水下擠密砂樁擠密擴(kuò)徑停錘標(biāo)準(zhǔn)

張曦，吳心怡，時(shí)蓓玲，胡小波，張海

（1.中交上海三航科學(xué)研究院有限公司，上?！?00032；2.中交第三航務(wù)工程局有限公司，上海　200032）

水下擠密砂樁擠密擴(kuò)徑停錘標(biāo)準(zhǔn)

張曦1，吳心怡1，時(shí)蓓玲2，胡小波1，張海1

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

分析水下擠密砂樁成樁特點(diǎn)，依托港珠澳大橋工程開展水下擠密砂樁成樁過程現(xiàn)場測試，利用動(dòng)端阻力及沉管速率等測試成果，提出擠密擴(kuò)徑時(shí)的停錘標(biāo)準(zhǔn)，提高了水下擠密砂樁的施工工效，為工程建設(shè)節(jié)約了工程成本。

擠密砂樁；停錘標(biāo)準(zhǔn)；端阻力；現(xiàn)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(dòng)沉管設(shè)備和管腔加壓裝置把砂強(qiáng)制壓入水下軟弱地基中，經(jīng)過振動(dòng)拔管、回打、擠密擴(kuò)徑，形成擠密砂樁。水下擠密砂樁對(duì)地基的適應(yīng)性強(qiáng)，用于軟弱地基加固時(shí)同時(shí)具有置換作用、擠密作用、加快固結(jié)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(duì)后繼工序的快速推進(jìn)十分有利。高置換率的擠密砂樁地基相當(dāng)于中密或密實(shí)的均質(zhì)砂基，可以直接成為重力式結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)[1]。我國對(duì)擠密砂樁技術(shù)的研發(fā)始于2004年，中交第三航務(wù)工程局有限公司于2006年通過自主創(chuàng)新成功研制出國產(chǎn)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(qū)域大范圍的應(yīng)用，取得了滿意的效果，并在對(duì)水下擠密砂樁加固機(jī)理及設(shè)計(jì)計(jì)算方法研究的基礎(chǔ)上[3]，編制了擠密砂樁設(shè)計(jì)計(jì)算軟件[4]，為工程設(shè)計(jì)提供了便利。

水下擠密砂樁施工過程中常會(huì)遇到硬夾層，使擠密擴(kuò)徑困難，無法達(dá)到設(shè)計(jì)直徑，此時(shí)的強(qiáng)度或已能滿足地基加固的要求。因而，需要根據(jù)振動(dòng)體系性能及地質(zhì)情況，提出一種適用于擠密擴(kuò)徑的停錘標(biāo)準(zhǔn)。

1　擠密砂樁成樁特點(diǎn)分析

對(duì)水下擠密砂樁工藝流程進(jìn)行梳理分析，成樁特點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾個(gè)過程:

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

2）在上拔套管排出砂料的過程中，調(diào)節(jié)套管內(nèi)空氣壓力使管內(nèi)砂料順利排出。

3）在擠密擴(kuò)徑階段，利用振動(dòng)錘和管端結(jié)構(gòu)將砂柱振動(dòng)回打擴(kuò)徑，形成擠密砂樁。

水下擠密砂樁振動(dòng)成樁時(shí)，在樁管頂設(shè)置電動(dòng)振動(dòng)錘，使樁管產(chǎn)生垂直的上下振動(dòng)，造成樁及樁管周圍土體處于強(qiáng)迫振動(dòng)狀態(tài)，從而使樁管周圍土體強(qiáng)度顯著降低和樁間土體擠開。振動(dòng)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(dòng)錘振動(dòng)能量的發(fā)揮程度，因而找出樁管端部力的變化規(guī)律更為實(shí)用。

通過查閱國內(nèi)外文獻(xiàn)，對(duì)于動(dòng)端阻力的計(jì)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(kuò)徑過程中，利用套管內(nèi)壓力保持管內(nèi)砂柱高度，保證管外土體不進(jìn)入套管內(nèi)，因而擠密擴(kuò)徑過程更接近于閉口樁形式。

2　試驗(yàn)區(qū)域地質(zhì)與水文情況

為研究水下擠密砂樁擠密擴(kuò)徑時(shí)的停錘標(biāo)準(zhǔn)，在港珠澳大橋東人工島西側(cè)約300 m處開展現(xiàn)場測試。試驗(yàn)區(qū)域的靜力觸探孔為CPTU267，地質(zhì)剖面圖如圖1所示，各地層描述如表1。

圖1　試驗(yàn)場地地質(zhì)剖面圖Fig.1　Geological section map of test site

表1　地質(zhì)特性Table 1　Geological characteristics

試驗(yàn)區(qū)域?yàn)閸u隧過渡段，先將上部淤泥層挖除至-20.8 m，再打設(shè)擠密砂樁對(duì)下部-24.41~ -36.74 m黏土層進(jìn)行地基處理。

