何洪濤，李建宇，林佑高，王坤

（中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510230）

0 引言

擠密砂樁（Sand Compaction Pile，簡稱SCP）工法是一種通過振動將粗粒料（通常為砂）用樁管壓入軟弱地基中，并反復向下擠壓使得砂樁擴徑，使其周圍地基發(fā)生側(cè)向擠壓而地基變得密實的地基加固方法[1]。這種工法通過將高強度的密實砂樁與軟弱地基結(jié)合形成復合地基，有減小沉降、促進排水固結(jié)、增大地基整體剛度、增加滑動阻力、提高地基承載力及側(cè)向變形的作用，達到地基改良的目的[1-6]。

擠密砂樁工法適用于大部分砂性土地基和黏性土地基。根據(jù)工作場地的不同，分為陸上擠密砂樁工法和海上擠密砂樁工法。陸上擠密砂樁工法一般用于堤壩、堆場及建筑物基礎(chǔ)，而海上擠密砂樁一般應用于防波堤、護岸及碼頭[2-4]。相比于陸上擠密砂樁工法，海上擠密砂樁工法加固黏性土地基可形成直徑約1.6～2.0 m、置換率在30%～80%范圍的大直徑高置換率擠密砂樁，且處理深度可達水下70 m左右[1]，能有效處理海底深部軟弱土層。目前，海上擠密砂樁工法已經(jīng)成功應用在港珠澳大橋島隧工程沉管隧道基礎(chǔ)工程[7-12]，文章主要針對擠密砂樁工法處理沉管隧道基礎(chǔ)軟弱黏性土地基的加固機理、設計方法、處理效果進行闡述。

1 擠密砂樁加固黏性土地基機理

1.1 基本原理

擠密砂樁在黏性土地基形成的樁體與周圍的樁間黏性土形成復合地基，在荷載作用下，復合地基中樁體與樁間土共同承載上部結(jié)構(gòu)傳遞的荷載[1]，基本原理見圖1。

圖1 擠密砂樁加固黏性土復合地基示意圖Fig.1 Schematicdiagramofconsolidationofclaycomposite foundation by compacted sand pile method

復合地基樁體面積為As，加固的總面積為A，則置換率m可用As和A形成如下公式：

當復合地基受到豎向荷載時，由于樁體與樁間土的剛度不同，在樁體上會出現(xiàn)應力集中。作用于樁體上的應力σs與作用于樁間土上的應力σc之比為樁土應力比n。根據(jù)垂直方向上的總應力σ、樁土應力比n和置換率m可計算出樁體上的應力σs和樁間土上的應力σc。假定擠密砂樁體和樁間土發(fā)生的應變相同，則可用公式（2）到（4）表達上述應力：

式中：μs為應力集中系數(shù)；μc為應力降低系數(shù)或應力修正系數(shù)。

1.2 加固機理

擠密砂樁加固黏性土地基主要有以下幾個作用[1，3，6]：

1）置換作用：對于黏性土地基，特別是飽和軟黏土，擠密砂樁通過向軟土地基壓入高強度砂料將軟弱土層強制排開并置換，在地基中形成高密實度和大直徑的樁體，它與原黏性土形成復合地基共同工作，從而提高了地基的整體穩(wěn)定性和抗破壞能力。

2）排水作用：擠密砂樁置換了地基中部分黏性土后，形成良好的豎向排水通道，由于砂樁縮短了排水距離，從而可加快地基的固結(jié)速率，有效地加速荷載產(chǎn)生的超孔隙水壓力的消散，加速地基的沉降。結(jié)合排水固結(jié)預壓，擠密砂樁復合地基能有效降低工后殘余沉降。

3）擠密作用：擠密砂樁通過貫入、擴徑形成大直徑的樁體，使得軟弱樁間土擠出，相對密實樁間土留下，從而增強地基整體穩(wěn)定能力和承載力，特別是對于置換率低于40%的擠密砂樁復合地基有較好的加固作用。

1.3 設計方法

擠密砂樁復合地基是一種散體材料樁復合地基，與其他類型的復合地基相比，散體材料樁復合地基的特點是樁體材料主要為砂石料，施工工藝通過擠密、置換作用將砂石料壓入軟弱地基中形成擴徑樁體，不僅有減小沉降、提高承載力的作用，而且還有加快黏性土地基固結(jié)的作用。

