挤密砂桩在斜坡式护岸抗液化处理中的应用

陈木灿，梁伟

0　引言

近年来国内外发生的强烈地震越来越频繁，由地震引起的地基塌陷，边坡滑移等震害现象十分普遍，其主要原因是地基存在砂土液化现象。水运工程中液化地基处理常用的方法有开挖换填、碎石桩、挤密砂桩等，而挤密砂桩具有施工作业区域广、自动化程度高、施工进度快、工程投资省、施工作业环保无污染等明显优势。

1　项目概况

海口某人工岛形成陆域面积约216 hm2，建设护岸总长6 102 m，护岸采用斜坡式抛石结构，结构安全等级为二级，设计高水位2.66 m，设计低水位0.48 m。工程建设区域下卧土层连续分布松散粉细砂层，标贯击数2～10击，厚度为7～13 m。该场地抗震设防烈度为8度，地震动峰值加速度为0.30g，设计地震分组为第1组，地震动反应谱特征周期为0.65 s。工程区域下卧土层连续分布松散粉细砂层为严重液化土层，厚度较大，为保证护岸结构的稳定安全，必须对地基进行抗液化地基处理。

2　设计方案

2.1　加固原理

针对砂土液化成因，挤密砂桩通过振动锤把套管打入到要求的深度，灌入中粗砂并向下挤压，使砂桩扩径，周围土体发生侧向挤压使其密度增大；同时通过桩管的反复振动作用，使周围土体颗粒重新排列组合进一步密实，从而增加土体有效应力，达到消除液化，提高土体的抗剪强度的目的[1-2]。

2.2　设计思路

地基处理的最终目的是确保护岸的整体稳定计算满足规范要求。

根据JTS 146—2012《水运工程抗震设计规范》[3]，地震作用下的岸坡稳定验算的抗力分项系数不应小于1.0。液化地基抗剪强度减弱甚至丧失，严重威胁岸坡的稳定安全，因此需要在护岸地基范围采用一定置换率的挤密砂桩，部分甚至全部消除液化。

挤密砂桩是一种复合地基处理方法。根据JTS 147-1—2010《港口工程地基规范》[4]，抗滑稳定性分析中复合土层的抗剪强度标准值计算式为：

式中：φsp为复合土层内摩擦角标准值；φp为桩体材料内摩擦角标准值；φs为桩间土内摩擦角标准值；m为面积置换率；csp为复合土层黏聚力标准值；cs为桩间土黏聚力标准值；n为桩土应力比。根据《水运工程抗震设计规范》，全部消除地基液化，挤密砂桩处理后桩间土不宜小于液化判别标准贯入锤击数临界值。地面下20 m深度范围内液化判别锤击数临界值按式（4）计算：

式中：Ncr为液化判别锤击数临界值；N0为液化判别标准贯入锤击数基准值；β为调整系数；ds为饱和土标准贯入点深度；dw为地下水位在地面以下深度，当地面位于水下时，取值0；Mc为黏粒含量百分率，砂土时取值3。

2.3　设计方案

护岸整体稳定通过试算，砂桩最低置换率为23%。砂桩处理深度范围至液化砂层底下0.5 m，横向范围至护岸坡脚。典型断面详见图1。

图1　护岸典型断面图Fig.1　Typical cross-section of revetment

砂桩材料采用中粗砂（φ≥32°），含泥量不宜大于3%，砂料中可混有少量粒径小于50 mm的碎石。

地震工况整体稳定计算，其计算水位分别采用设计高水位和设计低水位，土层抗剪指标采用固接快剪。挤密砂桩处理范围为复合地基，考虑全部消除液化，根据公式（1）～公式（3）计算得抗剪强度指标csp=0 kPa，φsp=26.7°；挤密砂桩外侧原状粉砂层严重液化，内摩擦角取值0；挤密砂桩内侧覆盖回填料，考虑建筑建成后标贯基数修正，发生液化后内摩擦角折减保守取值8.3°。

