外海挤密砂桩复合地基水下堆载预压加固效果监测及分析

张怡戈，王娟

（中交一航局第一工程有限公司，天津 300456）

外海挤密砂桩复合地基水下堆载预压加固效果监测及分析

张怡戈，王娟*

（中交一航局第一工程有限公司，天津 300456）

港珠澳大桥西人工岛岛外过渡段E1-S3～E4-S3淤泥深厚，采用挤密砂桩+堆载预压处理，利用挤密砂桩作为排水通道。为确保该段基础处理结果达到设计要求的固结度，需在堆载期进行沉降监测，得到加载期间的固结沉降及残余沉降。根据工程特点，在过渡段堆载预压区内，通过复合地基表层沉降监测了解地基加固过程的总沉降量，分析复合地基的最终沉降量和残余沉降，推算平均固结度，确定卸载时间，并评价地基的加固效果。

挤密砂桩；复合地基；堆载预压；沉降监测

1 工程概况

港珠澳大桥跨越珠江口伶仃洋海域，是连接香港、珠海及澳门的大型跨海通道。大桥全长约35.0 km，采用桥隧组合方案，桥隧通过东、西人工岛衔接。

隧道沉管段是港珠澳大桥岛隧工程的重点和难点，而沉管段的基础处理结果直接影响隧道沉管的施工质量。挤密砂桩施工根据地质条件不同设为不同置换率，其中E4-S4～E6沉管管节下卧淤泥较薄，采用高置换率挤密砂桩处理软土层并清除隆淤，无需堆载预压即可满足要求。E1-S3～E4-S3淤泥深厚，采用挤密砂桩+堆载预压处理，利用挤密砂桩作为排水通道。根据不同桩径的挤密砂桩分为A1、A2、A3、A4、A5共5个区域（见图1）。E1-S5～E4-S4（部分）管节两侧范围内布设排水砂井，共分为B1、B2两个区域。E1-S3～E4-S3挤密砂桩桩顶标高为-16.4～-22.7 m，桩底标高为-34.4～-37.0m，堆载顶标高为-2.5～-13.0m[1]。

本文主要研究对象为沉管隧道西岛过渡段地基处理，具体为E1-S3～E5管节、E6管节（部分）对应的隧道基础。为了保证施工质量，确定固结沉降及后期残余沉降，对西人工岛附近的E1、E2和E3管节所在区段的A1、A2、A3区进行堆载期监测，见图1。堆载预压采用5～80 mm碎石，两侧回填防台或防冲刷的规格块石并在局部区域安装防台用实心块体混凝土。

图1 过渡段地基处理分区图Fig.1 Foundation treatmentpartitionsof transition period

2 水下监测施工方案

2.1 监测方案

监测区域属开敞海域，天气复杂多变，灾害性天气频发，多种施工船舶交叉作业，工期要求严格，自然环境和人为因素给堆载预压监测提出了一系列的技术难题。

为了达到设计要求的加固效果，保证隧道过渡段地基在堆载过程的安全稳定，必须建立完整有效的监测体系。

主要监测项目包括：表层液体压差式沉降观测和分层多点位移计观测。表层沉降观测采用液体压差式沉降仪进行监测，通过对复合地基地表沉降的监测，了解复合地基加固过程的平均沉降量，分析地基的最终沉降量和残余沉降，推算地基的平均固结度。分层多点位移观测采用分层多点位移计进行观测，通过测定加固土层下部的压缩变形量及压缩过程，掌握土体在荷载作用下产生的影响，分析检验土体变形，控制工程质量，验证设计计算的土层压缩量[2-4]。

