水下挤密砂桩施工技术与加固地基特性分析

朱胜利，喻志发，李立新，于健，孟凡利（.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津市港口岩土工程技术重点实验室，港口岩土工程技术交通行业重点实验室，天津　300；.中交一航局第一工程有限公司，天津　300456）



水下挤密砂桩施工技术与加固地基特性分析

朱胜利1，喻志发1，李立新1，于健1，孟凡利2
（1.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津市港口岩土工程技术重点实验室，港口岩土工程技术交通行业重点实验室，天津300222；2.中交一航局第一工程有限公司，天津300456）

摘要：结合水下挤密砂桩工程应用情况，对加固机理、适应地质条件及施工参数确定方法进行介绍，并采用数理统计方法对桩身密实度分布、复合地基沉降、成桩后地表隆起情况、砂桩的检测时间等进行分析，得出工法可用于抗剪强度Cu大于6.0 kPa的软黏土，桩体平均密实度不随检验间隔时间而变化，成桩桩体平均密实度可达到中密以上，复合地基沉降主要发生在施工期，工后沉降较小且工后沉降速率收敛显著等结论。

关键词：挤密砂桩；桩身密实度；复合地基沉降；隆起

Underwatersand com paction pilesconstruction technology and reinforcing foundation characteristicanalysis

ZHU Sheng-li

1

,YU Zhi-fa

1

,LILi-xin

1

,YU Jian

0　引言

水下挤密砂桩法是采用具有竖向挤压增大桩径的施工设备或专用船舶，在天然地基中形成复合地基，从而有效改善地基特性的地基处理方法。本方法以20世纪50年代后期经日本开发出专用挤密砂桩船为标志，使水下挤密砂桩技术发展日趋成熟，并实现了加固深度达40 m以上、挤密砂桩直径达2.0 m、砂桩置换率达70 %的地基处理水平。日本著名的挤密砂桩加固工程包括关西国际机场护岸超软土地基加固工程、横滨南本牧重力式码头地基加固工程、羽田国际机场D滑行道护岸地基加固工程、岩国港码头地基加固和石卷港防波堤地基加固等。我国20世纪末开始尝试水下挤密砂桩的施工，至目前，主要应用工程包括天津港南疆非金属矿石泊位高桩码头后方岸坡地基加固[1-2]、洋山深水港三期东港池重力式工作船

码头70 m延长段软土地基加固[3]和港珠澳大桥工程[4]，尤其是港珠澳大桥海中人工岛地基加固中水下挤密砂桩的大规模成功应用，使该技术得到进一步完善，并形成了多艘专业施工船舶的设备规模，为水下挤密砂桩加固技术的推广应用提供了保证。

1　加固机理

挤密砂桩在地基中的作用主要是提高承载力、加速地基固结、减少地基沉降，其对地基的加固作用主要体现在如下3个方面：

1）挤密作用

在地基成桩过程中，通过桩管打入及砂桩挤压扩径的过程，使桩间土的孔隙比变小，实现对桩间土的挤密。

2）置换作用

成桩形成一定桩径、桩长和桩距的桩与桩间土共同作用的复合地基，并由较密实的砂桩体取代了与桩同体积的软土，且砂桩的强度和抗变形能力均远优于原位置的软土，挤密砂桩复合地基承载力明显大于天然地基承载力。

3）排水作用

挤密砂桩作为竖向排水通道，使软土地基的固结由一维转为三维轴对称方式，大大缩短了软土的排水距离，加快了地基的排水固结。

2　地质要求

挤密砂桩是通过桩间土对桩体侧向支撑而成桩的，地基土强度过低将造成桩周土对桩体的约束力过小，难以形成桩体，国内已有项目天然地基土强度指标统计见表1。3项工程天然地基抗剪强度Cu最小值范围是6.0~15 kPa，其中港珠澳大桥海中人工岛地基加固项目的地基抗剪强度最小值Cu最小，为6.0 kPa。

天然沉积黏性土的抗剪强度是随着土层的埋深而逐渐增大的[5]，同时，从黏性地基土的抗剪强度表达式子=滓tg渍+ c可知，随着黏性土埋深的增加，其所承受的垂直压力也逐渐增大，相应的，其抗剪强度指标也逐渐增加，水下黏性土地基抗剪强度指标较小的部位主要出现在加固地基的表层，因此，在论证成桩可行性时，只需桩头区域天然沉积土抗剪强度满足控制指标即可。

