QC成果 部 创新型 较大单桩水平承载力检测技术创新.docx
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QC成果部创新型较大单桩水平承载力检测技术创新
较大单桩水平承载力检测技术创新
援柬埔寨体育场项目“云帆”QC质量管理小组
一、工程概况
1.1项目概况
援柬埔寨体育场项目位于柬埔寨首都金边，占地面积约16.22公顷，总建筑面积8.24万平方米，体育场共5层，檐口高39.9米，吊塔高度99米，是一座6万座特大型体育场，包括运动场地、看台、功能用房、体育智能化系统及体育场相关附属设施。
体育场包含全球首座帆式人字形三维度空间变曲面清水混凝土吊塔，世界上首次采用跨度最大的斜拉索桁柔性罩棚体系，还包含70根多角度倾斜清水环柱、7216块预制清水看台板，工程体量大，结构复杂，施工技术难度高。
体育场项目效果图
1.2桩基工程概况
体育场工程桩基主要分为看台区、吊塔区和背索区三部分。
其中背索区桩的单桩水平承载力特征值达800kN，桩径1000mm，参考桩长26m，桩端持力层为强风化砂岩；吊塔区单桩抗水平承载力特征值达500kN，桩径800mm，参考桩长26m，桩端持力层为中风化岩层。
桩径和单桩水平承载力较大，桩端持力层复杂。
目前国内体育场仅有鸟巢桩基受力与之相似。
根据设计要求，共需进行4组水平桩试验分布在吊塔和背索的四个区域。
吊塔桩基和背索桩基分布图
二、小组简介
QC小组概况一览表
小组名称
云帆QC小组
成立时间
2018年6月1日
小组注册号
CSCEC8BTJ-QCXZ-2017-BJ01
课题类型
创新型
课题名称
较大单桩水平承载力检测技术创新
课题注册号
/
活动时间
2017年12月15日-2018年2月15日
课题注册时间
/
活动频次
每周三/周日各一次
QC平均教育时长
90课时
序号
姓名
性别
年龄
职称
小组分工
组内职责
1
王宝德
男
51
高级工程师
专家指导
专家
2
郭亮亮
男
34
工程师
技术策划
组长
3
张志平
男
28
助理工程师
技术实施
副组长
4
韩海龙
男
34
工程师
协调管理
副组长
5
潘建国
男
28
助理工程师
技术配合
组员
6
赵佳利
男
22
助理工程师
造价计算
组员
7
王向阳
男
37
工程师
质量管理
组员
8
夏磊
男
30
助工
生产管理
组员
三、课题选择
3.1选题背景
1、本项目桩基受力复杂，单桩水平承载力特征值较大，国内无参考实例。
本项目桩基为灌注桩，桩端持力层多变，其中吊塔和背索区桩基受力复杂，承受抗压、抗拔和抗水平，且单桩水平承载力特征值最高达800KN，选择合适的检测方法是保证桩基质量的关键，国内针对较大单桩水平承载力检测无参考实例。
2、传统水平桩检测方法适用范围小，无法满足本项目检测要求。
建筑领域桩基水平承载力检测的做法普遍适用于检测单桩水平承载力较小的情况，局限性有：
（1）反力结构通常为单桩互顶，千斤顶与单桩的接触面积小，或者设置群桩承台，需增加桩基数量，且占用空间大，原位桩检测破除量大；
（2）检测承载力较大时，反力结构的水平承载力更大，导致提供单桩水平承载力反力结构的直径、配筋、长度等设计参数均需加大，耗费较大，工期较长；
（3）在单桩承受较大水平承载力时，单桩自由端部分易出现折断、破损的现象，造成检测试验失败，对模拟实际群桩受力的试验检测参考价值不大。
综上，传统的单桩水平承载力检测方法无法满足本项目的检测要求，因此需要对检测方法进行技术创新。
传统单桩水平承载力试验装置
3、科技查新
