水下擠密砂樁擠密擴徑停錘標準

張曦，吳心怡，時蓓玲，胡小波，張海

（1.中交上海三航科學研究院有限公司，上海　200032；2.中交第三航務工程局有限公司，上海　200032）

水下擠密砂樁擠密擴徑停錘標準

張曦1，吳心怡1，時蓓玲2，胡小波1，張海1

（1.中交上海三航科學研究院有限公司，上海200032；2.中交第三航務工程局有限公司，上海200032）

分析水下擠密砂樁成樁特點，依托港珠澳大橋工程開展水下擠密砂樁成樁過程現場測試，利用動端阻力及沉管速率等測試成果，提出擠密擴徑時的停錘標準，提高了水下擠密砂樁的施工工效，為工程建設節約了工程成本。

擠密砂樁；停錘標準；端阻力；現場測試

0　引言

水下擠密砂樁是在專用的砂樁船上通過振動沉管設備和管腔加壓裝置把砂強制壓入水下軟弱地基中，經過振動拔管、回打、擠密擴徑，形成擠密砂樁。水下擠密砂樁對地基的適應性強，用于軟弱地基加固時同時具有置換作用、擠密作用、加快固結作用，能直接、快速、顯著地提高軟弱地基的承載力，減少工后沉降，對后繼工序的快速推進十分有利。高置換率的擠密砂樁地基相當于中密或密實的均質砂基，可以直接成為重力式結構的基礎[1]。我國對擠密砂樁技術的研發始于2004年，中交第三航務工程局有限公司于2006年通過自主創新成功研制出國產化擠密砂樁施工船[2]。近期依托港珠澳大橋人工島工程研制了新一代擠密砂樁施工船，在工程區域大范圍的應用，取得了滿意的效果，并在對水下擠密砂樁加固機理及設計計算方法研究的基礎上[3]，編制了擠密砂樁設計計算軟件[4]，為工程設計提供了便利。

水下擠密砂樁施工過程中常會遇到硬夾層，使擠密擴徑困難，無法達到設計直徑，此時的強度或已能滿足地基加固的要求。因而，需要根據振動體系性能及地質情況，提出一種適用于擠密擴徑的停錘標準。

1　擠密砂樁成樁特點分析

對水下擠密砂樁工藝流程進行梳理分析，成樁特點體現在以下幾個過程:

1）在沉管過程中，利用振動錘將砂樁套管打設至預定高程，并控制套管內空氣壓力使套管外土體不涌入管內。

2）在上拔套管排出砂料的過程中，調節套管內空氣壓力使管內砂料順利排出。

3）在擠密擴徑階段，利用振動錘和管端結構將砂柱振動回打擴徑，形成擠密砂樁。

水下擠密砂樁振動成樁時，在樁管頂設置電動振動錘，使樁管產生垂直的上下振動，造成樁及樁管周圍土體處于強迫振動狀態，從而使樁管周圍土體強度顯著降低和樁間土體擠開。振動錘激振力的傳遞受偏心影響較大，而在擠密砂樁成樁過程中，樁管端部的力更能反映出振動錘振動能量的發揮程度，因而找出樁管端部力的變化規律更為實用。

通過查閱國內外文獻，對于動端阻力的計算通常有閉口樁形式和開口樁形式。由于擠密砂樁在沉管及擠密擴徑過程中，利用套管內壓力保持管內砂柱高度，保證管外土體不進入套管內，因而擠密擴徑過程更接近于閉口樁形式。

2　試驗區域地質與水文情況

為研究水下擠密砂樁擠密擴徑時的停錘標準，在港珠澳大橋東人工島西側約300 m處開展現場測試。試驗區域的靜力觸探孔為CPTU267，地質剖面圖如圖1所示，各地層描述如表1。

