挤密砂桩单桩承载性能分析

朱俊易，张　曦，吴心怡，马险峰

（1.中交上海港湾工程设计研究院有限公司，上海200032；2.同济大学，上海200092）

挤密砂桩单桩承载性能分析

朱俊易1，张曦1，吴心怡1，马险峰2

（1.中交上海港湾工程设计研究院有限公司，上海200032；2.同济大学，上海200092）

通过离心模型试验来代替现场原位试验对砂桩的单桩承载力进行了模拟，试验考虑了不同土质和地表荷载的存在对挤密砂桩单桩承载力的影响。试验结果表明，地基土为黏性土的单桩承载力比淤泥土的单桩承载力大；土体表面有荷载时的单桩承载力比无荷载的承载力大。利用相关承载力计算公式对挤密砂桩的单桩承载力进行计算分析，结果表明Brauns计算法和被动土压力法的修正公式与离心试验结果最接近，并以上海洋山深水港区挤密砂桩复合地基为例对公式进行初步验证。研究结果为水下挤密砂桩的单桩极限承载力计算提供参考。

挤密砂桩；离心试验；单桩承载力；修正公式

0　引言

随着我国经济的高速发展，地基加固成为外海筑港建设中重要的施工技术。水下挤密砂桩是近年发展起来的海上地基加固新技术，它是在专用的砂桩船上通过振动沉管设备和管腔加压装置把砂强制压入水下软弱地基中，经过振动拔管、回打、挤密扩径，形成挤密砂桩。通过挤密砂桩的置换、挤密、排水等作用[1]，可增加地基强度和刚度，加快地基固结，减少结构物沉降，提高地基的抗液化能力。挤密砂桩的适用范围广泛，可应用于对砂性土、黏性土、有机质土等几乎所有土质的地基加固处理。

挤密砂桩为散体材料桩，其破坏形式主要为鼓胀破坏[2]，因此，其单桩承载力与桩体本身的性质和周围土体的情况有关。当前国内工程界对水下挤密砂桩承载力的理论分析稍落后于工程实践，影响了水下挤密砂桩这一置换形式在海港码头地基加固中的推广运用。为此，本文通过离心模型试验来代替现场原位试验对砂桩的单桩承载力进行了模拟，并利用相关承载力计算公式对砂桩的单桩承载力进行计算分析，并以上海洋山深水港区挤密砂桩复合地基为例对建议公式进行初步验证，旨在为水下挤密砂桩的单桩极限承载力计算提供参考。

1　单桩承载力计算方法

挤密砂桩在荷载作用下，桩身容易发生鼓胀，桩周土由弹性状态进入塑性状态。砂桩极限承载力可以由桩间土侧向极限应力得出，其一般表达式为[3]：

式中：Kp为桩身材料被动土压力系数；σru为桩间土提供的极限侧向应力。

散体材料桩桩间土所能提供的侧向极限承载力σru计算方法主要有：Brauns计算法、Hughes-Withers计算法、Wong H.Y.计算法、被动土压力法以及圆筒形孔扩张理论计算法等[2-5]，各自表达式见表1。

表1　单桩承载力常用计算方法Table1 Common calculationmethods for bearing capacity of single pile

表1中各参数的意义如下：φp为桩身材料内摩擦角；cu为桩间土不排水抗剪强度；δ为土体滑动面与水平面夹角；σs为土体表面荷载；p0′为初始有效应力；u0为超孔隙水压力；Kps为桩间土的被动土压力系数；γ为桩间土的重度（地下水位下取浮重度）；Z为桩的鼓胀深度；q为土体中初始应力；Ir为土的刚度指标（Ir=G/cu，其中G为土的剪切模量）；cps为桩间土的内聚力；φps为桩间土的内摩擦角；Irr为修正刚度指标。

周围土体的性质是影响砂桩发生鼓胀破坏的主要因素之一，为了探讨其对挤密砂桩的影响，并对比分析上述各公式在不同土质下对挤密砂桩的适用性，本文开展了相关离心模型试验。

2　离心试验

试验在同济大学岩土工程实验室TLJ-150型土工离心机上完成。文中主要考虑两种工况：1）桩周土体条件相同时，地表荷载对单桩承载力的影响；2）不同土质（黏土和淤泥土）对单桩承载力的影响，以分别研究地表荷载和不同土体对单桩承载力的影响。试验工况具体见表2。试验模型率均为1∶50。

