外海擠密砂樁復(fù)合地基水下堆載預(yù)壓加固效果監(jiān)測及分析

張怡戈，王娟

（中交一航局第一工程有限公司，天津 300456）

外海擠密砂樁復(fù)合地基水下堆載預(yù)壓加固效果監(jiān)測及分析

張怡戈，王娟*

（中交一航局第一工程有限公司，天津 300456）

港珠澳大橋西人工島島外過渡段E1-S3～E4-S3淤泥深厚，采用擠密砂樁+堆載預(yù)壓處理，利用擠密砂樁作為排水通道。為確保該段基礎(chǔ)處理結(jié)果達(dá)到設(shè)計要求的固結(jié)度，需在堆載期進(jìn)行沉降監(jiān)測，得到加載期間的固結(jié)沉降及殘余沉降。根據(jù)工程特點，在過渡段堆載預(yù)壓區(qū)內(nèi)，通過復(fù)合地基表層沉降監(jiān)測了解地基加固過程的總沉降量，分析復(fù)合地基的最終沉降量和殘余沉降，推算平均固結(jié)度，確定卸載時間，并評價地基的加固效果。

擠密砂樁；復(fù)合地基；堆載預(yù)壓；沉降監(jiān)測

1 工程概況

港珠澳大橋跨越珠江口伶仃洋海域，是連接香港、珠海及澳門的大型跨海通道。大橋全長約35.0 km，采用橋隧組合方案，橋隧通過東、西人工島銜接。

隧道沉管段是港珠澳大橋島隧工程的重點和難點，而沉管段的基礎(chǔ)處理結(jié)果直接影響隧道沉管的施工質(zhì)量。擠密砂樁施工根據(jù)地質(zhì)條件不同設(shè)為不同置換率，其中E4-S4～E6沉管管節(jié)下臥淤泥較薄，采用高置換率擠密砂樁處理軟土層并清除隆淤，無需堆載預(yù)壓即可滿足要求。E1-S3～E4-S3淤泥深厚，采用擠密砂樁+堆載預(yù)壓處理，利用擠密砂樁作為排水通道。根據(jù)不同樁徑的擠密砂樁分為A1、A2、A3、A4、A5共5個區(qū)域（見圖1）。E1-S5～E4-S4（部分）管節(jié)兩側(cè)范圍內(nèi)布設(shè)排水砂井，共分為B1、B2兩個區(qū)域。E1-S3～E4-S3擠密砂樁樁頂標(biāo)高為-16.4～-22.7 m，樁底標(biāo)高為-34.4～-37.0m，堆載頂標(biāo)高為-2.5～-13.0m[1]。

本文主要研究對象為沉管隧道西島過渡段地基處理，具體為E1-S3～E5管節(jié)、E6管節(jié)（部分）對應(yīng)的隧道基礎(chǔ)。為了保證施工質(zhì)量，確定固結(jié)沉降及后期殘余沉降，對西人工島附近的E1、E2和E3管節(jié)所在區(qū)段的A1、A2、A3區(qū)進(jìn)行堆載期監(jiān)測，見圖1。堆載預(yù)壓采用5～80 mm碎石，兩側(cè)回填防臺或防沖刷的規(guī)格塊石并在局部區(qū)域安裝防臺用實心塊體混凝土。

圖1 過渡段地基處理分區(qū)圖Fig.1 Foundation treatmentpartitionsof transition period

2 水下監(jiān)測施工方案

2.1 監(jiān)測方案

監(jiān)測區(qū)域?qū)匍_敞海域，天氣復(fù)雜多變，災(zāi)害性天氣頻發(fā)，多種施工船舶交叉作業(yè)，工期要求嚴(yán)格，自然環(huán)境和人為因素給堆載預(yù)壓監(jiān)測提出了一系列的技術(shù)難題。

為了達(dá)到設(shè)計要求的加固效果，保證隧道過渡段地基在堆載過程的安全穩(wěn)定，必須建立完整有效的監(jiān)測體系。

主要監(jiān)測項目包括：表層液體壓差式沉降觀測和分層多點位移計觀測。表層沉降觀測采用液體壓差式沉降儀進(jìn)行監(jiān)測，通過對復(fù)合地基地表沉降的監(jiān)測，了解復(fù)合地基加固過程的平均沉降量，分析地基的最終沉降量和殘余沉降，推算地基的平均固結(jié)度。分層多點位移觀測采用分層多點位移計進(jìn)行觀測，通過測定加固土層下部的壓縮變形量及壓縮過程，掌握土體在荷載作用下產(chǎn)生的影響，分析檢驗土體變形，控制工程質(zhì)量，驗證設(shè)計計算的土層壓縮量[2-4]。