1）沉降計算

擠密砂樁復合地基的沉降s可采用應力修正法計算[6]，計算公式如下：

式中：s0為天然地基沉降；n為樁土應力比；m為復合地基置換率；μc為應力修正系數(shù)。應力修改法計算沉降的關(guān)鍵在于樁土應力比的合理確定，根據(jù)大量不同置換率下的擠密砂樁復合地基實測沉降數(shù)據(jù)分析，沉管隧道剛性荷載下擠密砂樁復合地基的樁土應力比一般在5～10左右。

2）固結(jié)分析

擠密砂樁復合地基的固結(jié)符合經(jīng)典豎井固結(jié)理論[1，3，6]，即豎井地基總的平均固結(jié)度 Uvh，由豎向排水固結(jié)度Uv和水平向排水固結(jié)度Uh組成，采用如下公式：

式中：Tv為豎向排水時間因子；cv為豎向固結(jié)系數(shù)；Th為水平向排水時間因子；ch為水平向固結(jié)系數(shù)；F（N）為井徑比。擠密砂樁施工造成樁間土擾動會影響到復合地基的正常固結(jié)，即產(chǎn)生固結(jié)延遲效應，因此沉管隧道擠密砂樁復合地基的固結(jié)分析采用固結(jié)系數(shù)修正法，即采用修正后的水平固結(jié)系數(shù)c′h代替初始水平固結(jié)系數(shù)ch。根據(jù)大量的擠密砂樁復合地基實測沉降時間曲線分析，復合地基實測數(shù)據(jù)推算的固結(jié)系數(shù)c′h與室內(nèi)試驗得到的固結(jié)系數(shù)ch之比，即固結(jié)延遲率c′h/ch大部分處于0.03～1.0之間。

2 場地條件

港珠澳大橋島隧工程位于珠江口伶仃洋水域，場地主要土層從上到下依次主要為①全新世海相沉積淤泥層（）、②晚更新世陸相沉積黏土層（）、③晚更新世海陸交互相沉積黏土層（）、④晚更新世陸相沖洪積沉積砂層（）、⑦震旦紀變質(zhì)層（Z），圖2為典型地質(zhì)剖面圖[13]。其中表層為厚度約10～20 m、呈流塑～軟塑狀態(tài)的軟弱黏性土，沉管隧道沿線均有分布，但是由于沉管隧道的埋深不一，中間段大部分軟土基本被挖除，而在兩側(cè)的過渡段存在變化的軟土厚度，這將是沉管隧道基礎(chǔ)沉降控制的關(guān)鍵點。典型孔壓靜力觸探CPTU測試結(jié)果見圖3，場地主要土層的物理力學指標見表1。

圖2 港珠澳大橋島隧工程地質(zhì)剖面示意圖Fig.2 Geological profile diagram of the Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge island and tunnel project

圖3 典型孔壓靜力觸探CPTU測試結(jié)果Fig.3 Typical CPTU test results

表1 場地主要土層的物理力學指標Table 1 Physical and mechanical index of main soil layer in site

3 沉管隧道擠密砂樁復合地基

3.1 沉管隧道基礎(chǔ)

傳統(tǒng)的沉管隧道一般位于海（河）床表面上，基槽開挖量不大，上覆荷載小，對地基要求不高，即怕浮不怕沉[14]。但港珠澳大橋沉管隧道為深埋沉管隧道，上覆回淤荷載大，下臥軟基厚，對地基要求高，沉降問題甚至是工程建設成敗的關(guān)鍵。特別是港珠澳大橋沉管隧道通過海中人工島與橋梁段相連接，與人工島相鄰的西島過渡段、東島過渡段存在厚度變化的海相軟弱黏性土，沉管隧道需跨越不同地層，工程地質(zhì)條件復雜。

經(jīng)過計算，對比分析了沉管隧道在使用荷載條件下不進行地基處理和進行地基處理的總沉降，見圖4。

圖4 沉管隧道在使用荷載條件下不進行地基處理和進行地基處理的總沉降Fig.4 The total settlement of immersed tunnel without and with ground improvement under load conditions

結(jié)果表明，沉管隧道只有在中間段可不進行地基處理滿足設計要求，沉管隧道過渡段為滿足差異沉降的設計要求，必須進行地基處理或采用深基礎(chǔ)滿足差異沉降控制要求。早期使用剛性接頭的沉管隧道多使用偏剛性的樁基礎(chǔ)，但水力壓接的柔性接頭出現(xiàn)后，沉管隧道基礎(chǔ)較多地采用了復合地基進行地基處理。

