擠密砂樁施工參數(shù)及充盈系數(shù)研究

尚乾坤

（中交一航局第二工程有限公司，山東 青島266071）

1 試驗前技術(shù)準(zhǔn)備

1.1 套管編碼器補償倍率測定

套管下放深度測量系統(tǒng)安裝于樁架中部位置，通過計量輪軸（上面纏繞測繩）轉(zhuǎn)動圈數(shù)，將數(shù)據(jù)發(fā)送至主控電腦數(shù)據(jù)接收器，系統(tǒng)自動計算得到套管貫入深度值。

操作室主機接收套管貫入深度值（以海水平面為0點）后，減去當(dāng)時潮位數(shù)據(jù)，得到套管端部實際貫入的高程。套管下放深度數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性直接影響套管是否貫入到實際的設(shè)計高程，所以，試驗首先對滑輪補償倍率進行測定，以確保擠密砂樁打設(shè)深度能達到設(shè)計要求。

1）滑輪補償倍率測定；

2）測量前將套管準(zhǔn)確標(biāo)定，然后在套管上固定測繩，并做好初始標(biāo)記；

3）提升（或下放）套管，測量并記錄測繩長度及對應(yīng)的操作臺顯示套管標(biāo)高；

4）計算測繩長度與操作臺顯示套管標(biāo)高比值，即為套管編碼器補償倍率。

1.2 砂面測量系統(tǒng)校準(zhǔn)

砂面計主要用于套管內(nèi)砂面計高度的測定，以計算套管內(nèi)砂的排出量，控制套管提升速度與下砂速度均衡，根據(jù)測量的數(shù)據(jù)計算成樁所用砂量是否滿足設(shè)計要求。

具體校準(zhǔn)方法為：

1）砂樁船3根套管同時下放至指定位置，操作臺進行套管準(zhǔn)確標(biāo)定；

2）套管上提至套管貫入深度為2.0～2.5m范圍內(nèi)，套管內(nèi)保證壓力為0，則此時套管內(nèi)水面與外部水面保持在同一水平高度；

3）啟動砂面計，在主控電腦參數(shù)設(shè)置中進行校準(zhǔn)，若砂面計測量數(shù)值準(zhǔn)確，則顯示的套管下放值與砂面高度值關(guān)系為：水面高程-套管下放值-1=砂面高度值?？紤]套管標(biāo)定、干舷測量及水面標(biāo)定等其他因素，二者差值＜10cm即認(rèn)為工作正常；若差值＞10cm，則需重新進行校準(zhǔn)，直至符合要求為止。

2 試驗參數(shù)

2.1 提管高度和下砂量計算

擠密砂樁施工中的關(guān)鍵是確定每根樁所需投入的砂量。因此，施工中應(yīng)不斷確認(rèn)套管底端的深度和套管內(nèi)砂面的高度。監(jiān)測套管底端深度的裝置稱為深度計，監(jiān)測砂面高度的裝置稱為砂面計，由這些裝置所監(jiān)測到的數(shù)據(jù)自動進行記錄并顯示。

擠密砂樁施工采用KS-REACT循環(huán)打回方式制樁，每制造1m高度，砂樁套管的提升高度和下砂長度（以本工程為例）計算說明如下：

底端套管外徑φ1 016mm，外徑斷面積A′為0.811m2，上部套管內(nèi)徑φ748.8mm，內(nèi)徑斷面積A為0.441m2，砂樁直徑φ1 600mm。

1）直徑φ1 600mm，1m高砂樁的體積為：V=1.62π/4=2.011m3；

2）提管高度：H=V/A′=2.011÷0.811=2.48m；

3）打回高度：H′=H-1.0=2.48-1.0=1.48m；

4）提管時，套管內(nèi)排出砂量長度：L=V/A=2.011÷0.441=4.56m。

2.2 壓力計算與設(shè)置

壓力設(shè)置的主要目的是在套管提升時，使套管內(nèi)部壓力與套管端外部壓力達到平衡，從而使套管內(nèi)的砂料能夠順利排出形成砂柱。

根據(jù)擠密砂樁施工區(qū)域分區(qū)情況以及各分區(qū)的勘探孔地質(zhì)資料，進行土壓力計算。計算時，不考慮海水漲潮和落潮海水深度變化對計算結(jié)果造成的影響【1】。

