郭 銳，陳 杰

(浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院, 浙江 杭州 310000)

砂樁加固沉井基礎(chǔ)復(fù)合地基設(shè)計(jì)

郭 銳，陳 杰

(浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院, 浙江 杭州 310000)

因天然地基承載力遠(yuǎn)達(dá)不到沉井施工要求，需進(jìn)行地基加固。設(shè)計(jì)結(jié)合了國內(nèi)大型橋梁沉井施工地基加固及水運(yùn)工程中碼頭及人工島軟基加固等工程經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮采用砂礫換填結(jié)合砂樁加固的軟基處理措施，并通過計(jì)算對其設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)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(shè)計(jì)參數(shù)

1 工程概況

某項(xiàng)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(zhì)條件極差，持力層以上均為流塑狀或軟塑狀的淤泥、淤泥質(zhì)黏土等，厚度達(dá)40 m，地基承載力極低。地表標(biāo)高為4.39 m，地層參數(shù)見表1。在進(jìn)入持力層前，沉井穿過上部軟弱層時(shí)極易產(chǎn)生突沉、偏沉、反涌和超沉等問題。根據(jù)沉井施工方案，本次設(shè)計(jì)結(jié)合了國內(nèi)大型橋梁沉井施工地基加固及水運(yùn)工程中碼頭及人工島軟基加固等工程經(jīng)驗(yàn)，采用砂礫換填結(jié)合砂樁加固的軟基處理措施。

表1 地層物理力學(xué)參數(shù)表

2 沉井施工所需地基承載力值確定

錨碇沉井基礎(chǔ)分節(jié)段為(1×8) m+(11×5) m+(1×3) m=66 m。錨碇沉井基礎(chǔ)施工第一次接高18 m(1#、2#、3#節(jié)段)，混凝土澆注過程中要求刃腳及中隔墻踏面(標(biāo)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(shù)為682 kPa)，且地基不允許產(chǎn)生過大的壓縮沉降，以免發(fā)生突沉或嚴(yán)重的不均勻沉降而造成沉井傾斜甚至發(fā)生破壞。

3 砂樁加固沉井基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

砂樁處理直徑、間距、布置形式、復(fù)合地基承載力設(shè)計(jì)值及砂礫換填層厚度等計(jì)算過程分析情況如下。

3.1 砂樁單樁極限承載力計(jì)算

根據(jù)相關(guān)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，采用被動土壓力法計(jì)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(shù)，取2；正切函數(shù)項(xiàng)分別對應(yīng)樁間復(fù)合土和樁身的被動土壓力系數(shù)。砂樁鼓脹深度的計(jì)算，可借鑒Brauns公式推導(dǎo)過程，在荷載作用下，樁體產(chǎn)生鼓脹變形，使樁間土進(jìn)入被動土體極限平衡狀態(tài)，樁間土極限平衡區(qū)如圖1所示。

圖1 樁間土極限平衡區(qū)

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

3.2 砂礫墊層底面復(fù)合地基容許承載力計(jì)算

根據(jù)復(fù)合地基計(jì)算公式：[fspk]=m[fpk]+(1-m)[fsk]，計(jì)算得砂樁復(fù)合地基頂面容許承載力[fspk]=166kPa，對應(yīng)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(jì)算

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

按應(yīng)力擴(kuò)散公式：ph=p1(b/(b+2×h×tanθ))+γ×h(b取2.1m，應(yīng)力擴(kuò)散角θ取30°，γ取20 kN/m3)，安全系數(shù)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(biāo)高，需保證階段一刃腳踏面至砂樁復(fù)合地基頂面深度至少為2.5 m)。

3.4 砂樁間距計(jì)算

本次設(shè)計(jì)暫采用直徑0.8 m，采用正三角形布置，粘性土地基，根據(jù)砂樁置換率m=0.63計(jì)算樁距取0.95 m。不同樁徑下，砂樁間距計(jì)算結(jié)果見表2。

3.5 砂樁處治深度

考慮到本項(xiàng)目淤泥層較厚，砂樁處治深度不僅僅應(yīng)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(shè)計(jì)，砂樁需打穿淤泥質(zhì)黏土層(標(biāo)高-35.01 m)。

表2 砂樁間距計(jì)算結(jié)果

4 砂樁計(jì)算總結(jié)

通過以上計(jì)算，為滿足沉井施工需要，砂樁處治設(shè)計(jì)方案如下。

(1)采用砂樁復(fù)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(zhì)黏土層(標(biāo)高-35.01 m)。

(2)砂樁處治后對上部4.5 m范圍內(nèi)(標(biāo)高+3 m～-1.5 m)土體進(jìn)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(jìn)行試樁，若采用樁徑0.8m的砂樁處治方案試樁結(jié)果達(dá)不到沉井施工承載力要求，可根據(jù)以下計(jì)算結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，重新進(jìn)行試樁后確定砂樁最終處治方案。表4計(jì)算結(jié)果供參考。

表4 砂樁計(jì)算結(jié)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(jì)算[J]. 地基與基礎(chǔ)，2011，6(6)：131-135.

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

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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(shè)計(jì)。

U416

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1008-3383(2017)03-0021-02