水下擠密砂樁施工技術(shù)與加固地基特性分析

朱勝利，喻志發(fā)，李立新，于健，孟凡利（.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津市港口巖土工程技術(shù)重點實驗室，港口巖土工程技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，天津　300；.中交一航局第一工程有限公司，天津　300456）

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水下擠密砂樁施工技術(shù)與加固地基特性分析

朱勝利1，喻志發(fā)1，李立新1，于健1，孟凡利2
（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津市港口巖土工程技術(shù)重點實驗室，港口巖土工程技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，天津300222；2.中交一航局第一工程有限公司，天津300456）

摘要：結(jié)合水下擠密砂樁工程應(yīng)用情況，對加固機理、適應(yīng)地質(zhì)條件及施工參數(shù)確定方法進行介紹，并采用數(shù)理統(tǒng)計方法對樁身密實度分布、復(fù)合地基沉降、成樁后地表隆起情況、砂樁的檢測時間等進行分析，得出工法可用于抗剪強度Cu大于6.0 kPa的軟黏土，樁體平均密實度不隨檢驗間隔時間而變化，成樁樁體平均密實度可達到中密以上，復(fù)合地基沉降主要發(fā)生在施工期，工后沉降較小且工后沉降速率收斂顯著等結(jié)論。

關(guān)鍵詞：擠密砂樁；樁身密實度；復(fù)合地基沉降；隆起

Underwatersand com paction pilesconstruction technology and reinforcing foundation characteristicanalysis

ZHU Sheng-li

1

,YU Zhi-fa

1

,LILi-xin

1

,YU Jian

0　引言

水下擠密砂樁法是采用具有豎向擠壓增大樁徑的施工設(shè)備或?qū)Ｓ么?，在天然地基中形成?fù)合地基，從而有效改善地基特性的地基處理方法。本方法以20世紀50年代后期經(jīng)日本開發(fā)出專用擠密砂樁船為標志，使水下擠密砂樁技術(shù)發(fā)展日趨成熟，并實現(xiàn)了加固深度達40 m以上、擠密砂樁直徑達2.0 m、砂樁置換率達70 %的地基處理水平。日本著名的擠密砂樁加固工程包括關(guān)西國際機場護岸超軟土地基加固工程、橫濱南本牧重力式碼頭地基加固工程、羽田國際機場D滑行道護岸地基加固工程、巖國港碼頭地基加固和石卷港防波堤地基加固等。我國20世紀末開始嘗試水下擠密砂樁的施工，至目前，主要應(yīng)用工程包括天津港南疆非金屬礦石泊位高樁碼頭后方岸坡地基加固[1-2]、洋山深水港三期東港池重力式工作船

碼頭70 m延長段軟土地基加固[3]和港珠澳大橋工程[4]，尤其是港珠澳大橋海中人工島地基加固中水下擠密砂樁的大規(guī)模成功應(yīng)用，使該技術(shù)得到進一步完善，并形成了多艘專業(yè)施工船舶的設(shè)備規(guī)模，為水下擠密砂樁加固技術(shù)的推廣應(yīng)用提供了保證。

1　加固機理

擠密砂樁在地基中的作用主要是提高承載力、加速地基固結(jié)、減少地基沉降，其對地基的加固作用主要體現(xiàn)在如下3個方面：

1）擠密作用

在地基成樁過程中，通過樁管打入及砂樁擠壓擴徑的過程，使樁間土的孔隙比變小，實現(xiàn)對樁間土的擠密。

2）置換作用

成樁形成一定樁徑、樁長和樁距的樁與樁間土共同作用的復(fù)合地基，并由較密實的砂樁體取代了與樁同體積的軟土，且砂樁的強度和抗變形能力均遠優(yōu)于原位置的軟土，擠密砂樁復(fù)合地基承載力明顯大于天然地基承載力。

3）排水作用

擠密砂樁作為豎向排水通道，使軟土地基的固結(jié)由一維轉(zhuǎn)為三維軸對稱方式，大大縮短了軟土的排水距離，加快了地基的排水固結(jié)。

2　地質(zhì)要求

擠密砂樁是通過樁間土對樁體側(cè)向支撐而成樁的，地基土強度過低將造成樁周土對樁體的約束力過小，難以形成樁體，國內(nèi)已有項目天然地基土強度指標統(tǒng)計見表1。3項工程天然地基抗剪強度Cu最小值范圍是6.0~15 kPa，其中港珠澳大橋海中人工島地基加固項目的地基抗剪強度最小值Cu最小，為6.0 kPa。