土壓力的計算需要計算出樁底高程深度以上的土壓力。自水面以下，每1m作為一個計算點，計算不同深度位置的土體壓力。例如，高程-35.0m位置土壓力需計算出水平面以下，從-1.0～-35.0m累計35個深度點的土壓力。

泥面以上僅有海水形成的壓力，泥面以下為海水壓力和土層產(chǎn)生壓力之和。根據(jù)擠密砂樁的樁底高程及地質(zhì)資料判斷，在其樁長范圍內(nèi)是否有比較明顯的土層變化點，如果有，計算時注意按照不同的土層厚度分別進行計算。

2.2.1 壓力計算

套管端部土壓力計算公式見式（1）：

式中，γ為土體重度，kN/m3；z為計算點距填土表面的深度，m。

2.2.2 壓力設(shè)置

土壓力計算出后，在程序里進行設(shè)置，考慮計算出的土壓力數(shù)據(jù)為非線性變化，且砂樁船的自動加壓系統(tǒng)特點，自零高程以下，每5m分為一段進行壓力設(shè)置。

每段設(shè)置的目標(biāo)壓力數(shù)值為此段5個計算壓力值的平均值。砂樁船的自動加壓系統(tǒng)根據(jù)設(shè)置的目標(biāo)壓力值自動向套管內(nèi)加壓，與目標(biāo)值相同時停止加壓。操作手根據(jù)積累的擠密砂樁打設(shè)施工經(jīng)驗，在套管貫入和提管制樁過程中，對套管內(nèi)的目標(biāo)壓力值進行微調(diào)。

微調(diào)后套管內(nèi)壓力值滿足如下3個要求：（1）套管端部首次排泥前套管內(nèi)泥面高度符合要求（控制在2～3m范圍內(nèi)）；（2）提管時套管內(nèi)的砂料能夠順利排出；（3）套管內(nèi)壓力不能過大，使套管內(nèi)砂料混合氣體噴出對原土層造成破壞。

3 實驗內(nèi)容檢測方法

3.1 原材料體積變化率R v′測定

松散狀態(tài)砂料進入套管內(nèi)后，經(jīng)過振動錘震動，套管內(nèi)砂料體積發(fā)生變化，松散狀態(tài)砂料體積與變化后砂料體積比值即稱為體積變化率。

測定方法：

1）用事先制作好的鋼板將套管端部封死；

2）通過送料斗向套管內(nèi)加入砂料，啟動振動錘2min，記錄振實后砂面高度h0；

3）繼續(xù)向套管內(nèi)加砂，記錄振實前砂面高度h1；

4）再次啟動振動錘，記錄振實后砂面高度h2；

5）重復(fù)上述第3～4步驟，累計3次；

6）整理記錄數(shù)據(jù)并計算體積變化率Rv′，計算公式見式（2），取3次計算平均值。

3.2 樁機貫入能力試驗

套管提升高度驗證試驗：貫入至設(shè)計樁底高程后，提管制樁時，套管提升高度設(shè)置2種方式：（1）提升計算高度2.6m，打回1.6m，下砂4.78m，制樁過程中，在套管提升2.6m后，為保證下砂量充足，又繼續(xù)提升5cm，發(fā)現(xiàn)在回打過程中擴徑困難；（2）提升2.48m，打回1.48m，下砂4.56m，該方式能正常擴徑，且試驗區(qū)內(nèi)打設(shè)砂樁通過標(biāo)貫檢測均滿足設(shè)計要求。

3.3 體積壓縮率R v確定

體積壓縮率Rv是指套管貫入至設(shè)計樁底高程后，提管至計算高度，然后向下打回使砂樁擠密、擴徑達到設(shè)計要求樁徑和標(biāo)貫擊數(shù)，在這一過程砂料體積變化前后的比值，即稱為體積壓縮率Rv。