為實現(xiàn)隧道與地基剛?cè)釁f(xié)調(diào)和沉降平穩(wěn)過渡至人工島，將沉降差控制在隧道結(jié)構(gòu)可承受的范圍內(nèi)，沉管隧道基礎(chǔ)采用了天然地基、擠密砂樁復合地基、高壓旋噴樁復合地基、PHC復合地基形成組合基礎(chǔ)，以滿足整個沉管隧道沉降與剛度的協(xié)調(diào)一致。

3.2 擠密砂樁復合地基

沉管隧道過渡段的擠密砂樁復合地基有兩種方案[13]。附加應力 <0的區(qū)段用高置換率擠密砂樁復合地基的處理方式，擠密砂樁采用了直徑1.5～1.6 m，間距1.8 m×1.8 m的正方形布置，置換率約為55%～62%，典型斷面見圖5；附加應力＞0的區(qū)段用擠密砂樁復合地基結(jié)合水下堆載預壓的處理方式，擠密砂樁采用了直徑1.5～1.7m，間距為2.1m×2.1m、1.8 m×1.8 m的正方形布置形式，置換率約為42%～70%，超載比約為1.3，堆載區(qū)域兩側(cè)還設置了直徑1.0 m、間距為2.7 m×2.7 m正方形布置、置換率約為11%的排水砂井作為堆載預壓期排水通道，典型橫斷面見圖6。

圖5 未采用堆載預壓的擠密砂樁復合地基Fig.5 SCP composite foundation without preloading

圖6 采用堆載預壓的擠密砂樁復合地基Fig.6 SCP composite foundation with preloading

4 加固效果

4.1 堆載施工期

由于沉管隧道西島過渡段管節(jié)E1-S3～E4-S3區(qū)段和東島過渡段地基軟弱淤泥層深厚，設計采用擠密砂樁復合地基結(jié)合堆載預壓加固處理，擠密砂樁不僅作為復合地基的豎向增強體，同時也作為堆載預壓期間的排水通道。沉管隧道過渡段水下堆載預壓監(jiān)測主要采用了地表沉降和分層沉降監(jiān)測[15-16]。

1）西島過渡段

圖7為西島過渡段K12+486.75里程位置沉降監(jiān)測斷面圖，沉降標埋設高程分別為-19.5 m（擠密砂樁頂）、-27.0 m、-30 m、-33 m、-36 m、-42 m（密實砂層頂）。圖8為堆載預壓期間擠密砂樁復合地基分層沉降隨時間變化曲線。西島過渡段K12+486.75里程的擠密砂樁樁徑1.5 m，采用間距為1.8 m×1.8 m的正方形布置，置換率約為55%，水下堆載厚度約13 m。

圖7 西島過渡段擠密砂樁復合地基沉降監(jiān)測斷面圖（K12+486.75）Fig.7 Cross section of settlement monitoring for SCP composite foundation at K12+486.75

圖8 堆載預壓期間擠密砂樁復合地基分層沉降隨時間變化曲線（K12+486.75）Fig.8 Field settlement against time curves for SCP composite foundation during surcharge preloadingat K12+486.75

從圖8可知，擠密砂樁復合地基沉降隨著前期荷載施加約30 d期間快速增長，后期在約120 d的滿載期間，沉降隨著時間不斷發(fā)展并逐漸收斂，最后在滿載約150 d時沉降穩(wěn)定，復合地基樁頂最大沉降約53 mm，最終沉降速率約為0.01 mm/d，深部土層的分層沉降在荷載施加完成后基本無變化。

2）東島過渡段

圖9為東島過渡段K7+171.57里程位置沉降監(jiān)測斷面圖，沉降標埋設高程分別為-23 m（擠密砂樁頂）、-48 m、-51 m、-54 m、-57 m、-60 m。圖10為堆載預壓期間擠密砂樁復合地基分層沉降隨時間變化曲線。東島過渡段K7+171.57里程的擠密砂樁分上、下2個部分，其中上部擠密砂樁樁徑1.5 m，采用間距為1.8 m×1.8 m的正方形布置，置換率約為55%；下部擠密砂樁樁徑1.1 m，采用間距為1.8 m×1.8 m的正方形布置，置換率約為29%；水下堆載厚度約12 m。

圖9 東島過渡段擠密砂樁復合地基沉降監(jiān)測斷面圖（K7+171.57）Fig.9 Cross section of settlement monitoring for SCP composite foundation at K7+171.57

