擠密砂樁加固外海深厚軟土沉管隧道基礎(chǔ)

何洪濤，李建宇，林佑高，王坤

（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，廣東 廣州 510230）

0 引言

擠密砂樁（Sand Compaction Pile，簡稱SCP）工法是一種通過振動將粗粒料（通常為砂）用樁管壓入軟弱地基中，并反復(fù)向下擠壓使得砂樁擴(kuò)徑，使其周圍地基發(fā)生側(cè)向擠壓而地基變得密實(shí)的地基加固方法[1]。這種工法通過將高強(qiáng)度的密實(shí)砂樁與軟弱地基結(jié)合形成復(fù)合地基，有減小沉降、促進(jìn)排水固結(jié)、增大地基整體剛度、增加滑動阻力、提高地基承載力及側(cè)向變形的作用，達(dá)到地基改良的目的[1-6]。

擠密砂樁工法適用于大部分砂性土地基和黏性土地基。根據(jù)工作場地的不同，分為陸上擠密砂樁工法和海上擠密砂樁工法。陸上擠密砂樁工法一般用于堤壩、堆場及建筑物基礎(chǔ)，而海上擠密砂樁一般應(yīng)用于防波堤、護(hù)岸及碼頭[2-4]。相比于陸上擠密砂樁工法，海上擠密砂樁工法加固黏性土地基可形成直徑約1.6～2.0 m、置換率在30%～80%范圍的大直徑高置換率擠密砂樁，且處理深度可達(dá)水下70 m左右[1]，能有效處理海底深部軟弱土層。目前，海上擠密砂樁工法已經(jīng)成功應(yīng)用在港珠澳大橋島隧工程沉管隧道基礎(chǔ)工程[7-12]，文章主要針對擠密砂樁工法處理沉管隧道基礎(chǔ)軟弱黏性土地基的加固機(jī)理、設(shè)計方法、處理效果進(jìn)行闡述。

1 擠密砂樁加固黏性土地基機(jī)理

1.1 基本原理

擠密砂樁在黏性土地基形成的樁體與周圍的樁間黏性土形成復(fù)合地基，在荷載作用下，復(fù)合地基中樁體與樁間土共同承載上部結(jié)構(gòu)傳遞的荷載[1]，基本原理見圖1。

圖1 擠密砂樁加固黏性土復(fù)合地基示意圖Fig.1 Schematicdiagramofconsolidationofclaycomposite foundation by compacted sand pile method

復(fù)合地基樁體面積為As，加固的總面積為A，則置換率m可用As和A形成如下公式：

當(dāng)復(fù)合地基受到豎向荷載時，由于樁體與樁間土的剛度不同，在樁體上會出現(xiàn)應(yīng)力集中。作用于樁體上的應(yīng)力σs與作用于樁間土上的應(yīng)力σc之比為樁土應(yīng)力比n。根據(jù)垂直方向上的總應(yīng)力σ、樁土應(yīng)力比n和置換率m可計算出樁體上的應(yīng)力σs和樁間土上的應(yīng)力σc。假定擠密砂樁體和樁間土發(fā)生的應(yīng)變相同，則可用公式（2）到（4）表達(dá)上述應(yīng)力：

式中：μs為應(yīng)力集中系數(shù)；μc為應(yīng)力降低系數(shù)或應(yīng)力修正系數(shù)。

1.2 加固機(jī)理

擠密砂樁加固黏性土地基主要有以下幾個作用[1，3，6]：

1）置換作用：對于黏性土地基，特別是飽和軟黏土，擠密砂樁通過向軟土地基壓入高強(qiáng)度砂料將軟弱土層強(qiáng)制排開并置換，在地基中形成高密實(shí)度和大直徑的樁體，它與原黏性土形成復(fù)合地基共同工作，從而提高了地基的整體穩(wěn)定性和抗破壞能力。