表2　砂桩单桩承载力试验工况表Table2 Centrifugemodel testson sand compaction pile under free single pile

本次试验用到2种土，淤泥质土和粉质黏土，具体参数见表3。试验所用土体为重塑土，采用分层固结法制备土样。砂桩的制备模拟工程实际情况，采用活塞在套筒内分段打桩，实现扩径和挤密效果。

表3　土体物理力学参数Table 3 Physicaland mechanical propertiesof foundation soils

试验测得施加在砂桩上的力和砂桩桩顶的沉降量，结果如下：

1）桩周土表面荷载对单桩承载力的影响

工况1中，土体表面有边载条件且边载较小（约7.5 kPa），试验得到单桩的荷载-位移曲线如图1。由图知，其极限承载力约为175 kPa（曲线在该处发生陡降）。

图1　工况1有边载条件下单桩荷载-位移曲线Fig.1 Load-displacement curveof single sand compaction p ilew ith surface loading

同样工况1中，黏土体表面无边载条件下，由图2得到单桩的极限承载力比有边载条件下的单桩略小，约为160 kPa。

2）不同土体对单桩承载力的影响

工况2中，淤泥土条件下单桩极限承载力比同样黏土条件下小，约为130 kPa（见图2）。

图2　不同工况下的单桩荷载-位移曲线Fig.2 Load-disp lacement curve of single sand com paction pileunder different conditions

3　单桩承载力计算

3.1单桩承载力常用方法计算

运用表1中的被动土压力法和圆筒形孔扩张理论计算法对单桩承载力进行计算时，需判断砂桩的鼓胀深度。方永凯、郑培成[6]假设碎石桩在极限荷载作用下，桩周土被动破坏，荷载影响深度为2倍的桩径；同时，黄小军[7]对土体初始应力的取值进行了深入研究，认为散体材料桩受荷破坏时的破坏深度一般为2～3倍的桩径。鉴于此，本文计算时对砂桩的鼓胀深度取2倍桩径（试验砂桩桩径为1.2m）。打设砂桩的密实度为中密，根据经验砂桩内摩擦角取32。，土体计算参数取值见表3，得到单桩承载力计算结果见表4。

表4　所有工况下各计算方法单桩承载力结果汇总表Table 4 Summ ary of resultsby different calculationmethods for bearing capacity of single pile under various conditions kPa

由表4中数据可以看出，除了Wong H.Y.法外，其它方法的理论计算结果均比试验结果偏大，且所有理论计算结果均与试验结果相差较大，其原因主要是由于：Brauns计算法未考虑桩、土自重，由破坏棱体的力系平衡推导出桩的极限承载力；Hughes-Withers方法是结合原型观测分析所获得的半经验公式，未考虑荷载对桩间土的影响，且一般情况下桩的极限侧向应力皆取6倍桩间土不排水抗剪强度，与实际情况不符；Wongs方法与Brauns计算法一样，没有考虑桩、土自重的作用；被动土压力法考虑了土的自重影响，但是以最大土重侧应力值（鼓胀最深处）作为土自重的平衡侧压力，取值偏保守；圆筒形孔扩张理论计算法建立的基础是假设桩周土体破坏形式为全桩深度的均匀鼓胀，该假设前提与散体材料桩仅上端鼓胀破坏的形态是有所不同的。

3.2修正公式

上述计算理论都不同程度地存在一些不足，与工程实际情况并不完全相同，如果直接采用上述各理论公式计算，其结果肯定会有较大误差，在此情况下，要想得到相对准确的极限承载力，就需对其公式进行必要的修正。修正公式可以采用下列简单形式：式中：Kp为桩身材料被动土压力系数；σru为桩间土提供的极限侧向应力，可分别由前述5种方法计算得到；k为修正系数。

由表4中数据可得各工况下的修正系数k值，见表5。由表5可以看出，Wong H.Y.法的修正系数均大于1，其它方法的修正系数均小于1，且主要介于0.38～0.8之间。在所有工况条件下，相比较而言，Brauns计算法和被动土压力法的计算结果与实测数据最为接近，且其修正系数变化不大（介于0.67～0.82），建议采用Brauns计算法或被动土压力法的修正公式对不同工况下的挤密砂桩单桩承载力进行计算。

