DSM 技術(shù)對砂質(zhì)土層中大圓筒打入過程影響研究

馮寶強，時閩生，付建寶

（1.中交一航局第一工程有限公司，天津 300456；2.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222）

0 引言

插入式鋼圓筒結(jié)構(gòu)施工簡捷、造價低、耐久性好，能適應(yīng)水深浪大的惡劣環(huán)境，無需拋石基床，并可避免開挖地基，已被成功應(yīng)用于多項國家重點工程中，且取得了良好的經(jīng)濟、社會效益。

插入式鋼圓筒結(jié)構(gòu)采用振動下沉法進行安裝[1]，類似于振動沉樁即利用振動錘使鋼圓筒產(chǎn)生豎向的上下震動，造成周邊的土體處于強迫振動狀態(tài)，從而使鋼圓筒側(cè)阻力和端阻力減小，鋼圓筒在重力和慣性力的作用下沉入土中[2-3]。胥新偉等[4]針對港珠澳大橋東西人工島的淤泥性地基，采用日本經(jīng)驗公式、法國PTC 經(jīng)驗公式、美國ICE 經(jīng)驗公式、壓樁系數(shù)法、波動方程等多種方法分析了鋼圓筒振動下沉的可行性。針對于砂土，Vipulanandan 等[5]研究了砂土的初始密度對于沉樁速率的影響；張建民[6]指出動黏滯阻尼力的存在將明顯地影響著土的受力和變形狀態(tài)。徐艇[7]建立了振動作用下的大圓筒結(jié)構(gòu)非線性黏彈性彈簧元的瞬態(tài)動力力學(xué)數(shù)值模型，用實體和彈簧來模擬大圓筒和土體以及它們之間的互相作用。李蕊[8]對圓筒基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的靜力下沉進行了研究，研究中采用有限元分析得到新的下沉阻力公式，可為大圓筒下沉施工提供指導(dǎo)。在實際工程中，除正在施工的三亞新機場和深中通道外，鋼圓筒均為插入軟土地基，未見插入硬質(zhì)砂層。當(dāng)鋼圓筒插入到夾砂層和砂層土層時，由于錘擊的振動會對夾砂層和砂層土體產(chǎn)生振動密實效應(yīng)，使砂層板結(jié)，給鋼圓筒的振沉帶來了很大的困難，強行打設(shè)很容易造成大圓筒結(jié)構(gòu)破壞。因此有必要對夾砂層和砂層地基進行改性，改變砂層土體特性，使大圓筒順利振沉。

1 工程概況

深中通道工程地處珠江口核心區(qū)域，全長約24.03 km，其中跨海段長約22.39 km。西人工島位于礬石水道西側(cè)，由直徑28 m，高度不等的57個大圓筒組成，其地形平坦，但受采砂及航道疏浚的影響，淺層軟土分布不均勻，層位不穩(wěn)定，粉質(zhì)黏土中夾中粗砂，厚0～9.1 m，底部基巖為全風(fēng)化～微風(fēng)化花崗巖，個別為花崗閃長巖，地層分布如圖1 所示。

圖1 施工區(qū)域典型地層分布Fig.1 The typical soil layers in engineering area

鋼圓筒振沉區(qū)有較硬夾砂層，個別砂層達(dá)到9 m 厚，標(biāo)慣擊數(shù)為35 擊，現(xiàn)場試驗顯示，在12錘聯(lián)動的作用下，夾砂層會更加密實，造成鋼圓筒無法振沉穿透[9]。西人工島大圓筒振沉區(qū)域范圍內(nèi)存在較硬夾砂層（如粉砂和中粗砂等）且處于采砂區(qū)范圍內(nèi)，地質(zhì)變化明顯且無規(guī)律可循，底部存在堅硬密實且厚度較大的砂層，難以滿足大圓筒振沉平面偏差≤350 mm 和垂直度≤1%的設(shè)計要求，并且部分大圓筒進入風(fēng)化層。標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)N 值很大，在大圓筒沉筒之前需對硬土層進行處理。

2 DSM 技術(shù)改良效果的現(xiàn)場測試試驗

2.1 DSM 施工過程

針對深中通道地基存在標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)大的夾砂層導(dǎo)致鋼圓筒無法達(dá)到振沉高度的情況，開展現(xiàn)場試驗，采用深層泥漿攪拌技術(shù)（DSM 技術(shù)）對夾砂層及持力層進行處理，其工作原理是通過機械攪拌硬土層同時噴射泥漿，軟化和松動硬土層。試驗采用DSM 船泵送泥漿，泥漿中水∶膨潤土質(zhì)量比為1∶1，泥漿重度為1.43 g/cm3。將配合好的泥漿與海砂混合配比，泥漿摻量選定為20%。

2.2 DSM 處理效果

采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗檢測DSM 處理后砂層的處理效果。標(biāo)準(zhǔn)貫入檢測時，采用測量人員手持GPS 定位儀器放點定位，安放100 型工程鉆機進行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗。DSM 處理前后的標(biāo)貫擊數(shù)對比結(jié)果如表1 所示。

