擠密砂樁在沈海高速三嶼互通工程中的應用

■陳長偉

(福寧高速公路有限責任公司，寧德 352000)

1 工程概況

沈海高速公路三嶼互通是寧德上汽項目重要的配套基礎設施項目，位于福安市下白石南浦村及云淡島北側附近，距離三嶼工業園約2km。通過該項目的建設可以改善三嶼新區交通出行條件，促進區域經濟發展。

場區主要地貌單元有海岸階地地貌、剝蝕丘陵地貌，局部夾沖洪積溝谷地貌。其中F匝道終點FKl+092～FK1+221.453路基段落屬于沖海積平原地貌，海拔高程-0.3～3.8m，為軟土發育路段，上部分布沖積土層，下為淤泥-淤泥質土層，厚度2.0～3.0m不等。土層具體工程性質如下：

(1)含水率高。根據資料統計，淤泥質土的天然含水率平均值為56.8%，淤泥的天然含水率平均值為73%，少數為100%以上，土體一般呈流塑狀。

(2)天然孔隙比大。根據本項目軟土統計資料，淤泥質土天然孔隙比在1.18～1.34之間，淤泥的天然孔隙比為1.7，少數大于 2.0。

(3)壓縮性高。軟土的天然孔隙比大決定了土層的高壓縮性。具本項目軟土統計資料，淤泥的壓縮系數為1.86MPa-1，淤泥質土的壓縮系數為0.91MPa-1，均屬于高壓縮性土。

(4)粘聚力小。淤泥質土快剪凝聚力平均值為11.8kPa，淤泥快剪凝聚力平均值為8.9kPa，因此土體抵抗剪切變形能力差。

(5)固結系數小。根據項目軟土統計資料，固結系數一般在0.0038cm2/s左右，因此土體完成固結沉降所需的時間較長，這對施工工期影響較大。

綜上所述，土層呈飽和流塑狀態，具有含水率大、高壓縮性、低抗剪強度等特性，路基填筑時可能產生過大的沉降甚至滑移，路線穿越時需根據其厚度、埋深及填方高度等采用砂樁、CFG樁等復合地基結合預壓排水來加固地基。

其中擠密砂樁是一種常用的地基處理技術，一般用于擠密松散砂土、粉土、粘性土、素填土、雜填土等地基。下文將分析擠密砂樁在沈海高速三嶼互通工程地基處理中的應用。

2 擠密砂樁加固機理

擠密砂樁是通過沉管振動法進行施工的，擠密砂樁加固地基的機理主要有4個：擠密作用、排水減壓作用、預震效應、置換作用。

由于沉管砂樁在成樁的過程中樁管對周圍土層產生較大的橫向擠壓力，樁管體積的土體擠向樁管周圍的土層，使樁管周圍的砂土、粉土層孔隙比減小，密實度增大。同時砂樁加固砂土時樁孔內充填砂料碎石等反濾性好的粗顆粒料，在地基中形成滲透性良好的人工豎向排水減壓通道，可有效地消散和防止超靜孔隙水壓力的增加和砂土產生液化，并加快地基的排水固結。在軟弱粘性土地基中，砂樁可以像砂井一樣起排水作用，從而加快地基的固結沉降速率。砂樁在成樁過程中，激振器產生的振動通過導管傳遞給土層使其附近的飽和土地基產生振動孔隙水壓力，導致部分土層液化，土顆粒重新排列，趨向密實，從而起到振密作用。密實的砂樁在軟弱粘性土中取代了同樣體積的軟弱粘性土，即置換作用，形成復合地基，使地基承載力有所提高，地基沉降也變小。砂樁的作用，在松散砂土中可以用于增大相對密度，防止振動液化；在軟弱粘性土中可用于提高第九承載力，加速固結沉降，改善地基的整體穩定性。

本項目中擠密砂樁采用三角形布設，樁間距1.2m～1.5m，成孔直徑為50cm。樁打穿淤泥層并進入持力層約lm。采用振動沉管法施工。在樁頂設置砂墊層50cm。FK0+920、FK1+060、FK0+885位置處樁布設的橫斷面如圖 1～3所示。

圖1 FK0+920橫斷面圖

圖2 FK1+060橫斷面圖

圖3 FK0+885橫斷面圖

3 擠密砂樁施工工序及注意事項

3.1 施工工序

擠密砂樁施工工序包括以下幾項：施工準備(平整場地、材料進場、樁機進場、組裝調試、繪制樁位平面圖)→實地布置樁位→校驗樁位→制樁(樁機就位、開機振動沉管至設計要求深度、自料口灌入砂至灌滿為止、開機邊振邊拔沉管連續反插至管內無料為止、沉管拔出孔口并往孔內分批投料、振搗密實至設計標高、關機移位)→檢驗→交工驗收。

在大規模正式施工前可補充靜力觸探或進行探打，以便進一步了解土的分層及其強度。

(1)機具就位、樁管沉入

樁管沉入前，應根據設計樁長及(地面)水平測量結果，將沉管深度用紅油漆標示于樁管上，以控制沉管深度，確保樁底達到設計高程。

振動沉樁機就位，將活瓣樁尖的尖點對準擠密砂樁樁位中心，中心偏差控制在±5cm以內；調整機架確保樁管垂直，垂直度控制在1%以內。啟動振動器，以2～3m/min的速度使樁管邊振動邊下沉，至設計高程(以樁管上的紅油漆標記線為準)，控制樁底高程偏差不大于10cm。

