擠密砂樁在斜坡式護岸抗液化處理中的應用

陳木燦，梁偉

0　引言

近年來國內外發生的強烈地震越來越頻繁，由地震引起的地基塌陷，邊坡滑移等震害現象十分普遍，其主要原因是地基存在砂土液化現象。水運工程中液化地基處理常用的方法有開挖換填、碎石樁、擠密砂樁等，而擠密砂樁具有施工作業區域廣、自動化程度高、施工進度快、工程投資省、施工作業環保無污染等明顯優勢。

1　項目概況

海口某人工島形成陸域面積約216 hm2，建設護岸總長6 102 m，護岸采用斜坡式拋石結構，結構安全等級為二級，設計高水位2.66 m，設計低水位0.48 m。工程建設區域下臥土層連續分布松散粉細砂層，標貫擊數2～10擊，厚度為7～13 m。該場地抗震設防烈度為8度，地震動峰值加速度為0.30g，設計地震分組為第1組，地震動反應譜特征周期為0.65 s。工程區域下臥土層連續分布松散粉細砂層為嚴重液化土層，厚度較大，為保證護岸結構的穩定安全，必須對地基進行抗液化地基處理。

2　設計方案

2.1　加固原理

針對砂土液化成因，擠密砂樁通過振動錘把套管打入到要求的深度，灌入中粗砂并向下擠壓，使砂樁擴徑，周圍土體發生側向擠壓使其密度增大；同時通過樁管的反復振動作用，使周圍土體顆粒重新排列組合進一步密實，從而增加土體有效應力，達到消除液化，提高土體的抗剪強度的目的[1-2]。

2.2　設計思路

地基處理的最終目的是確保護岸的整體穩定計算滿足規范要求。

根據JTS 146—2012《水運工程抗震設計規范》[3]，地震作用下的岸坡穩定驗算的抗力分項系數不應小于1.0。液化地基抗剪強度減弱甚至喪失，嚴重威脅岸坡的穩定安全，因此需要在護岸地基范圍采用一定置換率的擠密砂樁，部分甚至全部消除液化。

擠密砂樁是一種復合地基處理方法。根據JTS 147-1—2010《港口工程地基規范》[4]，抗滑穩定性分析中復合土層的抗剪強度標準值計算式為：

式中：φsp為復合土層內摩擦角標準值；φp為樁體材料內摩擦角標準值；φs為樁間土內摩擦角標準值；m為面積置換率；csp為復合土層黏聚力標準值；cs為樁間土黏聚力標準值；n為樁土應力比。根據《水運工程抗震設計規范》，全部消除地基液化，擠密砂樁處理后樁間土不宜小于液化判別標準貫入錘擊數臨界值。地面下20 m深度范圍內液化判別錘擊數臨界值按式（4）計算：

式中：Ncr為液化判別錘擊數臨界值；N0為液化判別標準貫入錘擊數基準值；β為調整系數；ds為飽和土標準貫入點深度；dw為地下水位在地面以下深度，當地面位于水下時，取值0；Mc為黏粒含量百分率，砂土時取值3。

2.3　設計方案

護岸整體穩定通過試算，砂樁最低置換率為23%。砂樁處理深度范圍至液化砂層底下0.5 m，橫向范圍至護岸坡腳。典型斷面詳見圖1。

圖1　護岸典型斷面圖Fig.1　Typical cross-section of revetment

砂樁材料采用中粗砂（φ≥32°），含泥量不宜大于3%，砂料中可混有少量粒徑小于50 mm的碎石。

地震工況整體穩定計算，其計算水位分別采用設計高水位和設計低水位，土層抗剪指標采用固接快剪。擠密砂樁處理范圍為復合地基，考慮全部消除液化，根據公式（1）～公式（3）計算得抗剪強度指標csp=0 kPa，φsp=26.7°；擠密砂樁外側原狀粉砂層嚴重液化，內摩擦角取值0；擠密砂樁內側覆蓋回填料，考慮建筑建成后標貫基數修正，發生液化后內摩擦角折減保守取值8.3°。

