次挤密,依次填入碎石,夯击碎石,直至夯填至设计标高。通过碎石桩及桩间土(包括即将融化的多年冻土)的共同作用形成承载力较高的复合地基,达到改善土的物理力学指标,提高地基土的承载力,减少地基土的压缩变形,消除路基下多年冻土的融沉和不均沉降目的。

    5施工工艺流程及操作要点

    5.1工艺流程

    清基换填砂砾并平整压实、桩机就位、落锤夯击或振冲成孔、向孔(管)内填料、拔管适当高度(沉管段)、夯实或振密、再向孔(管)内填料夯实或振密、重复前一步成桩至地表,移动桩机进行下一桩位的施工。

    5.2操作要点

    5.2.1清基换填砂砾

    1砂砾料选用具有良好的透水性,不含有机质、粘土块和其它有害物质的材料,含泥量不得大于3%。

    2换填之前首先进行试验路段的施工,确定施工机械、松铺系数、施工方法、施工一次铺筑的合适厚度、最佳含水量以及合格的压实遍数。

    3根据试验路段确定的一次铺筑厚度及松铺系数计算各段砂砾需用量,自卸汽车进行运输至需要进行地基处理的地段。

    4铺设砂砾材料时,从路基横向两侧向中间摊铺,厚度均匀一致,满足设计要求,最大误差不超过50px,表面平整。

    5铺设完的砂砾用平地机进行刮平,然后用光轮压路机迅速碾压。

    5.2.2夯扩(冲击)挤密碎石桩

    1施工顺序

    应从外围或两侧向中间进行,在横坡地段应向坡顶方向进行。

    2施工工艺

    利用电动落锤打桩机或柴油打桩机夯击(冲击)沉管成孔,向桩管内灌入级配碎石,每次填料高度不大于1米,然后拔起一定长度的桩管,应保证夯击后管内存料长度10-30㎝。(可根据经验或现场情况确定),每次填料后应充分夯实,一般夯击次数3-4次,夯填度(夯实后的厚度与填料厚度的比值)不得大于0.9,逐次填料,拔管,夯实直至地表,形成碎石桩。在冻土段近地表的融土层中(一般土质较软),可根据现场情况确定夯填施工参数,应保证桩身质量和地面不出现隆起。

    3施工步骤

    1)准备工作

    施工放线、标定桩位、试机等。

    2)桩机就位

    重锤夯击成孔至设计标高,并保证孔底的夯实度,孔底最后两次的夯击贯入度平均值应控制在5㎝以内。

    3)分层填料

    每次填料量为0.06m3-0.10 m3,约50㎝-80㎝高。

    4)提升重锤

    连续夯击孔内填料3-4次,测量最后两次的夯击贯入度,平均值应控制在10㎝以内。浅层软土应控制夯击次数和落锤高度,保证成桩质量和地面不出现隆起。重锤提升高度和桩身的关系见表:

    表5.2.2-1重锤提升高度与桩身的关系表(以桩顶标高为0.00m)

    序号   桩身标高(m)    重锤提升高度(m)

    1       0.00               1.00

    2       -1.00              2.00

    3       -2.00              3.00

      4       -3.00              5.00

    5     -4.0~-8.0         5.0~10.0

    夯至地面时应采取低落距锤夯击,以地面隆起不超过5㎝为宜。

    成桩参数可根据现场试桩及地质条件确定。

    5.2.3桩体保护和质量检验

    碎石桩完成施工后,应避免桩顶被扰动和破坏,并防止淤泥和杂物混入,桩顶以上应填筑不小于30㎝的砂砾垫层 。桩身质量检验可在碎石桩施工中逐段检验或施工后整体检验。桩间土加固质量检验应间隔一定时间方可进行,一般对于饱和粘性土,间隔时间不宜少于28d,对粉土,砂土和杂填土地基,不宜少于7d。

    5.2.4特殊工艺关键控制点控制

    6材料与设备

    6.1材料

    6.1.1砂砾

    垫层用级配砂砾,细粒(小于0.075mm),含量不应大于5%。

    6.1.2碎石

    粒径不得大于50mm,含泥量不得大于5%。

    6.2设备

    1、挖掘机EX330 1台   2、装载机 ZL50 1台

     3、自卸汽车20t 5台   4、推土机 D16 、5台

     5、平地机PQ190 1台   6、压路机20t  1台

     7、打桩机  1台

    7质量控制

    7.1施工依据

    7.1.1《建筑地基基础处理技术规范》JGJ 79-2002

    7.1.2《建筑工程施工质量验收统一标准》(GB50300-2001)