QC小组通过检索查新发现国内虽然有部分类似的单桩水平承载力检测，但仔细研读其文献内容发现大多实施条件同本工程有较大差异。
搜索的国内外资源库有：
《中文科技期刊数据库》（2018年版）
《中国期刊全文数据库》（2018年版）
《中国学位论文数据库》（2018年版）
《中国专利数据库》（1985—2018-05）
《中国科技成果数据库》（2018年版）
《国家科技成果网》
《国家科技图书文献中心数据库》
EI（工程索引）（1969-2018-05）
USPatentsFulltext（美国专利全文数据库）（1976—2018-05）
JAPIO（日本专利数据库）1976—2018-05）
EuropeanPatentsFulltext（欧洲专利全文数据库）（1978—2018-05）
DerwentWPI（世界专利索引）（1963—2018-05）
部分网上资源
检索词：
单桩水平承载力检测反力结构钢板桩支护
检索策略：
单桩*水平承载力*检测*（钢板桩+反力结构+千斤顶）
查新结论：
经文献检索表明，国内外均未见与该项目技术特点相同的较大单桩水平承载力检测施工技术的研究
3.2课题选择
小组针对当前项目需要解决的多个技术问题组织召开专题会，通过对较大单桩水平承载力反力结构的设置、水平承载力传力结构的选型以及如何优化方案降本增效等多个急需解决的技术难题的探讨研究，确定本次QC活动针对本项目单桩水平承载力检测施工技术即确定QC课题为：
较大单桩水平承载力检测施工技术。
四、目标确立
4.1课题目标
QC小组成员根据现场实际情况和讨论结果，确定目标为：
1、研发一种操作性强且较为实用的较大单桩水平承载力试验检测方法。
2、较传统方法大幅缩短工期，确保规定工期内完成施工任务；
4.2课题实施的保证措施
根据“5M1E”分析法，本课题实施的有利条件如下：
1、本QC小组成员施工经验丰富，专业能力强，具有丰富的现场施工经验。
2、公司及局对本项目较大单桩水平力检测的高度重视，派出知名专家给出解决问题的建议，有利于目标值的实现。
3、复杂地质条件下桩基施工技术作为局及总公司科技研发课题的重要内容之一，该较大单桩水平力检测方法创新所需的理论分析及现场试验验证所需要的资金得到保障。
五、提出并确定方案
5.1总体方案的提出
利用土体可提供足够的反力，取代传统设置等效桩基承台的反力结构，设置一混凝土后背墙或者预制混凝土结构与支护结构连接在一起，提供足够大的水平力，通过千斤顶作用于连接两根单桩的承台水平推力，测出最终停止加载的水平力F，则推算出F/2的水平推力即为最终检测的单桩水平承载力。
传统水平承载力检测方法——三桩承台反力结构+双桩承台传力结构
本项目采用的检测方法——混凝土反力结构+双桩传力结构
5.2总体方案的确定
通过“L”型矩阵图，将传统的三桩承台反力结构+双桩承台传力结构方案与本课题混凝土反力结构+双桩传力结构的方案，从可实施性、有效性、可靠性进行对比分析。
1、可实施性
传统检测方案设置群桩承台，需增加桩基数量，原位桩检测占用空间大，后期破除量大，可实施性小。
本课题方案利用土体天然的传力特点，节省空间，免除三桩及其承台的破除，可实施性较大。
2、经济性：
经过测算，传统检测方法单组水平承载力检测增加费用17.67万元。
3、有效性
传统检测方案反力结构的直径、配筋、长度等设计参数均较大，耗费较大，工期较长。
本课题方案反力结构采用现浇后背墙或预制砼块，配筋支模方便，耗费较小，对工期有利。
4、可靠性
传统检测方案单桩自由端部分易出现折断、破损的现象，造成检测试验失败，对模拟实际群桩受力的试验检测参考价值不大；本课题方案可利用群桩效应，与实际桩基工况相近，试验结果更有效。