表5　各工况下的修正系数k值Table 5 Correction coefficients k under d ifferent conditions

3.3上海洋山深水港工程初步验证

上海洋山深水港人工岛在施工时是采用了挤密砂桩地基处理方式[8]。计算选取的土层参数如表6所示。

表6　土层物理力学指标Table6 Physical-mechanicalpropertiesofsoils

现场试验中，砂桩的置换率m=0.6（高置换率），砂桩内摩擦角取40。，单桩直径d=1.85 m，鼓胀破坏深度取z=2d=3.9 m，桩周土体表面荷载σs=124 kPa。按照表6中参数，利用公式（2），采用建议的Brauns计算法和被动土压力法的修正公式计算得到的结果列于表7。挤密砂桩复合地基承载力的计算方法用公式（3）表示：

表7　不同方法得到的计算值Table 7 Calculated resultsby differen t calculation methods

fspk=mppf+（1-m）pps（3）

式中：fspk为复合地基极限承载力，kPa；m为面积置换率；pps为桩间土极限承载力，kPa；ppf为桩体极限承载力，kPa。

现场载荷试验得到的复合地基承载力极限值不低于559 kPa，由表7中桩体极限承载力换算得到的复合地基承载力计算结果（见表8）与现场试验结果基本相符，建议的修正公式可应用于实际工程的计算。

表8　不同方法得到的挤密砂桩复合地基承载力Table8 Bearing capacity of com posite foundationw ith sand com paction pilesachieved by using different calculationmethods

4　结语

本文通过离心模型试验来代替现场原位试验对砂桩的单桩承载力进行了模拟，离心试验结果表明，周围土体较差时，单桩承载力较低，表面荷载的存在有利于砂桩单桩承载力的增大。通过对砂桩的单桩承载力的计算得出，传统的单桩承载力计算结果与离心试验结果差别较大，由此提出了计算修正公式，并建议运用Brauns计算法和被动土压力法修正公式来计算挤密砂桩的单桩承载力。以上海洋山深水港区挤密砂桩复合地基为例对公式进行了初步验证，结果表明建议的方法可用于挤密砂桩承载力的计算。

需要说明的是，由离心试验得到的修正系数是一个小于1的值，介于0.67～0.82之间，这恰与洋山港的典型工程实例相吻合，但该分布范围仅供参考，是否符合实际工况尚待更多工程进行验证，然后可作进一步的修正。

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Analysis on bearing capacity performance of sand com paction pile under free single pile

ZHU Jun-yi1,ZHANGXi1,WUXin-yi1,MA Xian-feng2
（1.CCCCShanghaiHarbor Engineering Design&Research Institute Company,Shanghai200032,China; 2.TongJiUniversity,Shanghai200092,China）

The centrifugemodel tests on sand compaction pile under free single pile are performed to examine the ultimate bearing capacity.The tests consider two different conditions.The results of tests show the bearing capacity of sand pile in cohesive soil is larger than that in silt soil.The bearing capacity of sand pile with surface loading is larger than thatwithout surface loading.And then the centrifugalmodel tests results are used to verify the rationality of the formula for calculating the bearing capacity.On the basis of the calculated results a modified model was proposed.The results show that the Brauns modified model and passive earth pressuremodified model have small difference with other formula.At the same time,this paper takes Yangshan Portarea in Shanghaiasan example to verify themodifiedmodel.The research result provides reference for the calculation of the extreme bearing capacity ofa single underwater sand compaction.

sand compaction pile;centrifugemodel tests;bearing capacity of single pile;modifiedmodel

U652.7；TU473.1

A

2095-7874（2016）06-0007-04

10.7640/zggw js201606002

2016-02-05

2016-03-23

国家支撑计划课题项目港珠澳大桥跨海集群工程建设关键技术研究与示范（2011BAG07B00）之课题二外海厚软基桥隧转换人工岛设计与施工关键技术（2011BAG07B02）

朱俊易（1984—），男，山东青岛市人，博士，工程师，主要从事岩土工程方面的设计与研究工作。E-mail：flourist@126.com