表1　挤密砂桩加固工程情况一览表Table1　Scheduleofsandcom paction pilesreinforcem entproject

3　施工主要工作参数的确定

3.1振动锤激振力

挤密砂桩打设时，选择合适的振动锤，使桩管顺利打入设计桩底是挤密砂桩施工的关键控制因素，振动锤的选择方法如下：（1）式中：F激振为振动锤产生的激振力，kN；撞G为桩管自重、振动系统自重之和，kN；撞F侧阻为桩周土层侧摩阻力及管内泥柱、砂柱的侧摩阻力，kN。

降低挤密砂桩打设施工中桩管侧摩阻力，工程中常采用桩管端部加粗（桩靴）的处理措施。3.2成桩施工参数

挤密砂桩正式施工参数通过试桩并配合成桩后的桩体质量检验确定。试桩施工参数主要内容及确定方法如下：

1）原材料体积变化率Rv忆测定

将松散状态砂料装入管底封闭的桩管内，经振动锤震动2 min，桩管内砂料体积发生变化，松散状态砂料体积与变化后砂料体积比值即体积变化率。

2）桩管内压力设置

桩管向下贯入和提升制桩过程中，桩管内的压力需保持在合适的范围内，以保证贯入时能够排出端部桩管内淤泥、制桩时桩管内砂料能顺利排出。

桩管压力沿桩长分段设置，泥面以上仅计算海水形成的压力，泥面以下为海水压力和土层产生压力之和。

3）桩端处理

沉管过程中桩管内应有一定长度的软黏土，以实现管底密封，沉管过程中，管内加压，其压力随深度不断调节，以平衡管外压力。管内软黏土在桩管沉至要求的高程后，通过桩管内加砂、提管、管内施加压缩空气的工艺步骤将软黏土排出桩管。

4）桩管提升高度

专业化挤密砂桩船采用程序控制自动制桩，为便于施工及打设程序设置，常采用固定制桩长度的循环制桩成桩工艺。

挤密砂桩成桩质量中的桩体直径和桩体的密实程度通过提管高度、下砂长度和回打深度3项指标控制。单个制桩循环的提管高度由制桩长度确定的用砂量和桩靴直径综合确定；下砂长度为桩管内砂面下降深度，其由用砂量和桩管直径综合确定；回打深度是为了达到设计要求的砂桩直径，需要将管端以下的砂柱向下挤压而产生的桩靴底的下降高度，回打深度为提管高度与成桩长度之差。

5）桩头处理

挤密砂桩桩体密实程度与成桩深度区域的侧向土压力有关，在桩顶位置由于土的侧压力较小，若按深部的成桩方式无法使桩身达到足够密实，工程中通常在桩头2 m的深度范围内，采用降低循环制桩长度的方式保证桩头的密实度。

6）体积压缩率Rv

体积压缩率Rv是指套管贯入至设计桩底高程后，提管至计算高度，然后向下打回使砂桩挤密、扩径达到设计要求桩径和标贯击数，在这一过程中砂料体积变化前后的比值，即称为体积压缩率Rv。根据日本AOMI公司的经验，Rv取值1.15~1.20[6]。

4　桩身密实度

桩身密实程度由桩体标准贯入试验得到的锤击数按规范[7]确定。标准贯入试验沿着桩身每米试验1次，由桩身标准贯入试验成果逐孔、逐点统计，国内3项工程的统计结果见图1。

天津港工程桩体标贯试验41个孔（桩），试验点数956点。经统计，桩体密实程度达到中密以上（N跃15击）的试验点数占总试验点数的70 %，约有30 %试验点的砂体密实程度为松散耀稍密，并且密实度较低的试验点都出现在地基表层，即桩头部位。

洋山港工程桩体标准贯入试验11根，N=21~ 25所占比例最高，为45.61 %，实测最小的N值为10~15，仅在最表层出现2次，占总数的百分比为3.51 %。

港珠澳大桥海中人工岛地基加固工程47根检验桩，总计787个标准贯入试验点，桩体密实程度达到中密以上的占比为98.7 %，达到密实以上的占比为53.2 %。试验点中，密实程度为稍密的试验点个数为10个，主要集中在桩头位置。

