水上沉管碎石桩加固淤泥地基的设计与施工参数研究
刘家才
本文分析了沉管碎石桩在加固不排水强度小于30kPa的淤泥地基时设计和施工中所存在的问题，结合工程实践，通过试桩，得到了适合该条件下的关键施工参数，通过对原型观测数据的反分析，得到了沉管碎石桩复合地基设计的关键参数。
1 引言
近年来，随着我国港口建设的快速发展，遇到了越来越多的软土地基问题。碎石桩作为一种应用历史较长的地基加固技术，应用于新的施工环境和地质条件尚存在以下亟待解决的问题：
（1）碎石桩的适用范围。《港口工程碎石桩复合地基设计与施工规程》（JTJ 246—2004）规定，对不排水抗剪强度小于30kPa的饱和黏性土地基，应通过现场试验确定其实用性，如何在不满足该条件的软基中合理应用碎石桩是港口工程师必须面对的问题。
（2）在强度较低的淤泥中，为保证桩身的连续性和密实度所应该采用的施工工艺及参数。
（3）碎石桩技术目前采用复合地基理论进行设计和计算，但是，某些关键性的设计参数只能凭经验选定，盲目选择的设计参数必将为工程带来风险或造成浪费。
针对上述问题，本文结合“温州港状元岙港区围垦工程”，对水上沉管碎石桩加固淤泥进行了深入的研究，取得了有价值的工艺和设计参数，对同类工程设计具有参考和指导意义。
2 工程概况
温州港状元岙港区围垦工程位于浙江省洞头县状元岙岛北侧元觉乡，通过围海造地为港区提供陆域资源。围堤总长约2000m，包括北围堤和西侧堤，根据工程建设安排，先形成潜堤促淤，经过一段时间后再行加高，北潜堤长约1350m，西潜堤长约650m。
2.1 地形
北潜堤轴线位置泥面标高约-6～-10m，西高东低，由轴线向北（海）侧逐渐加深，堤脚处泥面标高约-8～-11m。西潜堤轴线位置泥面标高约-6～-2m，南高北低，东西方向较为平缓。
2.2 地质条件
场地40m以浅的地基土均由淤泥质土组成，自上而下分别为：
1-1淤泥，黄灰色、灰色，流塑状，高压缩性，高灵敏度。夹少量粉细砂和贝壳碎屑，表部0.30～0.60m为新近沉积的流泥或浮泥。
1-2淤泥，灰色、青灰色，流塑状，高压缩性，含少量贝壳碎屑、粉细砂。
1-3淤泥，灰色、青灰色，流塑状，高压缩性，含少量贝壳碎屑、粉细砂。局部含少量腐殖质。
1-4淤泥质黏土，灰色，软塑状，高压缩性，含少量半炭化物和贝壳碎屑，偶夹粉细砂。仅西侧海堤有分布。
各主要土层的物理力学指标参见表1、表2。
表1 主要土层的物理指标
表2 主要土层的力学指标
2.3 堤身结构
围堤采用抛石斜坡堤结构。围堤施工拟分期实施，初期施工至0.2m形成促淤潜堤，待促淤完成再加高、加宽围堤，形成最终围堤断面，最终断面的堤顶高程为6.30m，挡浪墙高程7.70m。
潜堤的海侧平台采用300～500kg块石填筑，堤心石采用10～100kg块石填筑；护底块石100～150kg，并在其底部铺设一层软体排；护面结构采用600～800kg抛理块石，厚1.5m。
潜堤地基采用沉管法碎石桩加固。考虑潜堤施工后堤身加高时无法对地基进行二次处理，故地基处理设计按最终断面进行。置换率15%～20%，桩径1m，间距1.98～2.28m，正方形布置。按整体稳定计算确定的桩底标高约-35m，桩长约24～33m。砂垫层设计厚度为1.5m，分两阶段施工：碎石桩施工前先冲灌2层共1.0m厚，碎石桩成桩后再冲灌1层厚0.5m压顶，同时两侧各延伸2m压脚。典型断面见图1。
图1 围堤典型断面图（高程单位：m；尺寸单位：mm）
由上述情况可知，本工程上部土层由极软的淤泥组成，20m以浅的淤泥不排水剪强度均小于30kPa，须通过现场试验检验碎石桩的适用性。
3 碎石桩典型试验
为了检验碎石桩在高含水量、低强度淤泥地基中的适用性，探索水上施工环境和软基条件下沉管法碎石桩的工艺参数，以及获取淤泥地基中碎石桩的连续性和密实度等指标，在拟加固范围附近，选取地质条件相同的位置进行了典型试验。
3.1 试桩布置
典型试验位置选在北潜堤中间位置、轴线外侧40～55m范围，紧邻正式加固区。成桩试验区面积为150m2，共布置40根试验桩，置换率为20%，桩径1m，根据设备套管间距，桩形布置为梅花形（等腰三角形），间距为2.1m×1.87m（底×高）。桩底标高-31m，桩长约25m。具体详见图2。
3.2 试桩工艺
