水下挤密砂桩挤密扩径停锤标准

张曦，吴心怡，时蓓玲，胡小波，张海

（1.中交上海三航科学研究院有限公司，上海　200032；2.中交第三航务工程局有限公司，上海　200032）

水下挤密砂桩挤密扩径停锤标准

张曦1，吴心怡1，时蓓玲2，胡小波1，张海1

（1.中交上海三航科学研究院有限公司，上海200032；2.中交第三航务工程局有限公司，上海200032）

分析水下挤密砂桩成桩特点，依托港珠澳大桥工程开展水下挤密砂桩成桩过程现场测试，利用动端阻力及沉管速率等测试成果，提出挤密扩径时的停锤标准，提高了水下挤密砂桩的施工工效，为工程建设节约了工程成本。

挤密砂桩；停锤标准；端阻力；现场测试

0　引言

水下挤密砂桩是在专用的砂桩船上通过振动沉管设备和管腔加压装置把砂强制压入水下软弱地基中，经过振动拔管、回打、挤密扩径，形成挤密砂桩。水下挤密砂桩对地基的适应性强，用于软弱地基加固时同时具有置换作用、挤密作用、加快固结作用，能直接、快速、显著地提高软弱地基的承载力，减少工后沉降，对后继工序的快速推进十分有利。高置换率的挤密砂桩地基相当于中密或密实的均质砂基，可以直接成为重力式结构的基础[1]。我国对挤密砂桩技术的研发始于2004年，中交第三航务工程局有限公司于2006年通过自主创新成功研制出国产化挤密砂桩施工船[2]。近期依托港珠澳大桥人工岛工程研制了新一代挤密砂桩施工船，在工程区域大范围的应用，取得了满意的效果，并在对水下挤密砂桩加固机理及设计计算方法研究的基础上[3]，编制了挤密砂桩设计计算软件[4]，为工程设计提供了便利。

水下挤密砂桩施工过程中常会遇到硬夹层，使挤密扩径困难，无法达到设计直径，此时的强度或已能满足地基加固的要求。因而，需要根据振动体系性能及地质情况，提出一种适用于挤密扩径的停锤标准。

1　挤密砂桩成桩特点分析

对水下挤密砂桩工艺流程进行梳理分析，成桩特点体现在以下几个过程:

1）在沉管过程中，利用振动锤将砂桩套管打设至预定高程，并控制套管内空气压力使套管外土体不涌入管内。

2）在上拔套管排出砂料的过程中，调节套管内空气压力使管内砂料顺利排出。

3）在挤密扩径阶段，利用振动锤和管端结构将砂柱振动回打扩径，形成挤密砂桩。

水下挤密砂桩振动成桩时，在桩管顶设置电动振动锤，使桩管产生垂直的上下振动，造成桩及桩管周围土体处于强迫振动状态，从而使桩管周围土体强度显著降低和桩间土体挤开。振动锤激振力的传递受偏心影响较大，而在挤密砂桩成桩过程中，桩管端部的力更能反映出振动锤振动能量的发挥程度，因而找出桩管端部力的变化规律更为实用。

通过查阅国内外文献，对于动端阻力的计算通常有闭口桩形式和开口桩形式。由于挤密砂桩在沉管及挤密扩径过程中，利用套管内压力保持管内砂柱高度，保证管外土体不进入套管内，因而挤密扩径过程更接近于闭口桩形式。

2　试验区域地质与水文情况

为研究水下挤密砂桩挤密扩径时的停锤标准，在港珠澳大桥东人工岛西侧约300 m处开展现场测试。试验区域的静力触探孔为CPTU267，地质剖面图如图1所示，各地层描述如表1。

图1　试验场地地质剖面图Fig.1　Geological section map of test site

表1　地质特性Table 1　Geological characteristics

试验区域为岛隧过渡段，先将上部淤泥层挖除至-20.8 m，再打设挤密砂桩对下部-24.41~ -36.74 m黏土层进行地基处理。

试验区域水位随潮汐而变化，据2011年内伶仃潮汐表及勘察期间现场观测资料显示，平均潮差1.75 m，最大潮差2.81 m，平均水位约1.2 m。

3　测点布置

针对挤密砂桩的成桩特点，重点关注振动锤的打设能力、砂桩套管的管端结构形式以及管内的空气压力控制等内容，利用三航砂桩6号开展试验。为测试水下挤密砂桩成桩过程中的端部压力，在桩套管底面圆形端板处安装光纤光栅式压力传感器进行测试，如图2。压力传感器标准量程为5 MPa，精度为0.3%FS，灵敏度为0.1%FS，工作温度为-30～+80℃。除在端部布置压力传感器外，还布设了加速度、轴力等传感器。