由上述分析，挤密砂桩密实度较小值主要出现在桩头部位。针对这一情况，在港珠澳挤密砂桩施工中，采用了先打设挤密砂桩，然后再将桩头以上部分天然地基土和隆起土予以清除的施工方式，经与先开挖后打桩的方式对比，桩头部位的标贯击数显著增大。

5　复合地基沉降

洋山港码头工程和港珠澳大桥西人工岛救.码头施工各阶段沉降统计结果见表2。

图1　桩体标准贯入击数分布图Fig.1　Distributionofpilebodystandardpenetration num ber

表2　沉降统计结果Table2　Subsidencestatisticalresults

洋山港沉箱码头挤密砂桩桩径1.8 m、置换率50 % ~60 %，复合地基施工期平均沉降254 mm，占实测沉降量的91.4 %。截止到2009年4月5日，工后历时3个月，各监测点沉降平均值为24mm，观测期内，地基工后平均沉降速率为0.25 mm/d。

港珠澳西人工岛救.（沉箱）码头工程挤密砂桩桩径1.6 m、置换率62 %。救.码头自2013年5月31日开始安放沉箱至2013年11月30日施工完成，码头施工期地基平均沉降255 mm，占实测沉降量的74.6 %。截止到2014年8月2日，工后历时245 d，各监测点沉降平均值为87 mm，其中，工后第7个月至第8个月期间的平均沉降速率为0.15 mm/d。

上述两项工程地基沉降结果表明，在高置换率情况下，码头施工期仍产生了显著的地基沉降，但地基沉降主要发生在施工期，工后沉降较小且工后地基沉降速率收敛快。

6　地基表面隆起

通过挤密砂桩方式挤入天然地基的砂量一部分以对桩间土挤密的方式消化掉，另一部分则以置换的形式引起地基表面的隆起，尤其是高置换的挤密砂桩工程，将会产生显著的地基表面隆起。挤密砂桩隆起量与挤密砂桩的置换率和施工顺序有关，后施打挤密砂桩的区域，由于受到相邻区域先期施打区域的影响，其隆起量为两个隆起量的叠加。根据港珠澳大桥海中人工岛地基加固工程挤密砂桩隆起量测量结果，经逐点统计，各施工区挤密砂桩施打后地表隆起量结果如表3。

由表3，各区置换率范围为27.6 % ~70 %，桩长14.8~22.5 m，不同区域挤密砂桩打设后地基土表面的隆起高度最大值为2.65耀9.02 m，分区平均隆起量为1.27~5.99 m，由于置换率高，挤密砂桩打设后地基土表面隆起显著。

7　桩身密实度与检测时间的关系

挤密砂桩打设完毕后复合地基使用前，对桩身密实度检验以判定桩身密实程度即标贯击数是否满足设计要求，检验方法为标准贯入试验。为了确定合适的成桩后至标贯检验的间隔时间，按照置换率、施工区域、施工设备相同的原则，对桩体平均标贯击数与间隔时间的关系进行分析，结果如图2。

表3　地表隆起量统计表Table3　Statisticsforam ountofsurfaceuplift

图2　挤密砂桩N-t结果Fig.2　SCP N-tresults

天津港岸坡加固工程标贯试验时，与挤密砂桩成桩时间间隔为14耀82 d。港珠澳大桥海中人工岛地基加固工程标贯试验时，砂桩2号施工部分的间隔时间为8~49 d，砂桩3号施工部分的间隔时间为66~122 d。由图2，随间隔时间的增长，桩体平均标准贯入击数变化不明显。究其原因，主要是由于挤密砂桩施工后桩体密实度较高，桩间土经挤密作用后其孔隙比也显著减小，虽然由于置换作用会在桩顶部分产生显著的隆起，并形成对复合地基的上覆荷载，但是与该部分荷载相比，地基土处于超固结状态，复合地基的沉降主要反映在弹性变形上，从而不会对砂桩体材料的压密产生明显的影响。

8　结语

1）抗剪强度大于6.0 kPa的天然沉积土采用水下挤密砂桩加固法是可行的。

2）正式施工前应首先进行振动锤激振力验算，并通过试桩确定施工参数。

3）桩头部位桩身密实度普遍偏低，桩头未出露地表时，采用先成桩方式，能有效改善桩头密实性，且避免了施工后形成隆起部分的二次清除。

4）桩身的最大密实程度可达到密实至极密实，平均密实度可达到中密以上。

5）复合地基在使用过程中仍会产生明显的地基沉降，对于高置换率情况，复合地基沉降主要发生在施工期，工后沉降较小且沉降速率迅速收敛到很小的数值，复合地基力学性能良好。