考慮到擠密砂樁振動擠密后體積減小，砂頂標高下降，因此沉管頂應高出地面1m，并灌滿砂。

(2)加砂料

采用飽和狀態砂，先在沉管內適當加水至約半管，樁體砂采用人工鏟入樁機自帶的下料斗內，通過下料斗送入樁管。

由于本項目近海，擠密砂樁材料和砂墊層材料采用滲透系數較大的中粗海砂，雜質及含泥量小于5%，細度模數不小于2.5，有機質含量不大于1%，滲透系數不小于5×10-3cm/s。為了區分砂樁和砂墊層，在砂樁中加入20%碎石用于區分，以利于施工檢測。

(3)拔管、樁管下壓

在樁管內加入拌好的砂(石)料后，邊振動邊緩慢拔出樁管，拔管速度控制在0.5m/min以內，將落入樁孔內的砂壓實，確保每米灌砂量達到設計要求。

單樁砂設計灌入量q=0.237h(h為實際施打樁長)。施工中砂(石)灌入量不小于設計值的95%。

當灌入砂量沒有達到設計要求 (低于設計的每米灌砂量)時，在旁邊補樁一根。樁體在施工中必須確保連續、密實。

3.2 擠密砂樁施工注意事項

(1)正式施工時，要嚴格按照設計要求的樁長、樁徑、樁間距、砂灌入量以及試驗確定的樁管提升高度和速度、懸振時間、電機的工作電流等施工參數進行施工，以確保擠密均勻和樁身的連續性。應保證起重設備平穩，導向架與地面垂直，且垂直偏差不應大于1.5%，成孔中心與設計樁位偏差不應大于50mm，樁徑偏差控制在-20mm以內，樁徑偏差不大于100mm。

(2)砂墊層施工，砂墊層材料可采用中粗(海)砂，其含泥量應小于5%，沖水飽和狀態輾壓，按設計要求完成地基處理后，即時按設計位置埋設沉降盤和測斜管，并在四周用磚塊砌成50cm×50cm圍欄或直徑50cm混凝土管保護，防止路基輾壓機械在施工時破壞沉降盤。

(3)本項目FK0+840～FK0+976的橋梁段落，在施工時應特別注意。應該等該段落擠密砂樁全部施工完畢且場地填至設計標高(包括兩側盤嶼路范圍)，沉降基本完全，樁側測斜管側向位移穩定后，再施工橋梁樁基。

(4)軟基處理段落左側靠海，為避免砂樁施工過程中的擠土效應造成對堤壩和老橋的影響，要求逐樁跳排退著施工擠密砂樁，不得從兩側往中間施工，應順序從左至右施工(從靠堤壩一側施工至另一側)。施工的過程中應做同時好位移和沉降監控。

(5)按設計要求完成路基擠密擠密砂樁后，按設計圖紙要求進行路基填筑施工，填筑加載要求初期填高3m內不受時間控制，而后每15天填高1m的等速加載進行，并同時滿足以下沉降速率要求。要求填土等載預壓時，按照比路床頂面高出1m進行等載預壓；觀測沉降盤，當測得因沉降造成等(超)載表面線低于設計線10cm時，應補填土20cmm，連續觀測預壓時間不少于3個月，當測得連續2個月月累計沉降量少于5mm時，方可卸載施工路面底(基)層。

4 加固效果分析

4.1 室內土工試驗分析

打樁前原地基土與加固后樁間土均取樣進行了室內土工試驗。結果表明，加固后的地基土物理力學性質均有較好的改善和提高，而且處理后的天然地基含水率降低了 4～8%，孔隙比減小 0.2～0.3，液性指數下降 2～3，壓縮系數降低 0.2～0.5MPa-1，承載力增加300～450kPa，由此可知，加固效果顯著。

4.2 標準灌入試驗分析

地基加固前標貫試驗錘擊數及加固后樁間土標貫試驗結果如表1所示，加固后各深度土層標準灌入擊數均有明顯增加，由此得出加固深度范圍內，土層強度均得到了有效提高。

表1 加固前后土層各深度標準灌入擊數

4.3 沉降計算分析

采用PLAXIS 3D軟件計算分析擠密砂樁加固后的地基沉降情況。PLAXIS 3D軟件由荷蘭德爾夫特大學研發，是一款國際上廣泛使用并受到業界高度認可的巖土有限元分析軟件。它操作流程簡明清晰，具備強大的建模、分析功能，能模擬復雜巖土結構和施工過程；適于廣大巖土工程師和研究工作者使用。

計算土層采用摩爾庫倫模型進行模擬，該模型是有限元計算中常用的土體本構模型，可在一定程度上描述巖土材料的特性，由于參數易于獲取，且一般情況下可以較好地描述土的破壞應力狀態，在巖土工程中有著廣泛應用。土層力學參數如表2所示。

表2 土體物理力學參數

計算時長180天，計算表明隨著時間的增加，在荷載的作用下，復合地基強度得到進一步的提高，沉降量增幅局部減小并趨于穩定，地基最大沉降量為68.4mm，符合設計要求。

圖4 地表沉降曲線

5 結論

(1)擠密砂樁成樁過程中，樁管對周圍砂土、黏土層產生很大的橫向擠壓力，樁管體積的土擠向樁管周圍的土層，使樁管周圍的土層孔隙比減小，密實度增大。

(2)擠密砂樁復合地基中，砂樁在成孔及成樁時，振動錘的強烈振動，使填入料和地基土在擠密的同時可獲得強烈的預震效應，對砂土、粉土增強抗液化能力較為有利。

(3)實驗結果表明，處理后樁間土的 各項指標得到了有效的提高，樁間土的標準灌入擊數顯著增加，大大提高了復合地基容許承載力。

(4)有限元計算結果表明，施工半年內地基沉降處于容許范圍值內，說明擠密砂樁復合地基處理效果良好。