    7.1.3《地基与基础工程施工与验收规范》GBJ50202-2002

    7.1.4工程项目《岩土工程勘察报告》

    7.2质量控制主要指标

    7.2.1施工前应检查填料的级配、含泥量及有机质含量等。

    7.2.2施工中检查每根桩的桩位、填料量、标高、垂直度等

    7.2.3施工结束后,应检查桩体的质量和桩间土层的加固挤密效果。

    7.2.4碎石桩复合地基的质量检验标准应符合下表规定。

    表7.2.4-1碎石桩工程质量检验标准表

    序号      检查项目      单位    数值       检查方法

    1        填料量        %       ≥95    实际用料量与计算体积比

    2       填料的含泥量    %      ≤3     试验室测定

    3         填料有机质含量  %      ≤5     焙烧法

    4         桩位            ㎜      ≤50   用钢尺量

    5         桩顶标高        ㎜      ±15   水准仪

    6         垂直度          %       ≤1.5   经纬仪检查桩管垂直度

    7.3质量记录

    7.3.1施工原始记录应详实、项目完整、签字齐备。主要包括:材料的出厂合格证及复检报告。试桩成桩记录、施工记录、桩位平面布置图,隐蔽工程记录,施工自检记录等。

    7.3.2设置专职资料员,负责进度报表,资料收集整理等工作。

    7.3.3严格执行国家及地方实行的检测检验规定。

       7.4质量管理措施

    7.4.1为确保达到上述施工质量标准,实行质量三检制,即在项目部质检员自检基础上,合格后向监理进行交接验收,确保施工质量。

    7.4.2项目经理部成立以项目技术负责为首的质量管理小组,对工程施工的各个环节工作质量进行管理,对整个工程质量负全面责任,质检员负具体检查责任。

    7.4.3班组长认真执行质量标准,按规程作业,对工序质量负责。

    7.4.4工程开工前,落实各级人员岗位责任制,做好技术交底,使每个施工人员对工程总体要求明确。

    7.4.5按设计试验有关要求,及时做好各项施工记录,包括隐检,预检,分项检、做到准确,及时、齐全,施工报告按建设单位的有关要求提交。

    7.4.6要积极配合甲方,设计、监理和质检站对施工质量的检查验收,积极听取其意见和建议,有问题及时纠正          

    8安全措施

    8.1遵照国家颁发的有关安全技术规程和安全操作规程施工,加大安全工作宣传力度,对全员进行安全教育,进行全面的针对性的安全技术交底,对生产工人必须进行安全技术培训,接受交底者履行签字手续。使参加施工生产的人员都具备必要的安全生产知识,熟悉有关的安全生产规章制度和安全生产操作规程,掌握本岗位的安全操作技能,提高他们的防范意识和避险能力,认清安全工作的重要性,在项目范围内形成人人抓安全、人人管安全、人人自觉遵守安全制度的良好氛围。

    8.2特殊作业人员,包括驾驶员、机械设备操作员、电工、电气焊工等操作人员,必须经过专门的安全作业培训,必须持证上岗,杜绝操作失误事故的发生。

    8.3由于冻土施工区多为林区,项目部要加强防火教育,请森林执法大队人员到项目举办防火培训,举行防火演练。重点部位配备防火及消防器材,每名员工均签订防火责任状。采取防火措施,林区施工不得用明火;机械设备安装防火罩;电气焊工作地建立围档;风力大于5级,停止施工。

    8.4项目部建立安全施工生产保证体系,深化安全教育,强化安全意识,加强安全管理力度,坚持“安全有标准、质量讲标准、内业按规范、用工以法规”原则,明确安全责任,落实安全措施,确保施工安全。

    8.5在森林施工,蚊虫多,对人身体形成危害。 “草爬子”(学名:硬蜱)咬人后传播森林脑炎等疾病,可以致人死亡。项目部给职工打防疫针,保证职工身体健康。

    9环保措施

    遵守和执行国家及地方环保法规,对全体人员进行环保法规的教育,使所有人员牢固树立环保意识,自觉遵守环保规定。

    9.1保护水质

    施工废水、生活污水得直接处理,不得排入饮水源及河道内;施工区域,砂石料场,在施工期间和完工以后应妥善处理,消除对耕地及环境的危害。冲洗集料或含有沉积物的操作用水,应采取过滤、沉淀池处理或其它措施,使能做到达标排放。施工期间,施工物料如油料、化学品等应堆放管理严格,防止雨季或暴雨将物料随雨水径流排入地表及附近水域造成污染。施工机械应防止漏油,禁止机械在动转中产生的油污水未经处理就直接排放,或维修施工机械的油污水直接排放。