2）排水作用：擠密砂樁置換了地基中部分黏性土后，形成良好的豎向排水通道，由于砂樁縮短了排水距離，從而可加快地基的固結(jié)速率，有效地加速荷載產(chǎn)生的超孔隙水壓力的消散，加速地基的沉降。結(jié)合排水固結(jié)預(yù)壓，擠密砂樁復(fù)合地基能有效降低工后殘余沉降。

3）擠密作用：擠密砂樁通過貫入、擴(kuò)徑形成大直徑的樁體，使得軟弱樁間土擠出，相對密實(shí)樁間土留下，從而增強(qiáng)地基整體穩(wěn)定能力和承載力，特別是對于置換率低于40%的擠密砂樁復(fù)合地基有較好的加固作用。

1.3 設(shè)計方法

擠密砂樁復(fù)合地基是一種散體材料樁復(fù)合地基，與其他類型的復(fù)合地基相比，散體材料樁復(fù)合地基的特點(diǎn)是樁體材料主要為砂石料，施工工藝通過擠密、置換作用將砂石料壓入軟弱地基中形成擴(kuò)徑樁體，不僅有減小沉降、提高承載力的作用，而且還有加快黏性土地基固結(jié)的作用。

1）沉降計算

擠密砂樁復(fù)合地基的沉降s可采用應(yīng)力修正法計算[6]，計算公式如下：

式中：s0為天然地基沉降；n為樁土應(yīng)力比；m為復(fù)合地基置換率；μc為應(yīng)力修正系數(shù)。應(yīng)力修改法計算沉降的關(guān)鍵在于樁土應(yīng)力比的合理確定，根據(jù)大量不同置換率下的擠密砂樁復(fù)合地基實(shí)測沉降數(shù)據(jù)分析，沉管隧道剛性荷載下擠密砂樁復(fù)合地基的樁土應(yīng)力比一般在5～10左右。

2）固結(jié)分析

擠密砂樁復(fù)合地基的固結(jié)符合經(jīng)典豎井固結(jié)理論[1，3，6]，即豎井地基總的平均固結(jié)度 Uvh，由豎向排水固結(jié)度Uv和水平向排水固結(jié)度Uh組成，采用如下公式：

式中：Tv為豎向排水時間因子；cv為豎向固結(jié)系數(shù)；Th為水平向排水時間因子；ch為水平向固結(jié)系數(shù)；F（N）為井徑比。擠密砂樁施工造成樁間土擾動會影響到復(fù)合地基的正常固結(jié)，即產(chǎn)生固結(jié)延遲效應(yīng)，因此沉管隧道擠密砂樁復(fù)合地基的固結(jié)分析采用固結(jié)系數(shù)修正法，即采用修正后的水平固結(jié)系數(shù)c′h代替初始水平固結(jié)系數(shù)ch。根據(jù)大量的擠密砂樁復(fù)合地基實(shí)測沉降時間曲線分析，復(fù)合地基實(shí)測數(shù)據(jù)推算的固結(jié)系數(shù)c′h與室內(nèi)試驗(yàn)得到的固結(jié)系數(shù)ch之比，即固結(jié)延遲率c′h/ch大部分處于0.03～1.0之間。

2 場地條件

港珠澳大橋島隧工程位于珠江口伶仃洋水域，場地主要土層從上到下依次主要為①全新世海相沉積淤泥層（）、②晚更新世陸相沉積黏土層（）、③晚更新世海陸交互相沉積黏土層（）、④晚更新世陸相沖洪積沉積砂層（）、⑦震旦紀(jì)變質(zhì)層（Z），圖2為典型地質(zhì)剖面圖[13]。其中表層為厚度約10～20 m、呈流塑～軟塑狀態(tài)的軟弱黏性土，沉管隧道沿線均有分布，但是由于沉管隧道的埋深不一，中間段大部分軟土基本被挖除，而在兩側(cè)的過渡段存在變化的軟土厚度，這將是沉管隧道基礎(chǔ)沉降控制的關(guān)鍵點(diǎn)。典型孔壓靜力觸探CPTU測試結(jié)果見圖3，場地主要土層的物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