西岛过渡段堆载预压期间，共布置了14组表层沉降、6组分层沉降。表层沉降观测点及分层多点位移观测点布置详见图2。

图2 沉降观测点布置图Fig.2 Observation point layout of settlem ent

2.2 数据采集及传输

本次地基处理监测共有6个监测断面，最远断面离西人工岛距离约356 m，因此监测数据的采集可采用长导线沿隧道轴向引至西人工岛钢圆筒后进行陆上自动采集并进行无线传输，这一方法技术成熟，避免了自动采集和数据发送设备的水下密封处理环节。数据采集及发送设备便于维护保养，极大地降低了整个系统的风险，保证了数据的连续性，并节约成本。针对港珠澳大桥处于外海的工程特点，GPRS网络信号较弱，因此采用了一套CDMA和Internet网络实现数据的无线传输。

2.3 监测频率

加载期间监测频率为1～2次/d，特殊情况时进行加密观测或连续观测，满载后1次/d，直至卸载完成后1周结束。

2.4 卸载标准

堆载预压满载期结束后，根据实测地表沉降与时间关系曲线推算地基固结度不低于90%方能卸载。

3 地基沉降分析

3.1 堆载过程

-9.0 m平台以东区域（主要是A3区）的碎石抛填从2012年4月27日开始，到5月18日基本达到堆载高度要求，6月16日通过验收，并开始满载计时，截止到9月12日该区域从开始堆载累计138 d，满载计时88 d。-9.0 m平台以西区域从2012年5月27日开始堆载，到2012年6月12日基本达到堆载高度要求，2012年7月17日通过验收并开始满载计时，截止到9月12日该区域从开始堆载累计108 d，满载计时57 d。各个测点在不同时间的堆载高度见表1。

3.2 表层沉降分析

3.2.1 表层沉降监测

表层监测点共12个（A1、A3、B、D1、D2、D3、E1、E2、E3、F1、F2和F3），表层沉降数据为2.9～7.2 cm，沉降速率较低，为0.02～0.17 mm/d。

对于最终沉降及固结度的推算，采用双曲线法及Asaoka法两种方法分别计算，并分别求出固结度及残余沉降，两种方法相互校核[5]。

采用双曲线法处理表层沉降数据，其具体结果见表2。Asaoka法分析的表层沉降量及固结度汇总见表3。

3.2.2 表层沉降分析结论

最终沉降量、残余沉降和固结度均是在目前的预压荷载作用下根据实测沉降曲线按两种方法进行计算的，由上述计算分析结果可知：

1）由于实测沉降量较小，测量数据受外界复杂环境干扰相对较大，两种方法中双曲线法推算的固结度较低，最终沉降较大，为保守起见以双曲线计算结果作为评估标准。

表2双曲线法分析的固结度汇总表Table 2 Summary of degree of consolidation analyzed by hyperbolam ethod

表3 Asaoka法分析的固结度汇总表Tab le3 Summary ofdegreeof consolidation analyzed by Asaokamethod

2）两种方法推算出的固结度平均值均大于90%，有个别沉降观测点推测的固结度偏低，但是因为实测沉降量本身较小，所以残余沉降也较小。

3）E断面与F断面堆载区外侧的边界条件不同（E断面外侧为排水砂井，F断面为挤密砂桩），因而两断面的沉降变化趋势并不完全相同。

4）两种方法推算的平均残余沉降双曲线法为5.8 mm，Asaoka法为2.4 mm，预压荷载下残余沉降量值较小。由于施工期为超载预压，超载比为1.3，故使用期荷载作用下主固结沉降已完成。

3.3 分层沉降分析

3.3.1 分层沉降监测

共设有6组分层沉降点分别为A11～A16、D11～D16、E11～E16、E21～E26、E31～E36和F11～F16，每组分层沉降共布设6个分层沉降磁环，磁环穿透了挤密砂桩复合地基并进入密实砂层。各磁环沉降随时间变化曲线规律与表层沉降变化规律相同。