    9.2保护植被

    树木是森林的保护对象。项目在施工中,合理规划土场、石场面积,减少对植被的侵害,对施工红线内的稀有树种,进行精心移植。同时,项目做好环保施工,建设排水系统,搞好雪水、雨水排放,并保证原森林水系畅通;将腐殖土、弃土回填到取土场,恢复林地,保护环境。

      10资源节约

    冻土地区碎石桩施工方法避免了路槽大面积开挖换填导致的大量材料消耗,节约了砂砾等材料;减少了多年冻土开挖的工程量,避免机械的大量投入;为机械施工创造了足够的工作平台。提高了施工进度。

    11效益分析

    11.1质量效益

    富冰冻土段采用了清基换填1250px砂砾,设置碎石桩的复合地基施工工艺,通过碎石桩及桩间土(包括即将融化的多年冻土)的共同作用形成承载力较高的复合地基,改善土的物理力学指标,提高地基土的承载力,减少地基土的压缩变形,并消除路基下多年冻土的融沉和不均沉降等病害。同时冻土碎石桩施工对地基温度场扰动小,施工进度短,受扰动冻土回冻时间快,有利于实施“保持路基冻结状态”的要求。减少了路基使用过程中的补修和养护费用。

    11.2经济效益

    以汤嘉公路汤旺河至嘉荫段工程项目富冰冻土段采用清基换填1250px砂砾,设置碎石桩的复合地基施工工艺为例,经济效益情况如下:

    以1000m2富冰冻土段为例,计算两种处理方案经济效益:下处理换填砂砾单价为64元/m3,碎石桩单价为80元/m。

    方案一:完全清除换填处理,清基深度至砂砾持力层,冻土埋藏深度平均在3m以上,按平均换填3m计算:

    1000 m2×3m×64元/m3=192000元

    方案二:清基换填1250px砂砾,设置4m碎石桩的复合地基施工,1000m2应设置碎石桩400根:

    1000 m2×0.5m×64元/m3=32000元

    400根×4m×80元/m=128000元

    合计:160000元

    由此可见:采用碎石桩施工比深挖换填施工,每1000m2节省造价3.2万元。

    11.3社会效益

    冻土地区碎石桩施工不受季节影响,全年均可施工,便于工程总体控制,可以缩短工期,建设工程可提前投入使用;同时其维修、养护次数减少,避免了过程中使用因道路补修而阻断交通的现象发生。冻土地区碎石桩施工社会效益显著。

    12应用实例

    12.1应用实例一

    汤嘉公路汤旺河至嘉荫段工程项目地处黑龙江省北部,南起伊春市区,北部终点位于嘉荫县城,是黑龙江省第二层公路网的重要组成部分,是连接嘉荫县和伊春市唯一的纵向公路。沿线为富冰多年岛状冻土区,年平均气温0℃,常有冻害发生,公路等级为二级。黑龙江省龙建路桥第二工程有限公司承建该工程第二合同段K25+000-K45+500的施工任务。2004年10月开工,2006年8月竣工。采用冻土碎石桩施工,施工长度680m,面积13624m2,碎石桩6060根,碎石桩长度24240m。使用该工艺施工最大限度的“保持路基冻结状态”,通过5年通车运营考验,整体质量良好。

    12.2应用实例二

    黑洛公路黑呼界至呼玛段工程项目位于黑龙江省北部,与俄罗斯仅一江之隔,具有极其重要的交通和战略地位。路线范围内分布着丰富的地表水系,黑龙江、呼玛河、湖通河、羊角河、格拉满河、宽河、栖林河、四通河等河流流经境内,年平均气温在-2.3℃,极端最低气温-49℃,多有富冰冻土段。公路等级为二级。黑龙江省龙建路桥第二工程有限公司承建该工程第十二合同段K128+000-K136+300的施工任务。2006年10月开工,2007年9月竣工。采用冻土碎石桩施工,施工长度890m,面积9790m2,碎石桩4406根,碎石桩长度17624m。使用该工艺施工最大限度的“保持路基冻结状态”,通过4年通车运营考验,整体质量良好。

    12.3应用实例三

    绥满国道主干线海林至亚布力公路改扩建工程位于黑龙江省东北部,常有冻害发生,公路等级为高速公路。黑龙江省龙建路桥第二工程有限公司承建该工程A18合同段的施工任务。2005年6月开工,2007年9月竣工。采用冻土碎石桩施工,施工长度480m,面积9120m2,碎石桩5670根,碎石桩长度22680m。使用该工艺施工最大限度的“保持路基冻结状态”,通过6年通车运营考验,整体质量良好。


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