圖1　試驗場地地質剖面圖Fig.1　Geological section map of test site

表1　地質特性Table 1　Geological characteristics

試驗區域為島隧過渡段，先將上部淤泥層挖除至-20.8 m，再打設擠密砂樁對下部-24.41~ -36.74 m黏土層進行地基處理。

試驗區域水位隨潮汐而變化，據2011年內伶仃潮汐表及勘察期間現場觀測資料顯示，平均潮差1.75 m，最大潮差2.81 m，平均水位約1.2 m。

3　測點布置

針對擠密砂樁的成樁特點，重點關注振動錘的打設能力、砂樁套管的管端結構形式以及管內的空氣壓力控制等內容，利用三航砂樁6號開展試驗。為測試水下擠密砂樁成樁過程中的端部壓力，在樁套管底面圓形端板處安裝光纖光柵式壓力傳感器進行測試，如圖2。壓力傳感器標準量程為5 MPa，精度為0.3%FS，靈敏度為0.1%FS，工作溫度為-30～+80℃。除在端部布置壓力傳感器外，還布設了加速度、軸力等傳感器。

端部壓力傳感器安裝于砂樁套管底部圓形端板處。圓形端板距離套管底部約0.5 m。壓力傳感器的外圈焊接一塊鋼板，防止土壓力的應力集中（圖3）。壓力傳感器安裝完成后，在套管內部焊接保護鋼管，保護壓力傳感器的光纜。在砂樁套管外側開孔，以便光纜穿出套管。

圖2　傳感器布置圖Fig.2　Arrangement of sensors

圖3　壓力傳感器安裝Fig.3　Installation of pressure sensor

4　擠密擴徑過程分析

由擠密砂樁的成樁特點可知，擠密砂樁的形成是先將套管內的砂柱排出，然后通過回打過程使其擠密擴徑，最終形成一段擠密砂樁。在這個擠密擴徑的過程中，首先要將排出套管的砂柱壓實，再將土體破壞，最后形成擠密砂樁。

隨著擠密砂樁復合地基置換率的提高，樁周土體不斷被擠出、破壞，特別是對于高置換率的擠密砂樁復合地基，其樁周土體的物理力學參數已完全不同于原狀土，從而造成計算參數難以取值。下面結合打樁過程GL記錄曲線對其進行分析（見圖4）[5]。以第一次擠密循環為例。

圖4　端部壓力時程曲線Fig.4　Time-history curve of tip pressure

在擠密循環開始的20 s左右，動端阻力幾乎以直線形式迅速上升，且沉管速率也較大。對擠密過程最初20 s的數據進行統計發現，最初20 s的沉管速率均在1.5 m/min左右，說明在擠密的最初始階段，影響擠密速率的主要因素為砂柱本身的顆粒密實度。在每個擠密循環的20 s以后，樁端動端阻力的峰值保持在一個相對穩定的值，在該階段的GL-時程曲線的斜率較小，貫入速率較小，產生此現象的主要原因是在剛開始的階段，砂柱本身較松散且砂柱周圍土體對砂柱的側向約束較弱，在振動力作用下，砂柱較容易被擠壓出去形成直徑更大的砂柱，隨著擠密的進行，砂柱周圍的土體對砂柱的側向約束越來越強，且砂柱本身的密實度變大，故沉管速率迅速下降。將擠密循環過程中壓密后的動端阻力測試值與沉管速率進行統計對比見表2。

表2　動端阻力測試值與沉管速率對比Table 2　Comparison of dynamic tip resistance test value and sinking rate

從表2可看出，隨著深度的不斷上升，在淺部土層擴徑較為容易，形成的擠密砂樁直徑相對較大。在每個擠密循環的后期，動端阻力穩定后沉管速率相應變小，均小于0.2 m/min，說明隨著時間的增加實際貫入的量很小，在這種情況下，如果一味的延長振動時間并無太多的實際意義，反而會增大施工成本和機械損耗。因此在施工過程中，接近擠密極限時采用合適的控制沉管速率是相當必要的。通過分析發現，0.2 m/min的沉管速率可作為擠密擴徑時的停錘標準。