圖2 港珠澳大橋島隧工程地質(zhì)剖面示意圖Fig.2 Geological profile diagram of the Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge island and tunnel project

圖3 典型孔壓靜力觸探CPTU測試結(jié)果Fig.3 Typical CPTU test results

表1 場地主要土層的物理力學(xué)指標(biāo)Table 1 Physical and mechanical index of main soil layer in site

3 沉管隧道擠密砂樁復(fù)合地基

3.1 沉管隧道基礎(chǔ)

傳統(tǒng)的沉管隧道一般位于海（河）床表面上，基槽開挖量不大，上覆荷載小，對地基要求不高，即怕浮不怕沉[14]。但港珠澳大橋沉管隧道為深埋沉管隧道，上覆回淤荷載大，下臥軟基厚，對地基要求高，沉降問題甚至是工程建設(shè)成敗的關(guān)鍵。特別是港珠澳大橋沉管隧道通過海中人工島與橋梁段相連接，與人工島相鄰的西島過渡段、東島過渡段存在厚度變化的海相軟弱黏性土，沉管隧道需跨越不同地層，工程地質(zhì)條件復(fù)雜。

經(jīng)過計算，對比分析了沉管隧道在使用荷載條件下不進(jìn)行地基處理和進(jìn)行地基處理的總沉降，見圖4。

圖4 沉管隧道在使用荷載條件下不進(jìn)行地基處理和進(jìn)行地基處理的總沉降Fig.4 The total settlement of immersed tunnel without and with ground improvement under load conditions

結(jié)果表明，沉管隧道只有在中間段可不進(jìn)行地基處理滿足設(shè)計要求，沉管隧道過渡段為滿足差異沉降的設(shè)計要求，必須進(jìn)行地基處理或采用深基礎(chǔ)滿足差異沉降控制要求。早期使用剛性接頭的沉管隧道多使用偏剛性的樁基礎(chǔ)，但水力壓接的柔性接頭出現(xiàn)后，沉管隧道基礎(chǔ)較多地采用了復(fù)合地基進(jìn)行地基處理。

為實(shí)現(xiàn)隧道與地基剛?cè)釁f(xié)調(diào)和沉降平穩(wěn)過渡至人工島，將沉降差控制在隧道結(jié)構(gòu)可承受的范圍內(nèi)，沉管隧道基礎(chǔ)采用了天然地基、擠密砂樁復(fù)合地基、高壓旋噴樁復(fù)合地基、PHC復(fù)合地基形成組合基礎(chǔ)，以滿足整個沉管隧道沉降與剛度的協(xié)調(diào)一致。

3.2 擠密砂樁復(fù)合地基

沉管隧道過渡段的擠密砂樁復(fù)合地基有兩種方案[13]。附加應(yīng)力 <0的區(qū)段用高置換率擠密砂樁復(fù)合地基的處理方式，擠密砂樁采用了直徑1.5～1.6 m，間距1.8 m×1.8 m的正方形布置，置換率約為55%～62%，典型斷面見圖5；附加應(yīng)力＞0的區(qū)段用擠密砂樁復(fù)合地基結(jié)合水下堆載預(yù)壓的處理方式，擠密砂樁采用了直徑1.5～1.7m，間距為2.1m×2.1m、1.8 m×1.8 m的正方形布置形式，置換率約為42%～70%，超載比約為1.3，堆載區(qū)域兩側(cè)還設(shè)置了直徑1.0 m、間距為2.7 m×2.7 m正方形布置、置換率約為11%的排水砂井作為堆載預(yù)壓期排水通道，典型橫斷面見圖6。

