擠密砂樁在沈海高速三嶼互通工程中的應用

■陳長偉

(福寧高速公路有限責任公司，寧德 352000)

1 工程概況

沈海高速公路三嶼互通是寧德上汽項目重要的配套基礎設施項目，位于福安市下白石南浦村及云淡島北側附近，距離三嶼工業(yè)園約2km。通過該項目的建設可以改善三嶼新區(qū)交通出行條件，促進區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展。

場區(qū)主要地貌單元有海岸階地地貌、剝蝕丘陵地貌，局部夾沖洪積溝谷地貌。其中F匝道終點FKl+092～FK1+221.453路基段落屬于沖海積平原地貌，海拔高程-0.3～3.8m，為軟土發(fā)育路段，上部分布沖積土層，下為淤泥-淤泥質土層，厚度2.0～3.0m不等。土層具體工程性質如下：

(1)含水率高。根據(jù)資料統(tǒng)計，淤泥質土的天然含水率平均值為56.8%，淤泥的天然含水率平均值為73%，少數(shù)為100%以上，土體一般呈流塑狀。

(2)天然孔隙比大。根據(jù)本項目軟土統(tǒng)計資料，淤泥質土天然孔隙比在1.18～1.34之間，淤泥的天然孔隙比為1.7，少數(shù)大于 2.0。

(3)壓縮性高。軟土的天然孔隙比大決定了土層的高壓縮性。具本項目軟土統(tǒng)計資料，淤泥的壓縮系數(shù)為1.86MPa-1，淤泥質土的壓縮系數(shù)為0.91MPa-1，均屬于高壓縮性土。

(4)粘聚力小。淤泥質土快剪凝聚力平均值為11.8kPa，淤泥快剪凝聚力平均值為8.9kPa，因此土體抵抗剪切變形能力差。

(5)固結系數(shù)小。根據(jù)項目軟土統(tǒng)計資料，固結系數(shù)一般在0.0038cm2/s左右，因此土體完成固結沉降所需的時間較長，這對施工工期影響較大。

綜上所述，土層呈飽和流塑狀態(tài)，具有含水率大、高壓縮性、低抗剪強度等特性，路基填筑時可能產(chǎn)生過大的沉降甚至滑移，路線穿越時需根據(jù)其厚度、埋深及填方高度等采用砂樁、CFG樁等復合地基結合預壓排水來加固地基。

其中擠密砂樁是一種常用的地基處理技術，一般用于擠密松散砂土、粉土、粘性土、素填土、雜填土等地基。下文將分析擠密砂樁在沈海高速三嶼互通工程地基處理中的應用。

2 擠密砂樁加固機理

擠密砂樁是通過沉管振動法進行施工的，擠密砂樁加固地基的機理主要有4個：擠密作用、排水減壓作用、預震效應、置換作用。

由于沉管砂樁在成樁的過程中樁管對周圍土層產(chǎn)生較大的橫向擠壓力，樁管體積的土體擠向樁管周圍的土層，使樁管周圍的砂土、粉土層孔隙比減小，密實度增大。同時砂樁加固砂土時樁孔內(nèi)充填砂料碎石等反濾性好的粗顆粒料，在地基中形成滲透性良好的人工豎向排水減壓通道，可有效地消散和防止超靜孔隙水壓力的增加和砂土產(chǎn)生液化，并加快地基的排水固結。在軟弱粘性土地基中，砂樁可以像砂井一樣起排水作用，從而加快地基的固結沉降速率。砂樁在成樁過程中，激振器產(chǎn)生的振動通過導管傳遞給土層使其附近的飽和土地基產(chǎn)生振動孔隙水壓力，導致部分土層液化，土顆粒重新排列，趨向密實，從而起到振密作用。密實的砂樁在軟弱粘性土中取代了同樣體積的軟弱粘性土，即置換作用，形成復合地基，使地基承載力有所提高，地基沉降也變小。砂樁的作用，在松散砂土中可以用于增大相對密度，防止振動液化；在軟弱粘性土中可用于提高第九承載力，加速固結沉降，改善地基的整體穩(wěn)定性。