本次試驗借鑒日本AOMI公司及港珠澳項目的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，Rv取值1.3～1.4，通過試驗檢測成樁質(zhì)量，來驗證其設(shè)置的準(zhǔn)確性。

3.4 不同土層擴徑試驗

在試樁第二階段，選擇1組3根砂樁，進行本項試驗。打設(shè)此3根砂樁時，在套管提升計算高度后，打回過程不按照計算打回高度控制，而是打回至套管不能下沉為止，如此循環(huán)制樁，直至整根砂樁打設(shè)完成。打設(shè)過程記錄不同土層每段最大打回的深度，成樁后，選取1根做標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗，作為充盈系數(shù)的參考依據(jù)。通過對B-002樁打設(shè)試驗，發(fā)現(xiàn)施打過程中多次出現(xiàn)擴徑困難現(xiàn)象，分析原因為附近地質(zhì)土層變化大以及試驗區(qū)外標(biāo)貫檢測結(jié)果遠超設(shè)計要求。

3.5 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗

擠密砂樁打設(shè)完成后，選取3根砂樁進行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗，檢測砂樁質(zhì)量能否達到設(shè)計要求。標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗要求連續(xù)，即每1m都檢測其標(biāo)貫擊數(shù)【2】。利用砂樁3號作為試驗檢測平臺，需要做標(biāo)準(zhǔn)貫入的砂樁打設(shè)完成后，將套管提升至套管端部，安裝試驗設(shè)備進行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗檢測成樁質(zhì)量。

試驗區(qū)外6根砂樁任意抽取1根進行標(biāo)貫檢測，檢測結(jié)果見圖1。

圖1 標(biāo)貫折線圖

根據(jù)試驗結(jié)果分析，砂樁各種參數(shù)均為較合理的狀態(tài)，成樁質(zhì)量能夠滿足設(shè)計要求，質(zhì)量較好。

4 充盈系數(shù)確定

擠密砂樁施工時，砂料存在一定程度的損耗。按照每天成樁21根、441延米（理論樁長21m）計算砂損耗。主要分為以下幾方面：

1）為保證砂樁樁底1m成樁質(zhì)量，套管一次排泥和二次排泥時，排出1m3砂料，則損耗為2.3%。

2）砂樁打設(shè)完成，將套管提起移船打設(shè)下組砂樁時，由于套管端部1m為敞開式，沒有約束，所以每根砂樁打設(shè)完端部至少1m高度砂料排出，約1m3砂損耗，則損耗為2.3%。

3）每組砂樁打設(shè)完成后進行保砂處理，即對套管內(nèi)剩余砂進行保留，由于保砂受前后2組砂樁打設(shè)間隔時間影響，時間過久會導(dǎo)致保砂失敗。其中，每天最后一組和停錘期間不能成功保砂。按照每天每個套管損耗8m3砂計算，則損耗為

2.4%。

4）挖機供砂、移動料斗加料按照每根樁損耗1m3計算，則損耗為2.3%。

綜合以上4方面分析，理論砂損耗系數(shù)為1.093（損耗

9.3%）。

砂樁試驗中共打設(shè)42根砂樁，打樁程序顯示累計散砂用量2 063m3，設(shè)計砂量1 564m3。砂料加入套管后從松散到成樁體積變化系數(shù)為1.32。

根據(jù)程序累計總用砂量計入理論損耗系數(shù)后，充盈系數(shù)為1.44。

5 結(jié)語

擠密砂樁打設(shè)施工成功應(yīng)用于港珠澳大橋和深中通道建設(shè)施工中，且效果良好，而且施工工期較短，成本造價較低。但目前來看，擠密砂樁施工經(jīng)驗仍然相對缺乏，在以后的施工中需要通過不斷的積累經(jīng)驗，繼續(xù)改善、簡化施工方法，在保證施工質(zhì)量的前提下提高施工效率，控制施工成本。