圖5 未采用堆載預(yù)壓的擠密砂樁復(fù)合地基Fig.5 SCP composite foundation without preloading

圖6 采用堆載預(yù)壓的擠密砂樁復(fù)合地基Fig.6 SCP composite foundation with preloading

4 加固效果

4.1 堆載施工期

由于沉管隧道西島過渡段管節(jié)E1-S3～E4-S3區(qū)段和東島過渡段地基軟弱淤泥層深厚，設(shè)計采用擠密砂樁復(fù)合地基結(jié)合堆載預(yù)壓加固處理，擠密砂樁不僅作為復(fù)合地基的豎向增強(qiáng)體，同時也作為堆載預(yù)壓期間的排水通道。沉管隧道過渡段水下堆載預(yù)壓監(jiān)測主要采用了地表沉降和分層沉降監(jiān)測[15-16]。

1）西島過渡段

圖7為西島過渡段K12+486.75里程位置沉降監(jiān)測斷面圖，沉降標(biāo)埋設(shè)高程分別為-19.5 m（擠密砂樁頂）、-27.0 m、-30 m、-33 m、-36 m、-42 m（密實(shí)砂層頂）。圖8為堆載預(yù)壓期間擠密砂樁復(fù)合地基分層沉降隨時間變化曲線。西島過渡段K12+486.75里程的擠密砂樁樁徑1.5 m，采用間距為1.8 m×1.8 m的正方形布置，置換率約為55%，水下堆載厚度約13 m。

圖7 西島過渡段擠密砂樁復(fù)合地基沉降監(jiān)測斷面圖（K12+486.75）Fig.7 Cross section of settlement monitoring for SCP composite foundation at K12+486.75

圖8 堆載預(yù)壓期間擠密砂樁復(fù)合地基分層沉降隨時間變化曲線（K12+486.75）Fig.8 Field settlement against time curves for SCP composite foundation during surcharge preloadingat K12+486.75

從圖8可知，擠密砂樁復(fù)合地基沉降隨著前期荷載施加約30 d期間快速增長，后期在約120 d的滿載期間，沉降隨著時間不斷發(fā)展并逐漸收斂，最后在滿載約150 d時沉降穩(wěn)定，復(fù)合地基樁頂最大沉降約53 mm，最終沉降速率約為0.01 mm/d，深部土層的分層沉降在荷載施加完成后基本無變化。

2）東島過渡段

圖9為東島過渡段K7+171.57里程位置沉降監(jiān)測斷面圖，沉降標(biāo)埋設(shè)高程分別為-23 m（擠密砂樁頂）、-48 m、-51 m、-54 m、-57 m、-60 m。圖10為堆載預(yù)壓期間擠密砂樁復(fù)合地基分層沉降隨時間變化曲線。東島過渡段K7+171.57里程的擠密砂樁分上、下2個部分，其中上部擠密砂樁樁徑1.5 m，采用間距為1.8 m×1.8 m的正方形布置，置換率約為55%；下部擠密砂樁樁徑1.1 m，采用間距為1.8 m×1.8 m的正方形布置，置換率約為29%；水下堆載厚度約12 m。

圖9 東島過渡段擠密砂樁復(fù)合地基沉降監(jiān)測斷面圖（K7+171.57）Fig.9 Cross section of settlement monitoring for SCP composite foundation at K7+171.57

圖10 堆載預(yù)壓期間擠密砂樁復(fù)合地基分層沉降隨時間變化曲線（K7+171.57）Fig.10 Field settlement against time curves for SCP composite foundation during surcharge preloading at K7+171.57

從圖10可知，由于東島過渡段軟土比西島過渡段較厚，因此施工期的沉降更大；擠密砂樁復(fù)合地基沉降隨著前期170 d的荷載加載期間快速增長，后期沉降隨著時間不斷發(fā)展并逐漸收斂，最后在滿載約300 d左右時沉降趨于穩(wěn)定，復(fù)合地基樁頂最大沉降約72 mm，最終沉降速率約為0.01 mm/d，深部土層的分層沉降在荷載施加完成后基本無變化。