由表1 可以看出，X19-1 號鉆孔，DSM 處理前，砂層厚度5 m，標(biāo)貫擊數(shù)為5~18 擊，DSM 處理后，夾砂層消失，原夾砂層位置變?yōu)橛倌嗪头圪|(zhì)黏土，標(biāo)貫擊數(shù)小于1 擊。X22-1 號鉆孔，DSM 處理前，砂層厚度3.5 m，標(biāo)貫擊數(shù)為32~43擊，DSM 處理后，礫砂層變?yōu)橛倌嗪头圪|(zhì)黏土，標(biāo)貫擊數(shù)小于1 擊；處理前，風(fēng)化巖頂標(biāo)高為-32.22 m，風(fēng)化巖標(biāo)貫擊數(shù)大于50 擊，處理后風(fēng)化巖頂標(biāo)高變?yōu)?34.6 m，一部分風(fēng)化巖被處理為粉質(zhì)黏土，說明DSM 工藝完全有能力處理標(biāo)貫擊數(shù)大于50 擊的風(fēng)化巖。X23-1 號鉆孔，DSM 處理前，砂層厚度3.3 m，標(biāo)貫擊數(shù)為30~39 擊，DSM處理后，礫砂層變?yōu)橛倌?，?biāo)貫擊數(shù)小于1 擊。

表1 攪拌前后標(biāo)貫擊數(shù)對比表Table 1 Comparison of SPT blow counts before and after DSM treating

現(xiàn)場試驗表明，經(jīng)DSM 技術(shù)處理后，硬質(zhì)砂層的標(biāo)貫擊數(shù)都出現(xiàn)了顯著的下降，經(jīng)處理后砂層的可打入性得到了極大改善，鋼圓筒很容易打入。實際工程經(jīng)驗顯示，在深中通道后期的現(xiàn)場施工過程中，所有經(jīng)DSM 處理后的區(qū)域，大圓筒都全部順利打設(shè)，未出現(xiàn)打設(shè)困難和大圓筒結(jié)構(gòu)損壞現(xiàn)象。

3 砂層DSM 預(yù)處理對大圓筒打設(shè)的影響分析

3.1 有限元模型

為了明確DSM 技術(shù)對夾砂層和風(fēng)化巖層的軟化作用，運用PLAXIS 3D 有限元軟件開展分析模擬，建立的有限元模型，如圖2 所示。

圖2 大圓筒打設(shè)有限元模型（局部）Fig.2 Finite element model of steel cylinder driving(local)

模型采用軸對稱模型，總長300 m，寬15 m，19 841 個10 節(jié)點土單元，30 881 個節(jié)點，大圓筒直徑28 m，高度28 m，副格寬度1 m，均采用板單元進行模擬。土層采用摩爾庫侖模型，鉆孔信息、土體的各項物理力學(xué)參數(shù)如表2 所示，筒壁和副格采用線彈性模型，材料參數(shù)如表3 所示。模型水面標(biāo)高為+3.34 m，大圓筒兩側(cè)設(shè)置界面單元，界面強度為相鄰?fù)恋?.8 倍。

表2 土層物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of soil layer

表3 筒壁和副格的材料參數(shù)Table 3 Material parameters of the cylinder wall and arch connector

3.2 DSM 預(yù)處理對打設(shè)過程的影響

對采用DSM 預(yù)處理與不采用DSM 預(yù)處理兩種工況進行了計算，大圓筒打設(shè)過程中軸力、剪力和彎矩的最大值見表4，采用DSM 處理的彎矩M11分布云圖見圖3。

表4 采用DSM 與不采用DSM 時大圓筒筒壁最大內(nèi)力統(tǒng)計表Table 4 The statistical table of maximum internal force of steel cylinder wall with and without DSM

圖3 采用DSM 處理的彎矩M11 分布云圖Fig.3 The distribution of the bending moment M11 treated by DSM

由圖3 和表4 可以看出，相比于未使用DSM技術(shù)處理的工況，采用DSM 技術(shù)對砂層進行預(yù)處理之后，筒壁各個方向的軸力、剪力和彎矩都有很大幅度的降低，降低幅度在82.6%~98.8%之間，表明DSM 處理之后大圓筒非常易于打設(shè)，極大幅度地降低了土層堅硬導(dǎo)致筒壁破壞的可能性。

4 結(jié)語

本文通過現(xiàn)場試驗和有限元模擬方法，對DSM 技術(shù)在改良硬質(zhì)砂層中大圓筒的打設(shè)施工過程進行了研究，主要結(jié)論如下：

1） DSM 技術(shù)是采用噴泥漿的方式處理標(biāo)貫擊數(shù)較大的夾砂層或風(fēng)化巖，使之標(biāo)貫擊數(shù)降低，利于大圓筒的打入。DSM 預(yù)處理后大圓筒打設(shè)時筒壁內(nèi)力下降幅度非常大，可以大大降低大圓筒在砂層中的打設(shè)難度。

2）標(biāo)貫擊數(shù)大于40 擊的砂層，經(jīng)DSM 處理后，可以變?yōu)闃?biāo)貫擊數(shù)小于1 的土體，標(biāo)貫擊數(shù)大于50 擊的風(fēng)化巖同樣可以被處理為標(biāo)貫擊數(shù)較小的土體。后期現(xiàn)場大圓筒全部經(jīng)過DSM 處理，處理后全部順利打設(shè)，未出現(xiàn)打設(shè)困難和大圓筒結(jié)構(gòu)損壞現(xiàn)象。

3）分析計算表明，經(jīng)DSM 預(yù)處理土層中大圓筒打設(shè)施工時，筒壁各個方向的軸力、剪力、彎矩都出現(xiàn)了大幅度降低，降幅普遍在82%以上，降低了土層堅硬導(dǎo)致筒壁破壞的可能性。