通过以上对比分析，最终确定本课题检测方案“混凝土反力结构+双桩传力结构”为总体方案。
5.3分级方案提出
将方案“混凝土反力结构+双桩传力结构”，利用系统图进行展开分析，通过比对筛选确定分级方案。
5.4分级方案的确定
1、分级方案一：
支护方式的确定：
钢板桩支护和预制砼排桩支护
钢板桩支护预制砼排桩支护
针对两种支护方式，从可实施性、安全性、有效性等方面进行对比分析：
（1）钢板桩支护：
可实施性：
采用单层结构，由定位桩、导梁及钢板桩组成。
锁口形状为套型锁口，钢板桩两侧均为勾状形，防水防流沙性较好。
屏风法施工，钢板桩不易变形，打入精度高，垂直度易控制，易于实现封闭合拢。
安全性较高。
有效性：
机械打拔，施工作业快，对工期有利，整体造价低。
（2）预制砼排桩支护：
可实施性：
预制砼排桩免除现浇后背墙或预制块等反力结构的制作，千斤顶可直接与预制排桩接触，但在砂质软土层止水效果差。
安全性：
悬臂高度大于5m，安全性较低。
有效性：
工效低，对工期不利，整体造价较高
最终确定支护方式采用钢板桩支护。
2、分级方案二：
反力结构的确定：
现浇后背墙和预制砼块
现浇后背墙反力结构预制砼块反力结构
针对两种反力结构，从可实施性、经济性、有效性等方面进行对比分析：
（1）现浇后背墙：
可实施性：
现浇后背墙根据钢板桩宽度，配筋支模浇筑，后背墙与钢板桩之间用同等级砼填实，资源耗费较大，基坑内作业不便，安全性较低。
经济性：
1、材料费：
钢筋695元；砼1100元；模板123.6元；木方119.88元
2、人工费1200元
3、破除费：
680元
合计：
695元+1100元+123.6元+119.88元+1200元=4918.48元
有效性：
需占用工期约10天。
（2）预制砼块：
可实施性：
预制砼块布置灵活，无需配筋支模，资源耗费较小。
无需基坑内作业，安全性高。
对于原位桩施工完毕回填即可，无需其他破除量，作业方便。
经济性：
1、材料费
砼92.16元；模板75.15元；木方62.66元；双钢管背楞99.9元
2、人工费：
400X1=400元
合计：
92.16元+75.15元+62.66元+99.9元+400元=729.87元
有效性：
可大幅度提升施工进度，降低施工质量控制难度，平均仅需占用工期约5天。
最终确定反力结构为预制砼块。
3、分级方案三：
传力结构的确定：
现浇承台和现浇垫层板
现浇承台现浇垫层板
针对两种传力结构，从可实施性、经济性、有效性等方面进行对比分析：
（1）现浇承台：
可实施性：
1）有利地模拟了实际工况。
2）承台尺寸取6.1m×2m×1.5m，配筋双层双向，采用HRB400直径18，间距200mm。
需在基坑内进行钢筋绑扎、模板支设和浇筑混凝土，资源耗费较大。
经济性：
1、材料费：
钢筋3146.50元；砼：
8052.00元
模板601.93元；木方：
381.43元
双钢管背楞594元
2、人工费：
2400元
3、破除费：
7554元
合计：
22729.86元
有效性：
方案可满足施工进度和质量要求，承台进行钢筋绑扎、支模、浇筑、养护至达到检测要求需占用工期约12天。
（2）现浇垫层板：
可实施性：
1）有利地模拟了实际工况。
2）双桩垫层板根据传力要求，尺寸采用4m×1.6m，厚300mm，配双层双向钢筋网片，采用HRB400直径8，间距200mm，所需资源较少。
3）对于兼做试桩的原位桩，可免除破除的工作量，作业方便灵活。
经济性：
1）材料费：
钢筋：
275.00元；砼：
844.80元；模板：
138.43元；
2）人工费：
800元
合计：
2058.23元