試驗(yàn)區(qū)域水位隨潮汐而變化，據(jù)2011年內(nèi)伶仃潮汐表及勘察期間現(xiàn)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(diǎn)布置

針對(duì)擠密砂樁的成樁特點(diǎn)，重點(diǎn)關(guān)注振動(dòng)錘的打設(shè)能力、砂樁套管的管端結(jié)構(gòu)形式以及管內(nèi)的空氣壓力控制等內(nèi)容，利用三航砂樁6號(hào)開展試驗(yàn)。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(jìn)行測試，如圖2。壓力傳感器標(biāo)準(zhǔn)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(shè)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(yīng)力集中（圖3）。壓力傳感器安裝完成后，在套管內(nèi)部焊接保護(hù)鋼管，保護(hù)壓力傳感器的光纜。在砂樁套管外側(cè)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(kuò)徑過程分析

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

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

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

在擠密循環(huán)開始的20 s左右，動(dòng)端阻力幾乎以直線形式迅速上升，且沉管速率也較大。對(duì)擠密過程最初20 s的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，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(shí)度。在每個(gè)擠密循環(huán)的20 s以后，樁端動(dòng)端阻力的峰值保持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的值，在該階段的GL-時(shí)程曲線的斜率較小，貫入速率較小，產(chǎn)生此現(xiàn)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(duì)砂柱的側(cè)向約束較弱，在振動(dòng)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(jìn)行，砂柱周圍的土體對(duì)砂柱的側(cè)向約束越來越強(qiáng)，且砂柱本身的密實(shí)度變大，故沉管速率迅速下降。將擠密循環(huán)過程中壓密后的動(dòng)端阻力測試值與沉管速率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對(duì)比見表2。

表2　動(dòng)端阻力測試值與沉管速率對(duì)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(kuò)徑較為容易，形成的擠密砂樁直徑相對(duì)較大。在每個(gè)擠密循環(huán)的后期，動(dòng)端阻力穩(wěn)定后沉管速率相應(yīng)變小，均小于0.2 m/min，說明隨著時(shí)間的增加實(shí)際貫入的量很小，在這種情況下，如果一味的延長振動(dòng)時(shí)間并無太多的實(shí)際意義，反而會(huì)增大施工成本和機(jī)械損耗。因此在施工過程中，接近擠密極限時(shí)采用合適的控制沉管速率是相當(dāng)必要的。通過分析發(fā)現(xiàn)，0.2 m/min的沉管速率可作為擠密擴(kuò)徑時(shí)的停錘標(biāo)準(zhǔn)。

5　實(shí)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(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行施工控制，大幅提升了施工效率，節(jié)約了成本。施工后采用標(biāo)貫檢測方法進(jìn)行質(zhì)量檢測，典型標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)成果圖見圖5所示，標(biāo)貫擊數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求，說明此停錘標(biāo)準(zhǔn)既滿足了施工質(zhì)量的要求，又提高了施工效率。

圖5　典型標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)成果圖Fig.5　Results of typical standard penetration test

6　結(jié)語

在對(duì)擠密砂樁成樁理論分析的基礎(chǔ)上，通過現(xiàn)場試驗(yàn)，利用樁端動(dòng)端阻力和施工過程砂樁套管的沉管速率對(duì)擠密擴(kuò)徑進(jìn)行分析，提出了擠密擴(kuò)徑時(shí)的停錘標(biāo)準(zhǔn)。

在試驗(yàn)測試過程中發(fā)現(xiàn)，振動(dòng)系統(tǒng)已達(dá)到極限狀態(tài)，并出現(xiàn)了樁架晃動(dòng)現(xiàn)象，說明此停錘標(biāo)準(zhǔn)仍過于嚴(yán)格，另外，此時(shí)標(biāo)貫N值也早已滿足設(shè)計(jì)的要求。此次提出的停錘標(biāo)準(zhǔn)是針對(duì)港珠澳工程的土質(zhì)情況，在今后的應(yīng)用中，還需積累其他工程的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行補(bǔ)充完善。

[1]寺師昌明.擠密砂樁設(shè)計(jì)與施工[M].日本:地質(zhì)工學(xué)會(huì)，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(shù)[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(jī)理及沉降計(jì)算方法[J].中國港灣建設(shè)，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(jì)平，等.擠密砂樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)計(jì)算軟件研發(fā)[J].中國港灣建設(shè)，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(shù)在水下擠密砂樁擠密擴(kuò)徑研究中的應(yīng)用[J].中國港灣建設(shè)，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(jì)劃課題項(xiàng)目港珠澳大橋跨海集群工程建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)研究與示范（2011BAG07B00）課題二外海厚軟基橋隧轉(zhuǎn)換人工島設(shè)計(jì)與施工關(guān)鍵技術(shù)（2011BAG07B02）

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