天然沉積黏性土的抗剪強度是隨著土層的埋深而逐漸增大的[5]，同時，從黏性地基土的抗剪強度表達式子=滓tg漬+ c可知，隨著黏性土埋深的增加，其所承受的垂直壓力也逐漸增大，相應(yīng)的，其抗剪強度指標也逐漸增加，水下黏性土地基抗剪強度指標較小的部位主要出現(xiàn)在加固地基的表層，因此，在論證成樁可行性時，只需樁頭區(qū)域天然沉積土抗剪強度滿足控制指標即可。

表1　擠密砂樁加固工程情況一覽表Table1　Scheduleofsandcom paction pilesreinforcem entproject

3　施工主要工作參數(shù)的確定

3.1振動錘激振力

擠密砂樁打設(shè)時，選擇合適的振動錘，使樁管順利打入設(shè)計樁底是擠密砂樁施工的關(guān)鍵控制因素，振動錘的選擇方法如下：（1）式中：F激振為振動錘產(chǎn)生的激振力，kN；撞G為樁管自重、振動系統(tǒng)自重之和，kN；撞F側(cè)阻為樁周土層側(cè)摩阻力及管內(nèi)泥柱、砂柱的側(cè)摩阻力，kN。

降低擠密砂樁打設(shè)施工中樁管側(cè)摩阻力，工程中常采用樁管端部加粗（樁靴）的處理措施。3.2成樁施工參數(shù)

擠密砂樁正式施工參數(shù)通過試樁并配合成樁后的樁體質(zhì)量檢驗確定。試樁施工參數(shù)主要內(nèi)容及確定方法如下：

1）原材料體積變化率Rv憶測定

將松散狀態(tài)砂料裝入管底封閉的樁管內(nèi)，經(jīng)振動錘震動2 min，樁管內(nèi)砂料體積發(fā)生變化，松散狀態(tài)砂料體積與變化后砂料體積比值即體積變化率。

2）樁管內(nèi)壓力設(shè)置

樁管向下貫入和提升制樁過程中，樁管內(nèi)的壓力需保持在合適的范圍內(nèi)，以保證貫入時能夠排出端部樁管內(nèi)淤泥、制樁時樁管內(nèi)砂料能順利排出。

樁管壓力沿樁長分段設(shè)置，泥面以上僅計算海水形成的壓力，泥面以下為海水壓力和土層產(chǎn)生壓力之和。

3）樁端處理

沉管過程中樁管內(nèi)應(yīng)有一定長度的軟黏土，以實現(xiàn)管底密封，沉管過程中，管內(nèi)加壓，其壓力隨深度不斷調(diào)節(jié)，以平衡管外壓力。管內(nèi)軟黏土在樁管沉至要求的高程后，通過樁管內(nèi)加砂、提管、管內(nèi)施加壓縮空氣的工藝步驟將軟黏土排出樁管。

4）樁管提升高度

專業(yè)化擠密砂樁船采用程序控制自動制樁，為便于施工及打設(shè)程序設(shè)置，常采用固定制樁長度的循環(huán)制樁成樁工藝。

擠密砂樁成樁質(zhì)量中的樁體直徑和樁體的密實程度通過提管高度、下砂長度和回打深度3項指標控制。單個制樁循環(huán)的提管高度由制樁長度確定的用砂量和樁靴直徑綜合確定；下砂長度為樁管內(nèi)砂面下降深度，其由用砂量和樁管直徑綜合確定；回打深度是為了達到設(shè)計要求的砂樁直徑，需要將管端以下的砂柱向下擠壓而產(chǎn)生的樁靴底的下降高度，回打深度為提管高度與成樁長度之差。

5）樁頭處理

擠密砂樁樁體密實程度與成樁深度區(qū)域的側(cè)向土壓力有關(guān)，在樁頂位置由于土的側(cè)壓力較小，若按深部的成樁方式無法使樁身達到足夠密實，工程中通常在樁頭2 m的深度范圍內(nèi)，采用降低循環(huán)制樁長度的方式保證樁頭的密實度。

6）體積壓縮率Rv

體積壓縮率Rv是指套管貫入至設(shè)計樁底高程后，提管至計算高度，然后向下打回使砂樁擠密、擴徑達到設(shè)計要求樁徑和標貫擊數(shù)，在這一過程中砂料體積變化前后的比值，即稱為體積壓縮率Rv。根據(jù)日本AOMI公司的經(jīng)驗，Rv取值1.15~1.20[6]。

