砂桩加固沉井基础复合地基设计

郭 锐，陈 杰

(浙江省交通规划设计研究院, 浙江 杭州 310000)

砂桩加固沉井基础复合地基设计

郭 锐，陈 杰

(浙江省交通规划设计研究院, 浙江 杭州 310000)

因天然地基承载力远达不到沉井施工要求，需进行地基加固。设计结合了国内大型桥梁沉井施工地基加固及水运工程中码头及人工岛软基加固等工程经验，综合考虑采用砂砾换填结合砂桩加固的软基处理措施，并通过计算对其设计参数进行优化，以满足沉井施工需要。

地基承载力; 沉井施工; 地基加固; 砂桩; 设计参数

1 工程概况

某项目大桥锚碇沉井长70 m，宽63 m，高66 m，为陆地沉井。沉井所在位置地质条件极差，持力层以上均为流塑状或软塑状的淤泥、淤泥质黏土等，厚度达40 m，地基承载力极低。地表标高为4.39 m，地层参数见表1。在进入持力层前，沉井穿过上部软弱层时极易产生突沉、偏沉、反涌和超沉等问题。根据沉井施工方案，本次设计结合了国内大型桥梁沉井施工地基加固及水运工程中码头及人工岛软基加固等工程经验，采用砂砾换填结合砂桩加固的软基处理措施。

表1 地层物理力学参数表

2 沉井施工所需地基承载力值确定

锚碇沉井基础分节段为(1×8) m+(11×5) m+(1×3) m=66 m。锚碇沉井基础施工第一次接高18 m(1#、2#、3#节段)，混凝土浇注过程中要求刃脚及中隔墙踏面(标高+1.0 m)处地基承载力极限值至少为620 kPa(考虑1.1倍安全系数为682 kPa)，且地基不允许产生过大的压缩沉降，以免发生突沉或严重的不均匀沉降而造成沉井倾斜甚至发生破坏。

3 砂桩加固沉井基础设计

砂桩处理直径、间距、布置形式、复合地基承载力设计值及砂砾换填层厚度等计算过程分析情况如下。

3.1 砂桩单桩极限承载力计算

根据相关项目经验，采用被动土压力法计算高置换率挤密砂桩单桩承载力特征值

其中，K为安全系数，取2；正切函数项分别对应桩间复合土和桩身的被动土压力系数。砂桩鼓胀深度的计算，可借鉴Brauns公式推导过程，在荷载作用下，桩体产生鼓胀变形，使桩间土进入被动土体极限平衡状态，桩间土极限平衡区如图1所示。

图1 桩间土极限平衡区

本项目砂桩单桩承载力计算，暂取砂桩直径80cm，砂桩内摩擦角38°(该值影响较大，需桩体密实度提高砂桩内摩擦角值)，砂桩置换率0.63，通过计算得膨胀深度z=1.64m；根据地勘参数取得桩间土的固结不排水剪粘聚力Cs/CCU为11kPa，摩擦角φs/φcu为10°；桩间复合土密度ρsp取1.77t/m3(计算中该值影响较大，要求复合地基顶面以下鼓胀深度z范围内应在水位以上)，桩土应力比n取3.0，通过计算ω值为0.84，粘聚力Csp为1.8kPa，摩擦角φsp为34.3°。计算得砂桩单桩承载力特征值取231kPa。

3.2 砂砾垫层底面复合地基容许承载力计算

根据复合地基计算公式：[fspk]=m[fpk]+(1-m)[fsk]，计算得砂桩复合地基顶面容许承载力[fspk]=166kPa，对应极限值为332kPa。

图2 砂砾垫层换填示意图

3.3 砂砾垫层换填深度H计算

当刃脚踏面至复合地基顶面深度h≥1.05m时，h/b≥1.05/2.1=0.5，得扩散角θ约为30°。图2中p1为第一次接高时，刃脚踏面处地基承载力极限值，考虑安全系数1.1，p1取值682 kPa。图中ph为第一次接高时，砂桩复合地基顶面极限承载力值，该值为332 kPa。

按应力扩散公式：ph=p1(b/(b+2×h×tanθ))+γ×h(b取2.1m，应力扩散角θ取30°，γ取20 kN/m3)，安全系数取1.1，得砂砾换填深度4.5 m(或通过抬高沉井刃脚踏面标高，需保证阶段一刃脚踏面至砂桩复合地基顶面深度至少为2.5 m)。

3.4 砂桩间距计算

本次设计暂采用直径0.8 m，采用正三角形布置，粘性土地基，根据砂桩置换率m=0.63计算桩距取0.95 m。不同桩径下，砂桩间距计算结果见表2。

3.5 砂桩处治深度

考虑到本项目淤泥层较厚，砂桩处治深度不仅仅应从承载力方面考虑，还需考虑砂桩处治范围与

下部淤泥层间承载力突变对沉井施工造成的影响，本次设计，砂桩需打穿淤泥质黏土层(标高-35.01 m)。

表2 砂桩间距计算结果

4 砂桩计算总结

通过以上计算，为满足沉井施工需要，砂桩处治设计方案如下。

(1)采用砂桩复合地基，砂桩直径为0.8 m，砂桩置换率为0.63，正三角形布置，间距0.95 m，砂桩处治需打穿淤泥质黏土层(标高-35.01 m)。

(2)砂桩处治后对上部4.5 m范围内(标高+3 m～-1.5 m)土体进行二次开挖换填，材料选用砂砾，并填筑高于地面1.0 m，砂砾总厚度5.5 m。

(3)砂桩大面积施工之前，需进行试桩，若采用桩径0.8m的砂桩处治方案试桩结果达不到沉井施工承载力要求，可根据以下计算结果进行调整，重新进行试桩后确定砂桩最终处治方案。表4计算结果供参考。

表4 砂桩计算结果汇总表

[1] 许增会. 高置换率挤密砂桩加固软土地基的承载力计算[J]. 地基与基础，2011，6(6)：131-135.

[2] 顾祥奎，王晓晖. 重力式码头水下挤密砂桩复合地基设计[J].水运工程，2011，11(11)：227-231.

[3] 张洪春，张焕. 港珠澳大桥东人工岛工程深厚软基处理综合技术[J]. 中国港湾建设，2015，11(11) )：15-19.

[4] 中华人民共和国交通运输部(JTG/T D31-02-2013). 公路软土地基路堤设计与施工技术细则[S]. 人民交通出版社，2013.

2016-12-28

郭锐(1988- )，男，江苏连云港人，工程师，研究方向：公路路基路面设计。

U416

C

1008-3383(2017)03-0021-02