計算軟件采用天津地基計算系統，計算方法采用簡單條分法，地震工況整體穩定計算得抗力分項系數≥1.02。

2.4　液化判斷

針對護岸地震工況，對護岸結構進行數值模擬分析，檢驗結構和地基的抗震穩定性。分析內容包括：1）采用非線性增量有限元方法進行有限元靜力分析，計算地基處理前后護岸結構和地基在自重作用下的應力；2）根據地震動峰值加速度和規范反應譜，采用地震波人工生成技術，生成不同相位的地震波時程，考慮地基地震孔壓模型，采用基于等效線性模型和廣義Biot固結理論的有效應力有限元動力時程分析方法，計算在給定地震（加速度時程）作用下地基處理前后護岸結構和地基的地震應力、加速度、孔隙水壓力等響應，為液化分析提供動應力；3）基于靜力和動力有限元的分析結果，計算地基處理前后護岸地基土地震孔壓比，分析地基的液化可能性；4）基于有效應力計算的孔壓，采用圓弧滑動面擬靜力法驗算地基處理前后護岸結構在地震荷載作用下的整體穩定性[5]。

預計采用地基處理后標貫擊數平均值不低于20擊，暫考慮取值標貫擊數20擊進行數值模擬分析。

有限元動力反應分析顯示：護岸斷面頂部的水平加速度最大值在2.67～2.77 m/s2之間。由于地基孔隙水壓力升高后，地基軟化，加速度并沒有產生明顯放大作用，因此水位對護岸結構的地震反應影響不明顯。

孔壓分析顯示：無加固措施時，震后地基超孔隙水壓力最大值均位于陸域底部區域，超孔隙水壓力最大值為90 kPa。采用加固措施后，加固區域超孔隙水壓力明顯降低，但基本不影響加固范圍以外區域的超孔隙水壓力分布。典型斷面孔壓分布詳見圖2、圖3。

圖2　護岸典型斷面孔壓分布（低水位，加固前）Fig.2　The pore pressure distribution of the typical revetment(low water level,pre-reinforcement)

孔壓比表示地震超孔隙水壓力與震前初始有效應力的比值，可以用于表示液化的程度，隨著孔壓比的增加，土體強度逐漸降低，當孔壓比接近或達到1時，可以認為土體完全液化，此時土體將完全喪失強度。無加固措施時，護岸坡腳區域②1粉細砂（混淤泥）層與②2粉細砂層孔壓比位于0.35～0.75之間，外海側液化程度較大。采用加固措施后，由于加固區液化強度（標貫）提高，加固區孔壓比明顯降低。加固后坡腳加固區孔壓比減小至0.05～0.35。擠密砂樁處理范圍孔壓比趨近0，即基本不液化。典型斷面孔壓比分布詳見圖4、圖 5。

地震時土體超孔隙水壓力增加，導致土體強度的弱化，將對護岸的穩定產生影響。有效應力法可直接計算出孔隙水壓力和土體的有效應力，穩定計算時可以引入孔壓計算結果。未采用加固措施時，地震工況整體穩定抗力分項系數分別為0.54（低水位）和0.53（高水位）；采用加固措施后，由于加固區孔壓比明顯降低，抗力分項系數分別提高至1.21（低水位）和1.07（高水位）。

數值模擬分析的結果表明：護岸結構地基采取23%置換率的擠密砂樁處理后，地震作用下護岸結構的液化危險性降低，整體穩定性滿足要求，驗證了設計方案的合理性。

2.5　工程投資比較

文中依托工程建設護岸較長，松散飽和砂土厚度較大，需要處理的液化地基工程量較大，地基處理的工程投資占護岸建設投資比例較大，因此采取何種地基處理方案成為控制工程總造價的關鍵因素。海口地區中粗砂單價遠低于塊石、碎石價格，因此擠密砂樁在工程造價上相比開挖換填塊石、碎石樁方案具有絕對優勢，經分析比較，擠密砂樁方案護岸工程造價12.1萬元/m，開挖換填塊石方案護岸工程造價17.3萬元/m，碎石樁方案護岸工程造價20.2萬元/m。

3　實施效果

3.1　檢測要求

擠密砂樁地基處理后消除液化的標準即樁間土標準貫入擊數不宜小于液化判別標準貫入錘擊數臨界值。由式（4）計算得各深度范圍內需達到標貫擊數見表1。需要錘擊數平均值為24.2擊，大于數值模擬分析的標貫擊數取值20擊。