计算软件采用天津地基计算系统，计算方法采用简单条分法，地震工况整体稳定计算得抗力分项系数≥1.02。

2.4　液化判断

针对护岸地震工况，对护岸结构进行数值模拟分析，检验结构和地基的抗震稳定性。分析内容包括：1）采用非线性增量有限元方法进行有限元静力分析，计算地基处理前后护岸结构和地基在自重作用下的应力；2）根据地震动峰值加速度和规范反应谱，采用地震波人工生成技术，生成不同相位的地震波时程，考虑地基地震孔压模型，采用基于等效线性模型和广义Biot固结理论的有效应力有限元动力时程分析方法，计算在给定地震（加速度时程）作用下地基处理前后护岸结构和地基的地震应力、加速度、孔隙水压力等响应，为液化分析提供动应力；3）基于静力和动力有限元的分析结果，计算地基处理前后护岸地基土地震孔压比，分析地基的液化可能性；4）基于有效应力计算的孔压，采用圆弧滑动面拟静力法验算地基处理前后护岸结构在地震荷载作用下的整体稳定性[5]。

预计采用地基处理后标贯击数平均值不低于20击，暂考虑取值标贯击数20击进行数值模拟分析。

有限元动力反应分析显示：护岸断面顶部的水平加速度最大值在2.67～2.77 m/s2之间。由于地基孔隙水压力升高后，地基软化，加速度并没有产生明显放大作用，因此水位对护岸结构的地震反应影响不明显。

孔压分析显示：无加固措施时，震后地基超孔隙水压力最大值均位于陆域底部区域，超孔隙水压力最大值为90 kPa。采用加固措施后，加固区域超孔隙水压力明显降低，但基本不影响加固范围以外区域的超孔隙水压力分布。典型断面孔压分布详见图2、图3。

图2　护岸典型断面孔压分布（低水位，加固前）Fig.2　The pore pressure distribution of the typical revetment(low water level,pre-reinforcement)

孔压比表示地震超孔隙水压力与震前初始有效应力的比值，可以用于表示液化的程度，随着孔压比的增加，土体强度逐渐降低，当孔压比接近或达到1时，可以认为土体完全液化，此时土体将完全丧失强度。无加固措施时，护岸坡脚区域②1粉细砂（混淤泥）层与②2粉细砂层孔压比位于0.35～0.75之间，外海侧液化程度较大。采用加固措施后，由于加固区液化强度（标贯）提高，加固区孔压比明显降低。加固后坡脚加固区孔压比减小至0.05～0.35。挤密砂桩处理范围孔压比趋近0，即基本不液化。典型断面孔压比分布详见图4、图 5。

地震时土体超孔隙水压力增加，导致土体强度的弱化，将对护岸的稳定产生影响。有效应力法可直接计算出孔隙水压力和土体的有效应力，稳定计算时可以引入孔压计算结果。未采用加固措施时，地震工况整体稳定抗力分项系数分别为0.54（低水位）和0.53（高水位）；采用加固措施后，由于加固区孔压比明显降低，抗力分项系数分别提高至1.21（低水位）和1.07（高水位）。

数值模拟分析的结果表明：护岸结构地基采取23%置换率的挤密砂桩处理后，地震作用下护岸结构的液化危险性降低，整体稳定性满足要求，验证了设计方案的合理性。

2.5　工程投资比较

文中依托工程建设护岸较长，松散饱和砂土厚度较大，需要处理的液化地基工程量较大，地基处理的工程投资占护岸建设投资比例较大，因此采取何种地基处理方案成为控制工程总造价的关键因素。海口地区中粗砂单价远低于块石、碎石价格，因此挤密砂桩在工程造价上相比开挖换填块石、碎石桩方案具有绝对优势，经分析比较，挤密砂桩方案护岸工程造价12.1万元/m，开挖换填块石方案护岸工程造价17.3万元/m，碎石桩方案护岸工程造价20.2万元/m。

3　实施效果

3.1　检测要求

挤密砂桩地基处理后消除液化的标准即桩间土标准贯入击数不宜小于液化判别标准贯入锤击数临界值。由式（4）计算得各深度范围内需达到标贯击数见表1。需要锤击数平均值为24.2击，大于数值模拟分析的标贯击数取值20击。

表1　液化判别锤击数临界值计算结果Table1　The calculation results of standard penetration number critical value of the liquefaction discrimination