试桩采用三管法碎石桩施工船。施工船架高52m，船体外型尺寸70.15m×19.52m×4.27m，采用DZJ240型振动锤，振动锤参数详见表3。
表3 振动锤的主要技术参数
碎石桩试桩的流程见图3。
图2 碎石桩试桩平面布置图
图3 碎石桩施工流程
试桩采用逐步拔管工艺。主要工艺参数：沉管的提升速度约2.0m/min左右，每次提升高度为1.0～2.0m，留振时间为30～60s。灌碎石工程量根据充盈系数计算确定，试验桩分5组，每组8根试验桩，分别按充盈系数为1.15、1.18、1.20、1.22、1.25进行施工，通过试桩检测确定最终的碎石桩施工充盈系数，并作为后续碎石桩施工的参数。在拔管过程中连续观测套管内碎石面标高，若发现低于泥面标高，必须补填碎石。
3.3 桩身质量检测
选取5根试桩，通过重型圆锥动力触探（N63.5）试验，检测了碎石桩桩身连续性、密实度。结果如表4所示。
表4 试桩动力触探（N63.5）沿桩身的均值及分段统计数据 单位：击
续表
通过试桩，得到以下结论和施工参数：
（1）沉管法碎石桩加固不排水强度小于30kPa的淤泥是可行的。采用逐步拔管工艺，桩身密实度可达到较密实状态，但上部10m范围密实性普遍较下部差，是由于上部10m地基土过于软弱，对碎石桩体约束较差的缘故。
（2）下部5m充盈系数约1.1、中部10m充盈系数约1.2、上部10m充盈系数约1.3～1.5，按整个桩长计约1.28。
（3）套管的提升速率平均约1.7m/min，上部10m提升速度适当放慢。
（4）套管上拔时即开动振动器，并在上拔过程中一直保持开启状态，有利于桩身密实和连续。电动机的工作电流控制在200～300A。
（5）为保证碎石桩的连续性，必须在套管上拔过程中不断观测套管内碎石面的下沉高度，并和套管提升高度相比较，并据此控制套管提升幅度和速度。
4 原型观测
4.1 观测点布置
在碎石桩地基中布设了沉降、水平位移、孔隙水压力等观测点，可利用观测数据分析桩间土的排水固结规律和反算桩土应力比。
观测点的布置方式见图4。
4.2 观测数据
（1）沉降。堤身回填至0.2m时，11个断面的表层沉降见表5。
图4 观测点布置示意图（单位：m）
表5 表层沉降观测汇总表
（2）超孔隙水压力。5个断面的超孔隙水变化观测曲线见图5。
图5（一）超孔隙水压力观测曲线
图5（二）超孔隙水压力观测曲线
KY2、KY3、KY4的超孔隙水压力在加载过程中最大观测值均不超过20kPa，远小于基底压力约85～100kPa的水平，KY5、KY6的超孔隙水压力在加载过程中最大观测值约25～38kPa，相对接近基底压力约60～70kPa的水平，尤其是KY6观测点，最大基底压力为60kPa，对应的超孔隙水压力为38kPa，相当于基底压力的63%。经分析认为，在满堂密布的碎石桩地基中，水上埋设孔隙水压力计，定位较为困难，KY2、KY3、KY4的测头可能与碎石桩距离较近，因而孔隙水压力消散较快，而KY5、KY6的测头可能与碎石桩距离较远，因而孔隙水压力消散较慢。
在每组孔隙水压力曲线中，在相同时刻，均出现了位于上部的孔隙水压力较小，位于下部的孔隙水压力较大的现象。产生这种现象的原因有两点：①孔隙水压力计均埋设在堤身轴线处，本工程堤身较宽，附加应力沿深度衰减较慢，可近似认为沿深度方向变化不大；②本工程地基土均为黏性土，竖向排水能力差，上部土的排水距离较短，所以固结速度较下部土快。
（3）深层水平位移。
堤身抛填过程中，典型的土体水平位移沿深度的分布见图6所示。
图6 深层水平位移
由图6可知，最大水平位移基本发生在-20～24m之间，与地质资料对比，即1-2淤泥层底部。位移值在40mm以内，加载初期位移较小，后期位移速率较大。
4.3 对关键设计参数反分析
通过沉降和超孔隙水压力可以对桩土应力比、桩间土的固结特性进行反分析。
（1）桩土应力比。在碎石桩复合地基中，由于桩、土变形模量相差较大，因基底压力产生的附加应力向碎石桩集中，相应的，桩间土的附加应力降低，沉降减小，据此可以根据实测沉降反算桩土应力比。
计算中，各土层的孔隙比-压力关系曲线根据地质资料选用，根据孔隙水压力观测结果，沉降计算时固结度按90%计。
经计算，桩土应力比为3.5～4.3。
（2）桩间土的排水固结。碎石桩复合地基的固结分析可采用砂井固结理论。分级加荷条件下，砂井地基在t时刻的平均固结度Urz可按下式计算：