4　樁身密實度

樁身密實程度由樁體標準貫入試驗得到的錘擊數(shù)按規(guī)范[7]確定。標準貫入試驗沿著樁身每米試驗1次，由樁身標準貫入試驗成果逐孔、逐點統(tǒng)計，國內(nèi)3項工程的統(tǒng)計結(jié)果見圖1。

天津港工程樁體標貫試驗41個孔（樁），試驗點數(shù)956點。經(jīng)統(tǒng)計，樁體密實程度達到中密以上（N躍15擊）的試驗點數(shù)占總試驗點數(shù)的70 %，約有30 %試驗點的砂體密實程度為松散耀稍密，并且密實度較低的試驗點都出現(xiàn)在地基表層，即樁頭部位。

洋山港工程樁體標準貫入試驗11根，N=21~ 25所占比例最高，為45.61 %，實測最小的N值為10~15，僅在最表層出現(xiàn)2次，占總數(shù)的百分比為3.51 %。

港珠澳大橋海中人工島地基加固工程47根檢驗樁，總計787個標準貫入試驗點，樁體密實程度達到中密以上的占比為98.7 %，達到密實以上的占比為53.2 %。試驗點中，密實程度為稍密的試驗點個數(shù)為10個，主要集中在樁頭位置。

由上述分析，擠密砂樁密實度較小值主要出現(xiàn)在樁頭部位。針對這一情況，在港珠澳擠密砂樁施工中，采用了先打設(shè)擠密砂樁，然后再將樁頭以上部分天然地基土和隆起土予以清除的施工方式，經(jīng)與先開挖后打樁的方式對比，樁頭部位的標貫擊數(shù)顯著增大。

5　復(fù)合地基沉降

洋山港碼頭工程和港珠澳大橋西人工島救.碼頭施工各階段沉降統(tǒng)計結(jié)果見表2。

圖1　樁體標準貫入擊數(shù)分布圖Fig.1　Distributionofpilebodystandardpenetration num ber

表2　沉降統(tǒng)計結(jié)果Table2　Subsidencestatisticalresults

洋山港沉箱碼頭擠密砂樁樁徑1.8 m、置換率50 % ~60 %，復(fù)合地基施工期平均沉降254 mm，占實測沉降量的91.4 %。截止到2009年4月5日，工后歷時3個月，各監(jiān)測點沉降平均值為24mm，觀測期內(nèi)，地基工后平均沉降速率為0.25 mm/d。

港珠澳西人工島救.（沉箱）碼頭工程擠密砂樁樁徑1.6 m、置換率62 %。救.碼頭自2013年5月31日開始安放沉箱至2013年11月30日施工完成，碼頭施工期地基平均沉降255 mm，占實測沉降量的74.6 %。截止到2014年8月2日，工后歷時245 d，各監(jiān)測點沉降平均值為87 mm，其中，工后第7個月至第8個月期間的平均沉降速率為0.15 mm/d。

上述兩項工程地基沉降結(jié)果表明，在高置換率情況下，碼頭施工期仍產(chǎn)生了顯著的地基沉降，但地基沉降主要發(fā)生在施工期，工后沉降較小且工后地基沉降速率收斂快。

6　地基表面隆起

通過擠密砂樁方式擠入天然地基的砂量一部分以對樁間土擠密的方式消化掉，另一部分則以置換的形式引起地基表面的隆起，尤其是高置換的擠密砂樁工程，將會產(chǎn)生顯著的地基表面隆起。擠密砂樁隆起量與擠密砂樁的置換率和施工順序有關(guān)，后施打擠密砂樁的區(qū)域，由于受到相鄰區(qū)域先期施打區(qū)域的影響，其隆起量為兩個隆起量的疊加。根據(jù)港珠澳大橋海中人工島地基加固工程擠密砂樁隆起量測量結(jié)果，經(jīng)逐點統(tǒng)計，各施工區(qū)擠密砂樁施打后地表隆起量結(jié)果如表3。

由表3，各區(qū)置換率范圍為27.6 % ~70 %，樁長14.8~22.5 m，不同區(qū)域擠密砂樁打設(shè)后地基土表面的隆起高度最大值為2.65耀9.02 m，分區(qū)平均隆起量為1.27~5.99 m，由于置換率高，擠密砂樁打設(shè)后地基土表面隆起顯著。