5　實施效果

在港珠澳大橋工程水下擠密砂樁施工中，利用此停錘標準進行施工控制，大幅提升了施工效率，節約了成本。施工后采用標貫檢測方法進行質量檢測，典型標準貫入試驗成果圖見圖5所示，標貫擊數滿足設計要求，說明此停錘標準既滿足了施工質量的要求，又提高了施工效率。

圖5　典型標準貫入試驗成果圖Fig.5　Results of typical standard penetration test

6　結語

在對擠密砂樁成樁理論分析的基礎上，通過現場試驗，利用樁端動端阻力和施工過程砂樁套管的沉管速率對擠密擴徑進行分析，提出了擠密擴徑時的停錘標準。

在試驗測試過程中發現，振動系統已達到極限狀態，并出現了樁架晃動現象，說明此停錘標準仍過于嚴格，另外，此時標貫N值也早已滿足設計的要求。此次提出的停錘標準是針對港珠澳工程的土質情況，在今后的應用中，還需積累其他工程的經驗進行補充完善。

[1]寺師昌明.擠密砂樁設計與施工[M].日本:地質工學會，2009. TERASHI Masaaki.Design and construction of sand compaction piles[M].Japan:Geology Engineering Society,2009.

[2]尹海卿.水下擠密砂樁加固軟土地基技術[M].北京:人民交通出版社，2013:18-49. YIN Hai-qing.A technique to treat the marine soft ground using sand compaction pile[M].Beijing:China Communications Press, 2013:18-49.

[3]張曦，吳心怡，尹海卿.水下擠密砂樁加固機理及沉降計算方法[J].中國港灣建設，2010（S1）:148-150. ZHANG Xi,WU Xin-yi,YIN Hai-qing.Reinforcing mechanism and settlement calculation method of sand compaction pile under the water[J].China Harbour Engineering,2010(S1):148-150.

[4]吳心怡，張曦，龔濟平，等.擠密砂樁復合地基設計計算軟件研發[J].中國港灣建設，2015，35（6）:1-3，69. WU Xin-yi,ZHANG Xi,GONG Ji-ping,et al.Developing a software for design and calculation of SCP composite foundation[J]. China Harbour Engineering,2015,35(6):1-3，69.

[5]吳心怡，王海燕，胡小波，等.光纖光柵傳感技術在水下擠密砂樁擠密擴徑研究中的應用[J].中國港灣建設，2015，35（8）:14-16. WU Xin-yi,WANG Hai-yan,HU Xiao-bo,et al.Application of FBG sensor technology in the study on compacted expanding of underwater sand compaction pile[J].China Harbour Engineering, 2015,35(8):14-16.

Driving stop criterion for compacted expanding of underwater sand compaction pile

ZHANG Xi1,WU Xin-yi1,SHI Bei-ling2,HU Xiao-bo1,ZHANG Hai1
（1.CCCC Shanghai Third Harbor Engineering Science Technology Research Institute Co.,Ltd.,Shanghai 200032,China; 2.CCCC Third Harbor Engineering Co.,Ltd.,Shanghai 200032,China）

We analyzed the forming characteristics of underwater sand compaction piles,carried out the site test in the process of pile relying on the Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge project,and put forward driving stop criterion while compacted expanding based on the test results of dynamic tip resistance and installation speed.The study has improved the construction efficiency of underwater sand compaction piles,and saved the construction project cost.

sand compaction pile;driving stop criterion;tip resistance;site test

U655.54；TU472.32

A

2095-7874（2016）02-0030-04

10.7640/zggwjs201602007

2015-09-14

國家支撐計劃課題項目港珠澳大橋跨海集群工程建設關鍵技術研究與示范（2011BAG07B00）課題二外海厚軟基橋隧轉換人工島設計與施工關鍵技術（2011BAG07B02）

張曦（1979— ），男，天津市人，博士，高級工程師，巖土工程專業。E-mail:zhangxi-1979@163.com