有效性：
方案可大幅度提升施工进度，降低施工质量控制难度，垫层板从支模至浇筑养护至达到检测要求仅需占用工期约8天。
最终确定传力结构为现浇垫层板。
4、分级方案四：
检测方法的确定：
慢速维持荷载法和快速维持荷载法
慢速维持荷载法：
预估单桩极限承载力，荷载分级，达到稳定标准后逐级加载，达到终止荷载条件开始逐级卸荷。
可实施性：
加载至终止荷载时间较长，具有可实施性。
准确性：
逐级加载至终止荷载，后又逐级卸荷，更好地模拟了实际工况，准确性好，规范认可并推荐。
快速维持荷载法：
一次加载到设计标准值，多次循环加载。
可实施性：
一次多循环加载试验方法，具有可实施性。
准确性：
不能模拟结构实际的受力工况，准确性差。
5、分级方案五：
数显位移计布置方式的确定：
靠近千斤顶一侧布置4台位移计和在双桩两侧对称布置
8台位移计
位移计显示的位移为双桩受水平力作用下的最大位移，通过检测最大位移到达设计允许值，建立位移与水平力加载值的函数关系，由此测出的水平承载力特征值满足设计要求即认定双桩水平承载力满足要求。
两侧对称布置位移计，增加位移计数量，复核双桩水平位移，用于消除变量和保证均匀变形的措施，检测准确度更高。
因此，确定数显位移计在双桩两侧对称布置。
经过分析筛选，确定分级方案如下：
最终确定的分级方案
确定的分级方案模型图
六、制定对策
针对以上确定的检测方案，我QC小组采用“5W1H”的方法，确定了对策措施，明确责任人和完成时间。
对策实施分工表
序号
方案
对策
目标
措施
负责人
地点
时间
1
钢板桩施工
会议室和现场交底
保证钢板桩定位和垂直度，高度允许偏差±8mm；宽度绝对偏差+10mm；全长挠度＜1%。
施工前对进场机械和钢板桩质量检验，钢板桩打之前设置定位桩、导梁进行定位校正。
蔡小磊
项目会议室、现场
2018.1.1
2
预制砼块安装
会议室和现场交底
预制块加工尺寸和质量满足要求，安装保持竖直平整
加工过程把控原材及浇筑质量，加工完及时验收，实验室及时留样进行试验，技术及现场实施动态跟踪。
张志平
项目会议室、现场
2018.1.5
3
现浇垫层板施工
会议室和现场交底
中心标高与千斤顶对中，保证整体性和传力的有效性
千斤顶提前校核，复核安装位置，保证千斤顶中心与桩中心、预制块中心在同一直线上
潘建国
项目会议室、现场
2018.1.5
4
慢速维持荷载法检测
按照JGJ106规范试验，24h现场值班
严格按规范逐级加载，稳定卸荷
24h有人值班看守，检测过程严控
赵佳利
项目会议室、现场
2018.1.17
5
数显位移计布置
会议室和现场交底
对称布置，实现位移的检测和复核
安装完毕及时检查验收
夏磊
项目会议室、现场
2018.1.17
七、对策实施
7.1钢板桩施工
基坑支护采用SP-IV型8m拉森钢板桩，利用土体可提供足够的反力。
1、场地平整、预留排水沟槽，放线；
2、严格控制钢板桩的尺寸和质量，锁口处润滑；
3、使用工字钢围作安装导梁，屏风法施工；
4、严格控制插桩误差，保证传力有效。
钢板桩施工流程
7.2预制垫块及试验装置安装
吊装预制靠背垫块、安装试验检测装置
1）将预制的靠背垫块吊装并固定；
2）靠近钢板桩一侧的承台端放置千斤顶，两侧对称布置各4台位移计；
3）调整距离，确保千斤顶作用线与双桩连线共线；
4）固定试验装置，完成调试。
现场试验装置调试完成
7.3试验桩基础施工
桩头剔凿完成后，施工传力垫层。
1、分步开挖并预留10cm土层人工开挖修整；
2、抽水、剔凿桩头；
3、传力结构的施工：
桩身靠近千斤顶的一侧设置400宽，300厚传力垫层；双桩之间作300厚垫层板；另一端100厚垫层，三部分顶标高一致，整体浇筑，保证整体性和传力的有效性。