7　樁身密實度與檢測時間的關(guān)系

擠密砂樁打設(shè)完畢后復(fù)合地基使用前，對樁身密實度檢驗以判定樁身密實程度即標貫擊數(shù)是否滿足設(shè)計要求，檢驗方法為標準貫入試驗。為了確定合適的成樁后至標貫檢驗的間隔時間，按照置換率、施工區(qū)域、施工設(shè)備相同的原則，對樁體平均標貫擊數(shù)與間隔時間的關(guān)系進行分析，結(jié)果如圖2。

表3　地表隆起量統(tǒng)計表Table3　Statisticsforam ountofsurfaceuplift

圖2　擠密砂樁N-t結(jié)果Fig.2　SCP N-tresults

天津港岸坡加固工程標貫試驗時，與擠密砂樁成樁時間間隔為14耀82 d。港珠澳大橋海中人工島地基加固工程標貫試驗時，砂樁2號施工部分的間隔時間為8~49 d，砂樁3號施工部分的間隔時間為66~122 d。由圖2，隨間隔時間的增長，樁體平均標準貫入擊數(shù)變化不明顯。究其原因，主要是由于擠密砂樁施工后樁體密實度較高，樁間土經(jīng)擠密作用后其孔隙比也顯著減小，雖然由于置換作用會在樁頂部分產(chǎn)生顯著的隆起，并形成對復(fù)合地基的上覆荷載，但是與該部分荷載相比，地基土處于超固結(jié)狀態(tài)，復(fù)合地基的沉降主要反映在彈性變形上，從而不會對砂樁體材料的壓密產(chǎn)生明顯的影響。

8　結(jié)語

1）抗剪強度大于6.0 kPa的天然沉積土采用水下擠密砂樁加固法是可行的。

2）正式施工前應(yīng)首先進行振動錘激振力驗算，并通過試樁確定施工參數(shù)。

3）樁頭部位樁身密實度普遍偏低，樁頭未出露地表時，采用先成樁方式，能有效改善樁頭密實性，且避免了施工后形成隆起部分的二次清除。

4）樁身的最大密實程度可達到密實至極密實，平均密實度可達到中密以上。

5）復(fù)合地基在使用過程中仍會產(chǎn)生明顯的地基沉降，對于高置換率情況，復(fù)合地基沉降主要發(fā)生在施工期，工后沉降較小且沉降速率迅速收斂到很小的數(shù)值，復(fù)合地基力學(xué)性能良好。

6）高置換率情況下，地基表層隆起量顯著。

7）樁體密實度與檢驗間隔時間關(guān)系不顯著。

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1

,MENG Fan-li

2

（1.CCCC TianjinPortEngineeringInstituteCo.,Ltd.,KeyLaboratoryofPortGeotechnicalEngineeringofTianjin, KeyLaboratoryofPortGeotechnicalEngineeringoftheMinistryofCommunications,Tianjin300222,China; 2.No.1Eng.Co.,Ltd.ofCCCC FirstHarborEngineeringCo.,Ltd.,Tianjin300456,China）

Abstract：Combined with the application ofunderwatersand compaction pile engineering,we introduced the reinforcement mechanism and adaptto the geologicalconditions and construction parameters determination method,and analyzed the pile body compactness distribution, composite foundation settlement, foundation surface uplift, and sand pile testing time determination usingthemethod ofmathematicalstatistics.Theresultshowsthedrawingmethod can beused in thesoftclayof Cuisgreaterthan 6.0 kPa,thepile bodyaverage compaction doesnotchange according to the inspection interval,completed pile body average compaction can achieve more than medium compactness,composite foundation settlementoccursmainly in the construction period,the post-construction settlementissmalland the post-construction settlementrate ofconvergence is remarkable.

Keywords：sand compaction pile;pilebodycompactness;compositefoundation settlement;uplift

基金項目：國家支撐計劃課題項目（2011BAG07B02）

收稿日期：2015-03-27修回日期：2015-04-17

doi：10.7640/zggwjs201510003

文章編號：2095-7874（2015）10-0013-05

文獻標志碼：A

中圖分類號：U655.54；TU472.32

作者簡介：朱勝利（1965—），男，河北正定縣人，高級工程師，港口及航道工程專業(yè)。E-mail：zhushengli2000@sina.com