西島過渡段堆載預(yù)壓期間，共布置了14組表層沉降、6組分層沉降。表層沉降觀測點及分層多點位移觀測點布置詳見圖2。

圖2 沉降觀測點布置圖Fig.2 Observation point layout of settlem ent

2.2 數(shù)據(jù)采集及傳輸

本次地基處理監(jiān)測共有6個監(jiān)測斷面，最遠(yuǎn)斷面離西人工島距離約356 m，因此監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集可采用長導(dǎo)線沿隧道軸向引至西人工島鋼圓筒后進(jìn)行陸上自動采集并進(jìn)行無線傳輸，這一方法技術(shù)成熟，避免了自動采集和數(shù)據(jù)發(fā)送設(shè)備的水下密封處理環(huán)節(jié)。數(shù)據(jù)采集及發(fā)送設(shè)備便于維護(hù)保養(yǎng)，極大地降低了整個系統(tǒng)的風(fēng)險，保證了數(shù)據(jù)的連續(xù)性，并節(jié)約成本。針對港珠澳大橋處于外海的工程特點，GPRS網(wǎng)絡(luò)信號較弱，因此采用了一套CDMA和Internet網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。

2.3 監(jiān)測頻率

加載期間監(jiān)測頻率為1～2次/d，特殊情況時進(jìn)行加密觀測或連續(xù)觀測，滿載后1次/d，直至卸載完成后1周結(jié)束。

2.4 卸載標(biāo)準(zhǔn)

堆載預(yù)壓滿載期結(jié)束后，根據(jù)實測地表沉降與時間關(guān)系曲線推算地基固結(jié)度不低于90%方能卸載。

3 地基沉降分析

3.1 堆載過程

-9.0 m平臺以東區(qū)域（主要是A3區(qū)）的碎石拋填從2012年4月27日開始，到5月18日基本達(dá)到堆載高度要求，6月16日通過驗收，并開始滿載計時，截止到9月12日該區(qū)域從開始堆載累計138 d，滿載計時88 d。-9.0 m平臺以西區(qū)域從2012年5月27日開始堆載，到2012年6月12日基本達(dá)到堆載高度要求，2012年7月17日通過驗收并開始滿載計時，截止到9月12日該區(qū)域從開始堆載累計108 d，滿載計時57 d。各個測點在不同時間的堆載高度見表1。

3.2 表層沉降分析

3.2.1 表層沉降監(jiān)測

表層監(jiān)測點共12個（A1、A3、B、D1、D2、D3、E1、E2、E3、F1、F2和F3），表層沉降數(shù)據(jù)為2.9～7.2 cm，沉降速率較低，為0.02～0.17 mm/d。

對于最終沉降及固結(jié)度的推算，采用雙曲線法及Asaoka法兩種方法分別計算，并分別求出固結(jié)度及殘余沉降，兩種方法相互校核[5]。

采用雙曲線法處理表層沉降數(shù)據(jù)，其具體結(jié)果見表2。Asaoka法分析的表層沉降量及固結(jié)度匯總見表3。

3.2.2 表層沉降分析結(jié)論

最終沉降量、殘余沉降和固結(jié)度均是在目前的預(yù)壓荷載作用下根據(jù)實測沉降曲線按兩種方法進(jìn)行計算的，由上述計算分析結(jié)果可知：

1）由于實測沉降量較小，測量數(shù)據(jù)受外界復(fù)雜環(huán)境干擾相對較大，兩種方法中雙曲線法推算的固結(jié)度較低，最終沉降較大，為保守起見以雙曲線計算結(jié)果作為評估標(biāo)準(zhǔn)。

表2雙曲線法分析的固結(jié)度匯總表Table 2 Summary of degree of consolidation analyzed by hyperbolam ethod

表3 Asaoka法分析的固結(jié)度匯總表Tab le3 Summary ofdegreeof consolidation analyzed by Asaokamethod