3.3.2 分层沉降分析及结论

根据预压期间实测的6个分层沉降数据，挤密砂桩复合地基部分土层压缩量在1.3～2.3 mm/m之间，说明由挤密砂桩复合地基处理的淤泥及淤泥质土层得到明显改善。

4 结语

1）根据表层沉降观测资料：挤密砂桩置换率为70%的A1区各表层测点发生的沉降在33.9～42.2 mm之间，平均沉降量为38.5 mm，平均固结度为93.7%，平均残余沉降为2.6 mm；置换率为55%的A2区各表层测点发生的沉降在29.4～49.8 mm之间，平均沉降量为40.3 mm，平均固结度为83.4%，平均残余沉降为8 mm；置换率为42%的A3区西各表层测点发生的沉降在45.8～71.4 mm之间，平均沉降量为61.7 mm，平均固结度为92.9%，平均残余沉降为4.7mm；A3区东各表层测点发生的沉降在62.1～64.9 mm之间，平均沉降量为63.1 mm，平均固结度为82.3%，平均残余沉降为13.6mm。

2）根据分层沉降观测资料，主要处理土层的压缩量较小，地基承载力及地基刚度得到极大的改善。

综合以上监测资料分析，沉管过渡段堆载预压处理地基在当前荷载下已完成大部分固结沉降，固结度达到90%以上，推算的当前预压荷载下的残余沉降满足设计要求，并且通过实际工程验证效果良好。

[1]林鸣，梁桁，刘晓东，等.海上挤密砂桩工法及其在港珠澳大桥岛隧工程的应用[J].中国港湾建设，2012（4）：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(4):72-77.

[2]丁传松.堆载预压法处理砂土地基的试验研究[J].岩土工程界，2008（11）：53-55. DINGChuan-song.Experimentalstudy on soil foundation by stack preloadingmethod[J].Geotechnical EngineeringWorld,2008(11): 53-55.

[3]刘汉龙，扈胜霞，AliHassan.真空-堆载预压作用下软土蠕变特性试验研究[J].岩土力学，2008（1）：6-12. LIU Han-long,HU Sheng-xia,HASSAN Ali.Test study on creep characteristics of soft clayey soils under consolidation by vacuumsurcharge combined preloadingmethod[J].Rock and SoilMechanics,2008(1)：6-12.

[4]吴桂芬.真空—堆载联合预压加固软基效果的试验研究[D].南京：河海大学，2005. WU Gui-fen.Experimental study on the improving effect of soft foundation through vacuum combined with surcharge preloading [D].Nanjing:HohaiUniversity,2005.

[5]吕清泉.砂桩加固软弱地基效应分析[D].成都：西南交通大学，2007. LYUQing-quan.The analysis of sand piles reinforcing effect to the soft foundation[D].Chengdu:Southwest Jiaotong University,2007.

M onitoring and analysis of reinforcement effect of stack preloading for sand compaction pile com posite foundation in open sea

ZHANGYi-ge,WANG Juan*
（No.1Eng.Co.,Ltd.ofCCCCFirstHarborEngineeringCo.,Ltd.,Tianjin 300456,China）

The transition sections from E1-S3 to E4-S3 of the west island of the Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge are deep mud,itused sand compaction piles and stack preloading as treatments,in which,sand compaction pileswas used as a drainage channel.In order to ensure the foundation treatment results meeting the design requirements of degree of consolidation, settlementmonitoring need to do in the loading period,such to obtain the consolidation settlement and residual settlement during loading.Based on the engineering characteristics,in the stack preloading area of transition section,the total settlement during foundation reinforcement process would be known through the surface settlementmonitoring of composite foundation, then we analyzed the final settlement and residual settlement of composite foundation,and calculated the average degree of consolidation,determined the unloading time,and evaluated the strengtheningeffectof foundation.

sand compaction pile;composite foundation;stack preloading;settlementmonitoring

U655.544

A

2095-7874（2015）11-0020-05

10.7640/zggw js201511006

2015-10-12

2015-10-29

张怡戈（1979— ），男，云南南涧人，工程硕士，高级工程

师，副经理，建筑与土木工程专业。

*通讯作者：王娟，E-mail：wangjuan880726@163.com