本項目中擠密砂樁采用三角形布設，樁間距1.2m～1.5m，成孔直徑為50cm。樁打穿淤泥層并進入持力層約lm。采用振動沉管法施工。在樁頂設置砂墊層50cm。FK0+920、FK1+060、FK0+885位置處樁布設的橫斷面如圖 1～3所示。

圖1 FK0+920橫斷面圖

圖2 FK1+060橫斷面圖

圖3 FK0+885橫斷面圖

3 擠密砂樁施工工序及注意事項

3.1 施工工序

擠密砂樁施工工序包括以下幾項：施工準備(平整場地、材料進場、樁機進場、組裝調(diào)試、繪制樁位平面圖)→實地布置樁位→校驗樁位→制樁(樁機就位、開機振動沉管至設計要求深度、自料口灌入砂至灌滿為止、開機邊振邊拔沉管連續(xù)反插至管內(nèi)無料為止、沉管拔出孔口并往孔內(nèi)分批投料、振搗密實至設計標高、關機移位)→檢驗→交工驗收。

在大規(guī)模正式施工前可補充靜力觸探或進行探打，以便進一步了解土的分層及其強度。

(1)機具就位、樁管沉入

樁管沉入前，應根據(jù)設計樁長及(地面)水平測量結果，將沉管深度用紅油漆標示于樁管上，以控制沉管深度，確保樁底達到設計高程。

振動沉樁機就位，將活瓣樁尖的尖點對準擠密砂樁樁位中心，中心偏差控制在±5cm以內(nèi)；調(diào)整機架確保樁管垂直，垂直度控制在1%以內(nèi)。啟動振動器，以2～3m/min的速度使樁管邊振動邊下沉，至設計高程(以樁管上的紅油漆標記線為準)，控制樁底高程偏差不大于10cm。

考慮到擠密砂樁振動擠密后體積減小，砂頂標高下降，因此沉管頂應高出地面1m，并灌滿砂。

(2)加砂料

采用飽和狀態(tài)砂，先在沉管內(nèi)適當加水至約半管，樁體砂采用人工鏟入樁機自帶的下料斗內(nèi)，通過下料斗送入樁管。

由于本項目近海，擠密砂樁材料和砂墊層材料采用滲透系數(shù)較大的中粗海砂，雜質及含泥量小于5%，細度模數(shù)不小于2.5，有機質含量不大于1%，滲透系數(shù)不小于5×10-3cm/s。為了區(qū)分砂樁和砂墊層，在砂樁中加入20%碎石用于區(qū)分，以利于施工檢測。

(3)拔管、樁管下壓

在樁管內(nèi)加入拌好的砂(石)料后，邊振動邊緩慢拔出樁管，拔管速度控制在0.5m/min以內(nèi)，將落入樁孔內(nèi)的砂壓實，確保每米灌砂量達到設計要求。

單樁砂設計灌入量q=0.237h(h為實際施打樁長)。施工中砂(石)灌入量不小于設計值的95%。

當灌入砂量沒有達到設計要求 (低于設計的每米灌砂量)時，在旁邊補樁一根。樁體在施工中必須確保連續(xù)、密實。

3.2 擠密砂樁施工注意事項

(1)正式施工時，要嚴格按照設計要求的樁長、樁徑、樁間距、砂灌入量以及試驗確定的樁管提升高度和速度、懸振時間、電機的工作電流等施工參數(shù)進行施工，以確保擠密均勻和樁身的連續(xù)性。應保證起重設備平穩(wěn)，導向架與地面垂直，且垂直偏差不應大于1.5%，成孔中心與設計樁位偏差不應大于50mm，樁徑偏差控制在-20mm以內(nèi)，樁徑偏差不大于100mm。

(2)砂墊層施工，砂墊層材料可采用中粗(海)砂，其含泥量應小于5%，沖水飽和狀態(tài)輾壓，按設計要求完成地基處理后，即時按設計位置埋設沉降盤和測斜管，并在四周用磚塊砌成50cm×50cm圍欄或直徑50cm混凝土管保護，防止路基輾壓機械在施工時破壞沉降盤。