圖10 堆載預壓期間擠密砂樁復合地基分層沉降隨時間變化曲線（K7+171.57）Fig.10 Field settlement against time curves for SCP composite foundation during surcharge preloading at K7+171.57

從圖10可知，由于東島過渡段軟土比西島過渡段較厚，因此施工期的沉降更大；擠密砂樁復合地基沉降隨著前期170 d的荷載加載期間快速增長，后期沉降隨著時間不斷發(fā)展并逐漸收斂，最后在滿載約300 d左右時沉降趨于穩(wěn)定，復合地基樁頂最大沉降約72 mm，最終沉降速率約為0.01 mm/d，深部土層的分層沉降在荷載施加完成后基本無變化。

4.2 沉管管節(jié)沉降

沉管管節(jié)的沉降是直接反應沉管結(jié)構(gòu)和周圍地層穩(wěn)定性的一個重要標志，同時通過對沉管管節(jié)沉降監(jiān)測的實施，可以對管節(jié)沉降的發(fā)展變化進行預測，也為下一管節(jié)的沉放坐標修正提供依據(jù)，因此管節(jié)的沉降數(shù)據(jù)是關(guān)系到沉管隧道施工沉放及后期安全性的關(guān)鍵指標。

通過在隧道管節(jié)上安放儀器，對管節(jié)外墻的橫向、縱向傾斜進行監(jiān)測測量，可以得到管節(jié)在沉放完成后沿軸線方向以及垂直于軸線方向上的傾斜變化情況。該項監(jiān)測可判斷管節(jié)沉放之后的整體姿態(tài)變化，同時用于判斷管節(jié)沉放后的不均勻沉降以及管節(jié)之間的相對位移變化[15-16]。圖11和圖12分別為沉管隧道全線管節(jié)總沉降及差異沉降。

圖11 沉管隧道全線管節(jié)總沉降Fig.11 Total settlement of all immersed tunnel tubes

圖12 沉管隧道全線管節(jié)差異沉降Fig.12 Differential settlement of all immersed tunnel tubes

由圖11和圖12監(jiān)測數(shù)據(jù)表明大部分沉管管節(jié)的總沉降均控制在約8 cm以內(nèi)（除了E33管節(jié)局部異常），差異沉降均控制在1.1‰以內(nèi)。沉管管節(jié)總沉降及差異沉降控制效果良好，滿足由此產(chǎn)生剛度差異引起的上部結(jié)構(gòu)受力及變形要求。

5 討論

擠密砂樁與傳統(tǒng)的排水砂井不同，排水砂井直徑小、置換率低，主要作為豎向排水體加快土體固結(jié)；而擠密砂樁直徑大、置換率高，主要通過置換大部分原地基土體，即在土體中設置了豎向增強體，與原地基形成復合地基一起承受上部荷載，共同作用。

擠密砂樁用料主要為砂，環(huán)保無污染，特別適用于環(huán)保要求嚴格的工程項目。但高置換率擠密砂樁復合地基造價相對較高，施工過程中同時會產(chǎn)生較大的隆起物不易清除；同時，擠密砂樁樁體的摩擦角要低于碎石樁，因此在相同置換率情況下，擠密砂樁復合地基強度略低于碎石樁復合地基。

6 結(jié)論與建議

通過對擠密砂樁復合地基加固港珠澳大橋沉管隧道基礎(chǔ)的分析，得到以下主要結(jié)論與建議：

1）擠密砂樁工法適用于海相黏性土軟弱地基，通過高強度的密實樁體和樁間土形成擠密砂樁復合地基，達到提高地基承載力、促進排水效果、增大地基整體剛度、增加滑動阻力、減小沉降及側(cè)向變形的地基改良目的。

2）港珠澳大橋沉管隧道的擠密砂樁復合地基主要采用了置換率為40%～70%的高置換率擠密砂樁復合地基和擠密砂樁復合地基結(jié)合水下堆載預壓的地基處理方式，堆載施工期發(fā)生的最大沉降約53～72 mm，最終沉降速率約0.01 mm/d。

3）采用擠密砂樁復合地基的沉管隧道管節(jié)大部分總沉降控制在約8 cm以內(nèi)，差異沉降在0.11%以內(nèi)，沉管隧道管節(jié)總沉降及差異沉降控制效果良好，實現(xiàn)了沉管隧道與地基剛?cè)釁f(xié)調(diào)和沉降平穩(wěn)過渡至人工島。