表1　液化判別錘擊數臨界值計算結果Table1　The calculation results of standard penetration number critical value of the liquefaction discrimination

3.2　施工關鍵技術

擠密砂樁施工關鍵技術包括：振動錘激振力、樁套管內壓力設置、樁套管提升速率等[6]。

專業砂樁船砂樁套管直徑一般為0.8～1.0 m，處理淤泥軟弱土，可形成最大樁徑2.0 m，最大置換率可達到70%，施工效率較高，平均每天可打設砂樁1 100 m3[7]。

該項目采用“砂樁3號”，振動錘電機功率360 kW，砂樁套管直徑1.0 m，在滿足砂樁均勻性和連續性質量前提下，由于套管對原狀砂土有振密作用，砂樁擴徑、置換率以及施工效率都難以匹配至處理淤泥的砂樁參數。根據典型試驗施工，在粉細砂層中可擴徑至1.35 m，置換率宜控制在30%以內，平均每天可打設砂樁約900 m3。

根據穩定計算要求置換率，砂樁樁徑1.35 m，采用正三角形布置，樁間距2.7 m。

砂樁施工采用GPS定位，通過高精度GPS實時定位儀器保證樁位偏差小于100 mm。套管下沉時向套管內加壓，控制管內泥水面高度不超過2.0 m。套管貫入至-8 m時，開始加砂振動下沉，以保持套管內壓力直至達到設計底標高。

打設砂樁時，提升套管1.9 m，排砂量等體積換算，回打0.9 m，使砂樁擠密擴徑至1.35 m，形成1.0 m的實際砂樁高度，如此循環直至整根砂樁完成。砂樁供砂效率不低于0.72 m3/min，成樁速率不大于0.5 m/min。成樁后體積換算得砂樁充盈系數1.33。

3.3　檢測結果

砂樁施工完成后，通過樁間土標貫擊數檢測，其結果均大于液化判別錘擊數臨界值，即擠密砂樁處理范圍地基全部消除液化。典型檢測結果詳見表2。

表2　典型施工樁間土標貫擊數檢測結果Table2　Thetest resultsof thestandard penetration number in thesoil between pilesof the typical construction

4　結語

1）擠密砂樁首次在華南地區水工工程液化地基中應用，處理效果良好，對推進水運工程建設具有深遠意義。

2）數值模擬分析和工程實施效果驗證，采用合理的砂樁置換率和嚴格的施工技術要求，擠密砂樁對液化地基處理效果可靠。

3）抗液化處理擠密砂樁技術要求與常規淤泥質軟弱土處理的擠密砂樁技術在擴徑、置換率以及施工效率上相差甚遠，大面積施工前可根據施工試驗取得施工參數。

參考文獻：

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[3]JTS146—2012，水運工程抗震設計規范[S].JTS146-2012,Code for seismic design of water transport engineering[S].

[4]JTS147-1—2010，港口工程地基規范[S].JTS147-1—2010,Codefor soil foundationsof port engineering[S].

[5]大連理工大學.海口灣南海明珠人工島二期工程護岸結構抗震數學模型計算分析[R].大連：大連理工大學工程抗震研究所，2013.Dalian University of Technology.The calculation and analysis of the seismic mathematical model for the revetment structure of the second phaseof theartificial island inthesouth Chinaseaof Haikou bay[R].Dalian:The Seismic Research Instituteof Dalian University of Technology,2013.

[6] 朱勝利，喻志發，李立新，等.水下擠密砂樁施工技術與加固地基特性分析[J].中國港灣建設，2015（10）：13-17.ZHUSheng-li,YUZhi-fa,LILi-xin,et al.Underwater sand compaction piles construction technology and reinforcing foundation characteristic analysis[J].China Harbour Engineering,2015(10):13-17.

[7] 林鳴，梁桁，劉曉東，等.海上擠密砂樁工法及其在港珠澳大橋島遂工程的應用[J].中國港灣建設，2012（8）：72-77.LIN Ming,LIANG Heng,LIU Xiao-dong,et al.Method for construction of offshore sand compaction piles and its application for island and tunnel project for Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge[J].China Harbour Engineering,2012（8）:72-77.