端部压力传感器安装于砂桩套管底部圆形端板处。圆形端板距离套管底部约0.5 m。压力传感器的外圈焊接一块钢板，防止土压力的应力集中（图3）。压力传感器安装完成后，在套管内部焊接保护钢管，保护压力传感器的光缆。在砂桩套管外侧开孔，以便光缆穿出套管。

图2　传感器布置图Fig.2　Arrangement of sensors

图3　压力传感器安装Fig.3　Installation of pressure sensor

4　挤密扩径过程分析

由挤密砂桩的成桩特点可知，挤密砂桩的形成是先将套管内的砂柱排出，然后通过回打过程使其挤密扩径，最终形成一段挤密砂桩。在这个挤密扩径的过程中，首先要将排出套管的砂柱压实，再将土体破坏，最后形成挤密砂桩。

随着挤密砂桩复合地基置换率的提高，桩周土体不断被挤出、破坏，特别是对于高置换率的挤密砂桩复合地基，其桩周土体的物理力学参数已完全不同于原状土，从而造成计算参数难以取值。下面结合打桩过程GL记录曲线对其进行分析（见图4）[5]。以第一次挤密循环为例。

图4　端部压力时程曲线Fig.4　Time-history curve of tip pressure

在挤密循环开始的20 s左右，动端阻力几乎以直线形式迅速上升，且沉管速率也较大。对挤密过程最初20 s的数据进行统计发现，最初20 s的沉管速率均在1.5 m/min左右，说明在挤密的最初始阶段，影响挤密速率的主要因素为砂柱本身的颗粒密实度。在每个挤密循环的20 s以后，桩端动端阻力的峰值保持在一个相对稳定的值，在该阶段的GL-时程曲线的斜率较小，贯入速率较小，产生此现象的主要原因是在刚开始的阶段，砂柱本身较松散且砂柱周围土体对砂柱的侧向约束较弱，在振动力作用下，砂柱较容易被挤压出去形成直径更大的砂柱，随着挤密的进行，砂柱周围的土体对砂柱的侧向约束越来越强，且砂柱本身的密实度变大，故沉管速率迅速下降。将挤密循环过程中压密后的动端阻力测试值与沉管速率进行统计对比见表2。

表2　动端阻力测试值与沉管速率对比Table 2　Comparison of dynamic tip resistance test value and sinking rate

从表2可看出，随着深度的不断上升，在浅部土层扩径较为容易，形成的挤密砂桩直径相对较大。在每个挤密循环的后期，动端阻力稳定后沉管速率相应变小，均小于0.2 m/min，说明随着时间的增加实际贯入的量很小，在这种情况下，如果一味的延长振动时间并无太多的实际意义，反而会增大施工成本和机械损耗。因此在施工过程中，接近挤密极限时采用合适的控制沉管速率是相当必要的。通过分析发现，0.2 m/min的沉管速率可作为挤密扩径时的停锤标准。

5　实施效果

在港珠澳大桥工程水下挤密砂桩施工中，利用此停锤标准进行施工控制，大幅提升了施工效率，节约了成本。施工后采用标贯检测方法进行质量检测，典型标准贯入试验成果图见图5所示，标贯击数满足设计要求，说明此停锤标准既满足了施工质量的要求，又提高了施工效率。

图5　典型标准贯入试验成果图Fig.5　Results of typical standard penetration test

6　结语

在对挤密砂桩成桩理论分析的基础上，通过现场试验，利用桩端动端阻力和施工过程砂桩套管的沉管速率对挤密扩径进行分析，提出了挤密扩径时的停锤标准。

在试验测试过程中发现，振动系统已达到极限状态，并出现了桩架晃动现象，说明此停锤标准仍过于严格，另外，此时标贯N值也早已满足设计的要求。此次提出的停锤标准是针对港珠澳工程的土质情况，在今后的应用中，还需积累其他工程的经验进行补充完善。

[1]寺師昌明.挤密砂桩设计与施工[M].日本:地质工学会，2009. TERASHI Masaaki.Design and construction of sand compaction piles[M].Japan:Geology Engineering Society,2009.

[2]尹海卿.水下挤密砂桩加固软土地基技术[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]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,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]吴心怡，张曦，龚济平，等.挤密砂桩复合地基设计计算软件研发[J].中国港湾建设，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]吴心怡，王海燕，胡小波，等.光纤光栅传感技术在水下挤密砂桩挤密扩径研究中的应用[J].中国港湾建设，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

国家支撑计划课题项目港珠澳大桥跨海集群工程建设关键技术研究与示范（2011BAG07B00）课题二外海厚软基桥隧转换人工岛设计与施工关键技术（2011BAG07B02）

张曦（1979— ），男，天津市人，博士，高级工程师，岩土工程专业。E-mail:zhangxi-1979@163.com