砂樁加固沉井基礎復合地基設計

郭 銳，陳 杰

(浙江省交通規劃設計研究院, 浙江 杭州 310000)

砂樁加固沉井基礎復合地基設計

郭 銳，陳 杰

(浙江省交通規劃設計研究院, 浙江 杭州 310000)

因天然地基承載力遠達不到沉井施工要求，需進行地基加固。設計結合了國內大型橋梁沉井施工地基加固及水運工程中碼頭及人工島軟基加固等工程經驗，綜合考慮采用砂礫換填結合砂樁加固的軟基處理措施，并通過計算對其設計參數進行優化，以滿足沉井施工需要。

地基承載力; 沉井施工; 地基加固; 砂樁; 設計參數

1 工程概況

某項目大橋錨碇沉井長70 m，寬63 m，高66 m，為陸地沉井。沉井所在位置地質條件極差，持力層以上均為流塑狀或軟塑狀的淤泥、淤泥質黏土等，厚度達40 m，地基承載力極低。地表標高為4.39 m，地層參數見表1。在進入持力層前，沉井穿過上部軟弱層時極易產生突沉、偏沉、反涌和超沉等問題。根據沉井施工方案，本次設計結合了國內大型橋梁沉井施工地基加固及水運工程中碼頭及人工島軟基加固等工程經驗，采用砂礫換填結合砂樁加固的軟基處理措施。

表1 地層物理力學參數表

2 沉井施工所需地基承載力值確定

錨碇沉井基礎分節段為(1×8) m+(11×5) m+(1×3) m=66 m。錨碇沉井基礎施工第一次接高18 m(1#、2#、3#節段)，混凝土澆注過程中要求刃腳及中隔墻踏面(標高+1.0 m)處地基承載力極限值至少為620 kPa(考慮1.1倍安全系數為682 kPa)，且地基不允許產生過大的壓縮沉降，以免發生突沉或嚴重的不均勻沉降而造成沉井傾斜甚至發生破壞。

3 砂樁加固沉井基礎設計

砂樁處理直徑、間距、布置形式、復合地基承載力設計值及砂礫換填層厚度等計算過程分析情況如下。

3.1 砂樁單樁極限承載力計算

根據相關項目經驗，采用被動土壓力法計算高置換率擠密砂樁單樁承載力特征值

其中，K為安全系數，取2；正切函數項分別對應樁間復合土和樁身的被動土壓力系數。砂樁鼓脹深度的計算，可借鑒Brauns公式推導過程，在荷載作用下，樁體產生鼓脹變形，使樁間土進入被動土體極限平衡狀態，樁間土極限平衡區如圖1所示。

圖1 樁間土極限平衡區

本項目砂樁單樁承載力計算，暫取砂樁直徑80cm，砂樁內摩擦角38°(該值影響較大，需樁體密實度提高砂樁內摩擦角值)，砂樁置換率0.63，通過計算得膨脹深度z=1.64m；根據地勘參數取得樁間土的固結不排水剪粘聚力Cs/CCU為11kPa，摩擦角φs/φcu為10°；樁間復合土密度ρsp取1.77t/m3(計算中該值影響較大，要求復合地基頂面以下鼓脹深度z范圍內應在水位以上)，樁土應力比n取3.0，通過計算ω值為0.84，粘聚力Csp為1.8kPa，摩擦角φsp為34.3°。計算得砂樁單樁承載力特征值取231kPa。

3.2 砂礫墊層底面復合地基容許承載力計算

根據復合地基計算公式：[fspk]=m[fpk]+(1-m)[fsk]，計算得砂樁復合地基頂面容許承載力[fspk]=166kPa，對應極限值為332kPa。

圖2 砂礫墊層換填示意圖

3.3 砂礫墊層換填深度H計算

當刃腳踏面至復合地基頂面深度h≥1.05m時，h/b≥1.05/2.1=0.5，得擴散角θ約為30°。圖2中p1為第一次接高時，刃腳踏面處地基承載力極限值，考慮安全系數1.1，p1取值682 kPa。圖中ph為第一次接高時，砂樁復合地基頂面極限承載力值，該值為332 kPa。

按應力擴散公式：ph=p1(b/(b+2×h×tanθ))+γ×h(b取2.1m，應力擴散角θ取30°，γ取20 kN/m3)，安全系數取1.1，得砂礫換填深度4.5 m(或通過抬高沉井刃腳踏面標高，需保證階段一刃腳踏面至砂樁復合地基頂面深度至少為2.5 m)。

3.4 砂樁間距計算

本次設計暫采用直徑0.8 m，采用正三角形布置，粘性土地基，根據砂樁置換率m=0.63計算樁距取0.95 m。不同樁徑下，砂樁間距計算結果見表2。

3.5 砂樁處治深度

考慮到本項目淤泥層較厚，砂樁處治深度不僅僅應從承載力方面考慮，還需考慮砂樁處治范圍與

下部淤泥層間承載力突變對沉井施工造成的影響，本次設計，砂樁需打穿淤泥質黏土層(標高-35.01 m)。

表2 砂樁間距計算結果

4 砂樁計算總結

通過以上計算，為滿足沉井施工需要，砂樁處治設計方案如下。

(1)采用砂樁復合地基，砂樁直徑為0.8 m，砂樁置換率為0.63，正三角形布置，間距0.95 m，砂樁處治需打穿淤泥質黏土層(標高-35.01 m)。

(2)砂樁處治后對上部4.5 m范圍內(標高+3 m～-1.5 m)土體進行二次開挖換填，材料選用砂礫，并填筑高于地面1.0 m，砂礫總厚度5.5 m。

(3)砂樁大面積施工之前，需進行試樁，若采用樁徑0.8m的砂樁處治方案試樁結果達不到沉井施工承載力要求，可根據以下計算結果進行調整，重新進行試樁后確定砂樁最終處治方案。表4計算結果供參考。

表4 砂樁計算結果匯總表

[1] 許增會. 高置換率擠密砂樁加固軟土地基的承載力計算[J]. 地基與基礎，2011，6(6)：131-135.

[2] 顧祥奎，王曉暉. 重力式碼頭水下擠密砂樁復合地基設計[J].水運工程，2011，11(11)：227-231.

[3] 張洪春，張煥. 港珠澳大橋東人工島工程深厚軟基處理綜合技術[J]. 中國港灣建設，2015，11(11) )：15-19.

[4] 中華人民共和國交通運輸部(JTG/T D31-02-2013). 公路軟土地基路堤設計與施工技術細則[S]. 人民交通出版社，2013.

2016-12-28

郭銳(1988- )，男，江蘇連云港人，工程師，研究方向：公路路基路面設計。

U416

C

1008-3383(2017)03-0021-02