4.2 沉管管節(jié)沉降

沉管管節(jié)的沉降是直接反應(yīng)沉管結(jié)構(gòu)和周圍地層穩(wěn)定性的一個重要標(biāo)志，同時通過對沉管管節(jié)沉降監(jiān)測的實(shí)施，可以對管節(jié)沉降的發(fā)展變化進(jìn)行預(yù)測，也為下一管節(jié)的沉放坐標(biāo)修正提供依據(jù)，因此管節(jié)的沉降數(shù)據(jù)是關(guān)系到沉管隧道施工沉放及后期安全性的關(guān)鍵指標(biāo)。

通過在隧道管節(jié)上安放儀器，對管節(jié)外墻的橫向、縱向傾斜進(jìn)行監(jiān)測測量，可以得到管節(jié)在沉放完成后沿軸線方向以及垂直于軸線方向上的傾斜變化情況。該項(xiàng)監(jiān)測可判斷管節(jié)沉放之后的整體姿態(tài)變化，同時用于判斷管節(jié)沉放后的不均勻沉降以及管節(jié)之間的相對位移變化[15-16]。圖11和圖12分別為沉管隧道全線管節(jié)總沉降及差異沉降。

圖11 沉管隧道全線管節(jié)總沉降Fig.11 Total settlement of all immersed tunnel tubes

圖12 沉管隧道全線管節(jié)差異沉降Fig.12 Differential settlement of all immersed tunnel tubes

由圖11和圖12監(jiān)測數(shù)據(jù)表明大部分沉管管節(jié)的總沉降均控制在約8 cm以內(nèi)（除了E33管節(jié)局部異常），差異沉降均控制在1.1‰以內(nèi)。沉管管節(jié)總沉降及差異沉降控制效果良好，滿足由此產(chǎn)生剛度差異引起的上部結(jié)構(gòu)受力及變形要求。

5 討論

擠密砂樁與傳統(tǒng)的排水砂井不同，排水砂井直徑小、置換率低，主要作為豎向排水體加快土體固結(jié)；而擠密砂樁直徑大、置換率高，主要通過置換大部分原地基土體，即在土體中設(shè)置了豎向增強(qiáng)體，與原地基形成復(fù)合地基一起承受上部荷載，共同作用。

擠密砂樁用料主要為砂，環(huán)保無污染，特別適用于環(huán)保要求嚴(yán)格的工程項(xiàng)目。但高置換率擠密砂樁復(fù)合地基造價相對較高，施工過程中同時會產(chǎn)生較大的隆起物不易清除；同時，擠密砂樁樁體的摩擦角要低于碎石樁，因此在相同置換率情況下，擠密砂樁復(fù)合地基強(qiáng)度略低于碎石樁復(fù)合地基。

6 結(jié)論與建議

通過對擠密砂樁復(fù)合地基加固港珠澳大橋沉管隧道基礎(chǔ)的分析，得到以下主要結(jié)論與建議：

1）擠密砂樁工法適用于海相黏性土軟弱地基，通過高強(qiáng)度的密實(shí)樁體和樁間土形成擠密砂樁復(fù)合地基，達(dá)到提高地基承載力、促進(jìn)排水效果、增大地基整體剛度、增加滑動阻力、減小沉降及側(cè)向變形的地基改良目的。

2）港珠澳大橋沉管隧道的擠密砂樁復(fù)合地基主要采用了置換率為40%～70%的高置換率擠密砂樁復(fù)合地基和擠密砂樁復(fù)合地基結(jié)合水下堆載預(yù)壓的地基處理方式，堆載施工期發(fā)生的最大沉降約53～72 mm，最終沉降速率約0.01 mm/d。

3）采用擠密砂樁復(fù)合地基的沉管隧道管節(jié)大部分總沉降控制在約8 cm以內(nèi)，差異沉降在0.11%以內(nèi)，沉管隧道管節(jié)總沉降及差異沉降控制效果良好，實(shí)現(xiàn)了沉管隧道與地基剛?cè)釁f(xié)調(diào)和沉降平穩(wěn)過渡至人工島。