6）高置换率情况下，地基表层隆起量显著。

7）桩体密实度与检验间隔时间关系不显著。

参考文献：

[1]陈平，祝业浩.水上施打挤密砂桩施工[J].中国港湾建设，2000

（1）：36-41. CHEN Ping,ZHU Ye-hao.Installationofsandcompactionpileson thewater[J].ChinaHarbourEngineering,2000（1）：36-41.

[2]李宝强.挤实砂桩加固饱和软黏土岸坡地基的应用研究[J].中国港湾建设，2005（6）：29-33. LIBao-qiang.Study on use ofsand compaction pilesto improve foundationsofsaturatedsoftclay bank slopes[J].China Harbour Engineering,2005(6):29-33.

[3]张曦，吴心怡，尹海卿.水下挤密砂桩加固机理及沉降计算方法[J].中国港湾建设，2010（S1）：148-150. ZHANG Xi,W U Xin-yi,YIN Hai-qing.Reinforcing mechanism and settlementcalculation method ofsand compaction pile under thewater[J].ChinaHarbourEngineering,2010(S1):148-150.

[4]林鸣，梁桁，刘晓东，等.海上挤密砂桩工法及其在港珠澳大桥岛隧工程的应用[J].中国港湾建设，2012（4）：72-77. LIN Ming,LIANG Heng,LIU Xiao-dong,etal.Method forcon原struction ofoffshoresand compaction pilesand itsapplication for island and tunnelprojectforHongkong-Zhuhai-MacaoBridge[J]. ChinaHarbourEngineering,2012(4)：72-77.

[5]闫澍旺，封晓伟，侯晋芳，等.用十字板强度推算软黏土抗剪强度指标的方法及应用[J].岩土工程学报，2009，31（12）：1805-1810. YAN Shu-wang,FENG Xiao-wei,HOU Jin-fang,etal.Deduction and application ofstrength parametersofsoftclay byuseofvane strength[J].ChineseJournalofGeotechnicalEngineering,2009,31(12):1805-1810.

[6]海上挤密砂桩工法设计、施工手册[M].日本：AOMI建设株式会社，2005. Method design and construction manualofoffshore sand com原pactionpiles[M].Japan:AOMIConstructionCo.,Ltd.,2005.

[7]JTS133-1—2010，港口岩土工程勘察规范[S]. JTS133-1—2010,Codeforinvestigationofgeotechnicalengineer原ingonport[S].

1

,MENG Fan-li

2

（1.CCCC TianjinPortEngineeringInstituteCo.,Ltd.,KeyLaboratoryofPortGeotechnicalEngineeringofTianjin, KeyLaboratoryofPortGeotechnicalEngineeringoftheMinistryofCommunications,Tianjin300222,China; 2.No.1Eng.Co.,Ltd.ofCCCC FirstHarborEngineeringCo.,Ltd.,Tianjin300456,China）

Abstract：Combined with the application ofunderwatersand compaction pile engineering,we introduced the reinforcement mechanism and adaptto the geologicalconditions and construction parameters determination method,and analyzed the pile body compactness distribution, composite foundation settlement, foundation surface uplift, and sand pile testing time determination usingthemethod ofmathematicalstatistics.Theresultshowsthedrawingmethod can beused in thesoftclayof Cuisgreaterthan 6.0 kPa,thepile bodyaverage compaction doesnotchange according to the inspection interval,completed pile body average compaction can achieve more than medium compactness,composite foundation settlementoccursmainly in the construction period,the post-construction settlementissmalland the post-construction settlementrate ofconvergence is remarkable.

Keywords：sand compaction pile;pilebodycompactness;compositefoundation settlement;uplift

基金项目：国家支撑计划课题项目（2011BAG07B02）

收稿日期：2015-03-27修回日期：2015-04-17

doi：10.7640/zggwjs201510003

文章编号：2095-7874（2015）10-0013-05

文献标志码：A

中图分类号：U655.54；TU472.32

作者简介：朱胜利（1965—），男，河北正定县人，高级工程师，港口及航道工程专业。E-mail：zhushengli2000@sina.com