2）兩種方法推算出的固結(jié)度平均值均大于90%，有個別沉降觀測點推測的固結(jié)度偏低，但是因為實測沉降量本身較小，所以殘余沉降也較小。

3）E斷面與F斷面堆載區(qū)外側(cè)的邊界條件不同（E斷面外側(cè)為排水砂井，F(xiàn)斷面為擠密砂樁），因而兩斷面的沉降變化趨勢并不完全相同。

4）兩種方法推算的平均殘余沉降雙曲線法為5.8 mm，Asaoka法為2.4 mm，預(yù)壓荷載下殘余沉降量值較小。由于施工期為超載預(yù)壓，超載比為1.3，故使用期荷載作用下主固結(jié)沉降已完成。

3.3 分層沉降分析

3.3.1 分層沉降監(jiān)測

共設(shè)有6組分層沉降點分別為A11～A16、D11～D16、E11～E16、E21～E26、E31～E36和F11～F16，每組分層沉降共布設(shè)6個分層沉降磁環(huán)，磁環(huán)穿透了擠密砂樁復(fù)合地基并進(jìn)入密實砂層。各磁環(huán)沉降隨時間變化曲線規(guī)律與表層沉降變化規(guī)律相同。

3.3.2 分層沉降分析及結(jié)論

根據(jù)預(yù)壓期間實測的6個分層沉降數(shù)據(jù)，擠密砂樁復(fù)合地基部分土層壓縮量在1.3～2.3 mm/m之間，說明由擠密砂樁復(fù)合地基處理的淤泥及淤泥質(zhì)土層得到明顯改善。

4 結(jié)語

1）根據(jù)表層沉降觀測資料：擠密砂樁置換率為70%的A1區(qū)各表層測點發(fā)生的沉降在33.9～42.2 mm之間，平均沉降量為38.5 mm，平均固結(jié)度為93.7%，平均殘余沉降為2.6 mm；置換率為55%的A2區(qū)各表層測點發(fā)生的沉降在29.4～49.8 mm之間，平均沉降量為40.3 mm，平均固結(jié)度為83.4%，平均殘余沉降為8 mm；置換率為42%的A3區(qū)西各表層測點發(fā)生的沉降在45.8～71.4 mm之間，平均沉降量為61.7 mm，平均固結(jié)度為92.9%，平均殘余沉降為4.7mm；A3區(qū)東各表層測點發(fā)生的沉降在62.1～64.9 mm之間，平均沉降量為63.1 mm，平均固結(jié)度為82.3%，平均殘余沉降為13.6mm。

2）根據(jù)分層沉降觀測資料，主要處理土層的壓縮量較小，地基承載力及地基剛度得到極大的改善。

綜合以上監(jiān)測資料分析，沉管過渡段堆載預(yù)壓處理地基在當(dāng)前荷載下已完成大部分固結(jié)沉降，固結(jié)度達(dá)到90%以上，推算的當(dāng)前預(yù)壓荷載下的殘余沉降滿足設(shè)計要求，并且通過實際工程驗證效果良好。

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M onitoring and analysis of reinforcement effect of stack preloading for sand compaction pile com posite foundation in open sea

ZHANGYi-ge,WANG Juan*
（No.1Eng.Co.,Ltd.ofCCCCFirstHarborEngineeringCo.,Ltd.,Tianjin 300456,China）

The transition sections from E1-S3 to E4-S3 of the west island of the Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge are deep mud,itused sand compaction piles and stack preloading as treatments,in which,sand compaction pileswas used as a drainage channel.In order to ensure the foundation treatment results meeting the design requirements of degree of consolidation, settlementmonitoring need to do in the loading period,such to obtain the consolidation settlement and residual settlement during loading.Based on the engineering characteristics,in the stack preloading area of transition section,the total settlement during foundation reinforcement process would be known through the surface settlementmonitoring of composite foundation, then we analyzed the final settlement and residual settlement of composite foundation,and calculated the average degree of consolidation,determined the unloading time,and evaluated the strengtheningeffectof foundation.

sand compaction pile;composite foundation;stack preloading;settlementmonitoring

U655.544

A

2095-7874（2015）11-0020-05

10.7640/zggw js201511006

2015-10-12

2015-10-29

張怡戈（1979— ），男，云南南澗人，工程碩士，高級工程

師，副經(jīng)理，建筑與土木工程專業(yè)。

*通訊作者：王娟，E-mail：wangjuan880726@163.com