水平桩基础剖面图
桩头剔凿
垫层板施工
7.4试验评定
“慢速维持荷载法”进行检测及评定
1）预估单桩极限承载力对荷载分级，制定加载计划；
2）每级加载后按规定的间隔时间测读变形数据，数据稳定后进行下级加载；
3）达到终止加载条件后进行卸载观测；
4）根据实测的水平试桩位移和加载值绘制曲线，对承载力进行评定。
检测过程及模型图
八、效果检查
通过试验检测，达到规范和设计终止加载条件的水平承载力大于设计要求的单桩水平承载力，垫层板下的试验桩桩身也未达到破坏。
基桩检测报告
通过本次QC活动的开展，小组成员在各方面的能力均有不同程度的提高，在以“郭亮亮创新工作室”为动力的驱动下，更加深入了解到创新的价值，同时对于QC的管理理念有了更深刻的认识。
综合素质评价表
序号
评价内容
活动前（分）
活动后（分）
1
团队精神
4
5
2
创新意识
3
5
3
QC工具运用
3
5
4
质量意识
4
5
5
个人能力
3
4
九、标准化
9.1标准化
现已申报论文1篇，天津市市级工法1项，局及公司五小成果各1项，并建立实施标准，在企业内部推广应用。
《较大单桩水平承载力检测施工工法》获得天津市工法。
《较大单桩水平承载力检测方法》先后分别获得八局局级、公司级“五小”成果一等奖。
《较大单桩水平承载力检测施工工法》申报八局局级工程建设施工工法，受理中。
《一种桩基水平承载力检测方法》申报国家实用新型专利，已受理。
科技论文《较大单桩水平承载力试验与检测技术研究》，正在排刊。
局和公司“五小”成果一等奖
专利受理通知书
天津市工程建设施工工法公示
9.2效益分析
1、工期效益
采用该方法，与传统设置三桩承台的方法相比，更好地模拟了实际工况，操作简便，同时保护了试验桩桩身完整，降低造价，可实施性强，加快了施工进度约25天。
2、经济效益
（1）传统检测方法：
反力结构需设置3根与试桩相同的桩，同时用现浇承台连接，传力装置为2桩承台连接为整体。
4组水平试验桩造价为153.52万元；
（2）采用优化的检测方法：
反力装置为钢板桩+预制砼块，传力装置为2桩下卧土层中设置垫层板连接为整体，造价为88.86万元。
产生经济效益为64.66万元。
3、社会效益
本检测方法向社会提供了一种较大单桩水平承载力检测方法。
解决了传统单桩水平承载力检测方法在应用于较大水平承载力的局限性，弥补了目前较大水平单桩承载力检测方法的空白，具有编入《建筑桩基检测技术规范》的重大意义。
效益认证
十、总结及下步打算
10.1总结
1、QC小组提出了一种较大单桩水平承载力试验与检测的施工技术，解决了传统单桩水平承载力检测在应用于较大水平承载力的局限性，经济效益显著，弥补了目前较大水平单桩承载力检测的空白，具有编入《建筑桩基检测技术规范》的重大意义。
试验工况更好地模拟了实际工况，试验方法具备可操作性。
2、QC小组成员在经历本课题全过程的培训，总结与思考，增加了团队的凝聚力，补充了方法论以及质量控制意识，个人能力在实践中也获得一定提高。
3、水平桩试验的工程经验较少，然而在接触较为陌生知识较短的时间内不仅完成快速学习，还在此基础上结合现场条件对试验方法进行了改进，其思考路径和实践方法对后续工作也具备指导意义。
4、后期目标：
继续总结和完善相关试验的工法，论文和专利，升华实践和研究成果。
10.2下一步打算
项目将针对关键技术的应用持续发挥QC小组创新精神，下一步拟定将《基于EBIM云平台，提高超多种类预制清水看台构件属地化生产质量管理创新》为接下来QC小组活动的方向。
本工程预制清水看台类型
升级会员 