(3)本項目FK0+840～FK0+976的橋梁段落，在施工時應特別注意。應該等該段落擠密砂樁全部施工完畢且場地填至設計標高(包括兩側盤嶼路范圍)，沉降基本完全，樁側測斜管側向位移穩(wěn)定后，再施工橋梁樁基。

(4)軟基處理段落左側靠海，為避免砂樁施工過程中的擠土效應造成對堤壩和老橋的影響，要求逐樁跳排退著施工擠密砂樁，不得從兩側往中間施工，應順序從左至右施工(從靠堤壩一側施工至另一側)。施工的過程中應做同時好位移和沉降監(jiān)控。

(5)按設計要求完成路基擠密擠密砂樁后，按設計圖紙要求進行路基填筑施工，填筑加載要求初期填高3m內(nèi)不受時間控制，而后每15天填高1m的等速加載進行，并同時滿足以下沉降速率要求。要求填土等載預壓時，按照比路床頂面高出1m進行等載預壓；觀測沉降盤，當測得因沉降造成等(超)載表面線低于設計線10cm時，應補填土20cmm，連續(xù)觀測預壓時間不少于3個月，當測得連續(xù)2個月月累計沉降量少于5mm時，方可卸載施工路面底(基)層。

4 加固效果分析

4.1 室內(nèi)土工試驗分析

打樁前原地基土與加固后樁間土均取樣進行了室內(nèi)土工試驗。結果表明，加固后的地基土物理力學性質均有較好的改善和提高，而且處理后的天然地基含水率降低了 4～8%，孔隙比減小 0.2～0.3，液性指數(shù)下降 2～3，壓縮系數(shù)降低 0.2～0.5MPa-1，承載力增加300～450kPa，由此可知，加固效果顯著。

4.2 標準灌入試驗分析

地基加固前標貫試驗錘擊數(shù)及加固后樁間土標貫試驗結果如表1所示，加固后各深度土層標準灌入擊數(shù)均有明顯增加，由此得出加固深度范圍內(nèi)，土層強度均得到了有效提高。

表1 加固前后土層各深度標準灌入擊數(shù)

4.3 沉降計算分析

采用PLAXIS 3D軟件計算分析擠密砂樁加固后的地基沉降情況。PLAXIS 3D軟件由荷蘭德爾夫特大學研發(fā)，是一款國際上廣泛使用并受到業(yè)界高度認可的巖土有限元分析軟件。它操作流程簡明清晰，具備強大的建模、分析功能，能模擬復雜巖土結構和施工過程；適于廣大巖土工程師和研究工作者使用。

計算土層采用摩爾庫倫模型進行模擬，該模型是有限元計算中常用的土體本構模型，可在一定程度上描述巖土材料的特性，由于參數(shù)易于獲取，且一般情況下可以較好地描述土的破壞應力狀態(tài)，在巖土工程中有著廣泛應用。土層力學參數(shù)如表2所示。

表2 土體物理力學參數(shù)

計算時長180天，計算表明隨著時間的增加，在荷載的作用下，復合地基強度得到進一步的提高，沉降量增幅局部減小并趨于穩(wěn)定，地基最大沉降量為68.4mm，符合設計要求。

圖4 地表沉降曲線

5 結論

(1)擠密砂樁成樁過程中，樁管對周圍砂土、黏土層產(chǎn)生很大的橫向擠壓力，樁管體積的土擠向樁管周圍的土層，使樁管周圍的土層孔隙比減小，密實度增大。

(2)擠密砂樁復合地基中，砂樁在成孔及成樁時，振動錘的強烈振動，使填入料和地基土在擠密的同時可獲得強烈的預震效應，對砂土、粉土增強抗液化能力較為有利。

(3)實驗結果表明，處理后樁間土的 各項指標得到了有效的提高，樁間土的標準灌入擊數(shù)顯著增加，大大提高了復合地基容許承載力。

(4)有限元計算結果表明，施工半年內(nèi)地基沉降處于容許范圍值內(nèi)，說明擠密砂樁復合地基處理效果良好。