式中 Urz——分级加荷条件下，砂井地基对应于总荷载在t时刻的平均总应力固结度；
m——加荷级数；
——瞬时加荷条件下，对应于第i级荷载t时刻的平均应力固结度；
、
——第i级荷载加荷的起、止时间；
Pi——第i级荷载；
Cv、Ch——土的垂直和水平固结系数；
H——不排水面至排水面的竖向距离；
n——井径比，为竖向排水体的等效圆柱体直径和竖向排水体直径之比，即n=de/dw。
由于碎石桩施工对桩间土扰动较大，且桩身质量控制难度较大，在分析中应考虑涂抹作用和井阻作用。对涂抹效应，Barksdale和Bachus（1983）建议将桩径乘以1/2～1/15来处理，即
式中 D——竖向排水体的桩径；
β——考虑涂抹作用和井阻作用的桩径折减系数。
该建议值范围较大，需结合具体工程特点确定。
在碎石桩复合地基中，还应考虑应力集中现象的影响。一般认为，应力集中有利于加速固结。韩杰和叶书麟（1990）建议采用固结系数折算的方法考虑应力集中现象，其表达式为
式中 C、C′——桩间土固结系数和考虑应力集中现象后的折算固结系数；
N——桩土模量比，N=Ep/Es；
Ep、Es——碎石桩和桩间土的弹性模量；
m——复合地基置换率。
对确定的分析对象，桩、土的弹性模量以及复合地基置换率、固结系数都可以通过试验确定，因此折算固结系数可以按式（8）直接求取。
由以上前人研究成果，在计算中需要反分析的唯一参数是桩径折减系数β。
计算中，取Ch=0.006cm2/s，Cv=0.0001cm2/s，Es=1.6mPa，Ep=8mPa，置换率20%，碎石桩直径1m，间距1.98m。取各加荷曲线中最后一级加载完成时的固结度进行反算。
桩径折减系数的反算结果见表6。
表6 由孔隙水压力推算的桩径折减系数
由表6可知，对同一工程，地质条件基本一致的情况下，反算得到的桩径折减系数的变化范围很大，这可能和孔隙水压力计测头埋设位置和碎石桩的距离远近以及测头处碎石桩的排水性能有关。上表中KY3、KY4的桩径折减系数较大，而KY6的折减系数较小，可能都没有反映实际情况。假定KY3、KY4测点的孔隙水压力计比较靠近碎石桩，将其排水距离增加1倍，以消除孔隙水压力计离碎石桩太近的因素，而KY6测点附近碎石桩的施工质量可能较差，故将其排水距离减小1倍，以消除孔隙水压力计旁碎石桩排水不畅的因素，进行反分析，得到的折减系数列于表7中。
表7 修正桩径折减系数
由以上计算结果，淤泥中的碎石桩涂抹效应很明显，在计算桩间土的固结和强度增长时，应充分考虑这种不利因素。
5 结论
（1）本工程应用沉管法碎石桩加固不排水剪强度小于30kPa的淤泥获得成功，但由于在此类土中的工程经验不足，通过典型试验以确定碎石桩的关键设计和施工参数是十分必要的。
（2）在温州海域厚度较大的淤泥地基中采用水上施工的沉管碎石桩，建议的施工参数为：充盈系数下部5m约1.1、中部10m约1.2、上部10m约1.3～1.5，平均可按1.28控制。套管的提升速率控制在平均1.7m/min，上部提升适当放慢。套管上拔时即开动振动器，并在上拔过程中一直保持开启状态，有利于桩身密实和连续。电动机的工作电流控制在200～300A。
（3）在淤泥中进行水上沉管碎石桩施工，采用逐步拔管法，桩身密实度可达到较密实状态。上部10m地基土过于软弱，对碎石桩体约束较差，故桩身密实性也较差。采用砂被垫层有利于保障碎石桩的成桩质量。
（4）碎石桩的排水作用较为明显，桩间土的超孔隙水压力消散较快。但是，桩间土的排水固结计算必须考虑井阻和涂抹作用，可以通过桩径折减的方式进行替代。通过对桩间土孔隙水压力的反分析，得到桩径折减系数在0.05～0.7之间，变化范围较大。
（5）根据对表层沉降的反分析，得到本工程碎石桩的桩土应力比在3.5～4.3之间。
参考文献
［1］JTJ 246—2004港口工程碎石桩复合地基设计与施工规程［S］.北京：人民交通出版社，2004.
［2］龚晓南主编.地基处理手册［M］.北京：中国建筑工业出版社，2008.
［3］Barksdale R D，Bachus R C.Design and Construction of Stone Columns，Vol.2：Appendixes［R］.Report No.FHWA/RD-83/027，1983.
［4］韩杰，叶书麟，曾志贤.碎石桩加固沿海软土的试验研究［J］.工程勘察，1990（5）.