3.2　施工关键技术

挤密砂桩施工关键技术包括：振动锤激振力、桩套管内压力设置、桩套管提升速率等[6]。

专业砂桩船砂桩套管直径一般为0.8～1.0 m，处理淤泥软弱土，可形成最大桩径2.0 m，最大置换率可达到70%，施工效率较高，平均每天可打设砂桩1 100 m3[7]。

该项目采用“砂桩3号”，振动锤电机功率360 kW，砂桩套管直径1.0 m，在满足砂桩均匀性和连续性质量前提下，由于套管对原状砂土有振密作用，砂桩扩径、置换率以及施工效率都难以匹配至处理淤泥的砂桩参数。根据典型试验施工，在粉细砂层中可扩径至1.35 m，置换率宜控制在30%以内，平均每天可打设砂桩约900 m3。

根据稳定计算要求置换率，砂桩桩径1.35 m，采用正三角形布置，桩间距2.7 m。

砂桩施工采用GPS定位，通过高精度GPS实时定位仪器保证桩位偏差小于100 mm。套管下沉时向套管内加压，控制管内泥水面高度不超过2.0 m。套管贯入至-8 m时，开始加砂振动下沉，以保持套管内压力直至达到设计底标高。

打设砂桩时，提升套管1.9 m，排砂量等体积换算，回打0.9 m，使砂桩挤密扩径至1.35 m，形成1.0 m的实际砂桩高度，如此循环直至整根砂桩完成。砂桩供砂效率不低于0.72 m3/min，成桩速率不大于0.5 m/min。成桩后体积换算得砂桩充盈系数1.33。

3.3　检测结果

砂桩施工完成后，通过桩间土标贯击数检测，其结果均大于液化判别锤击数临界值，即挤密砂桩处理范围地基全部消除液化。典型检测结果详见表2。

表2　典型施工桩间土标贯击数检测结果Table2　Thetest resultsof thestandard penetration number in thesoil between pilesof the typical construction

4　结语

1）挤密砂桩首次在华南地区水工工程液化地基中应用，处理效果良好，对推进水运工程建设具有深远意义。

2）数值模拟分析和工程实施效果验证，采用合理的砂桩置换率和严格的施工技术要求，挤密砂桩对液化地基处理效果可靠。

3）抗液化处理挤密砂桩技术要求与常规淤泥质软弱土处理的挤密砂桩技术在扩径、置换率以及施工效率上相差甚远，大面积施工前可根据施工试验取得施工参数。

参考文献：

[1] 龚晓南.地基处理手册[M].2版.北京：中国建筑工业出版社，2000.GONGXiao-nan.Foundation treatment manual[M].2 ed.Beijing:China Architecture&Building Press,2000.

[2] 张曦，吴心怡，尹海卿.水下挤密砂桩加固机理及沉降计算方法[J].中国港湾建设，2010（S1）：148-150.ZHANG Xi,WU Xin-yi,YIN Hai-qing.Reinforcing mechanism and settlement calculation method of sand compaction pile under thewater[J].China Harbour Engineering,2010(S1):148-150.

[3]JTS146—2012，水运工程抗震设计规范[S].JTS146-2012,Code for seismic design of water transport engineering[S].

[4]JTS147-1—2010，港口工程地基规范[S].JTS147-1—2010,Codefor soil foundationsof port engineering[S].

[5]大连理工大学.海口湾南海明珠人工岛二期工程护岸结构抗震数学模型计算分析[R].大连：大连理工大学工程抗震研究所，2013.Dalian University of Technology.The calculation and analysis of the seismic mathematical model for the revetment structure of the second phaseof theartificial island inthesouth Chinaseaof Haikou bay[R].Dalian:The Seismic Research Instituteof Dalian University of Technology,2013.

[6] 朱胜利，喻志发，李立新，等.水下挤密砂桩施工技术与加固地基特性分析[J].中国港湾建设，2015（10）：13-17.ZHUSheng-li,YUZhi-fa,LILi-xin,et al.Underwater sand compaction piles construction technology and reinforcing foundation characteristic analysis[J].China Harbour Engineering,2015(10):13-17.

[7] 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遂工程的应用[J].中国港湾建设，2012（8）：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（8）:72-77.