DSM 技術對砂質土層中大圓筒打入過程影響研究

馮寶強，時閩生，付建寶

（1.中交一航局第一工程有限公司，天津 300456；2.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222）

0 引言

插入式鋼圓筒結構施工簡捷、造價低、耐久性好，能適應水深浪大的惡劣環(huán)境，無需拋石基床，并可避免開挖地基，已被成功應用于多項國家重點工程中，且取得了良好的經濟、社會效益。

插入式鋼圓筒結構采用振動下沉法進行安裝[1]，類似于振動沉樁即利用振動錘使鋼圓筒產生豎向的上下震動，造成周邊的土體處于強迫振動狀態(tài)，從而使鋼圓筒側阻力和端阻力減小，鋼圓筒在重力和慣性力的作用下沉入土中[2-3]。胥新偉等[4]針對港珠澳大橋東西人工島的淤泥性地基，采用日本經驗公式、法國PTC 經驗公式、美國ICE 經驗公式、壓樁系數法、波動方程等多種方法分析了鋼圓筒振動下沉的可行性。針對于砂土，Vipulanandan 等[5]研究了砂土的初始密度對于沉樁速率的影響；張建民[6]指出動黏滯阻尼力的存在將明顯地影響著土的受力和變形狀態(tài)。徐艇[7]建立了振動作用下的大圓筒結構非線性黏彈性彈簧元的瞬態(tài)動力力學數值模型，用實體和彈簧來模擬大圓筒和土體以及它們之間的互相作用。李蕊[8]對圓筒基礎結構的靜力下沉進行了研究，研究中采用有限元分析得到新的下沉阻力公式，可為大圓筒下沉施工提供指導。在實際工程中，除正在施工的三亞新機場和深中通道外，鋼圓筒均為插入軟土地基，未見插入硬質砂層。當鋼圓筒插入到夾砂層和砂層土層時，由于錘擊的振動會對夾砂層和砂層土體產生振動密實效應，使砂層板結，給鋼圓筒的振沉帶來了很大的困難，強行打設很容易造成大圓筒結構破壞。因此有必要對夾砂層和砂層地基進行改性，改變砂層土體特性，使大圓筒順利振沉。

1 工程概況

深中通道工程地處珠江口核心區(qū)域，全長約24.03 km，其中跨海段長約22.39 km。西人工島位于礬石水道西側，由直徑28 m，高度不等的57個大圓筒組成，其地形平坦，但受采砂及航道疏浚的影響，淺層軟土分布不均勻，層位不穩(wěn)定，粉質黏土中夾中粗砂，厚0～9.1 m，底部基巖為全風化～微風化花崗巖，個別為花崗閃長巖，地層分布如圖1 所示。

圖1 施工區(qū)域典型地層分布Fig.1 The typical soil layers in engineering area

鋼圓筒振沉區(qū)有較硬夾砂層，個別砂層達到9 m 厚，標慣擊數為35 擊，現場試驗顯示，在12錘聯動的作用下，夾砂層會更加密實，造成鋼圓筒無法振沉穿透[9]。西人工島大圓筒振沉區(qū)域范圍內存在較硬夾砂層（如粉砂和中粗砂等）且處于采砂區(qū)范圍內，地質變化明顯且無規(guī)律可循，底部存在堅硬密實且厚度較大的砂層，難以滿足大圓筒振沉平面偏差≤350 mm 和垂直度≤1%的設計要求，并且部分大圓筒進入風化層。標準貫入擊數N 值很大，在大圓筒沉筒之前需對硬土層進行處理。

2 DSM 技術改良效果的現場測試試驗

2.1 DSM 施工過程

針對深中通道地基存在標準貫入擊數大的夾砂層導致鋼圓筒無法達到振沉高度的情況，開展現場試驗，采用深層泥漿攪拌技術（DSM 技術）對夾砂層及持力層進行處理，其工作原理是通過機械攪拌硬土層同時噴射泥漿，軟化和松動硬土層。試驗采用DSM 船泵送泥漿，泥漿中水∶膨潤土質量比為1∶1，泥漿重度為1.43 g/cm3。將配合好的泥漿與海砂混合配比，泥漿摻量選定為20%。

2.2 DSM 處理效果

采用標準貫入試驗檢測DSM 處理后砂層的處理效果。標準貫入檢測時，采用測量人員手持GPS 定位儀器放點定位，安放100 型工程鉆機進行標準貫入試驗。DSM 處理前后的標貫擊數對比結果如表1 所示。

由表1 可以看出，X19-1 號鉆孔，DSM 處理前，砂層厚度5 m，標貫擊數為5~18 擊，DSM 處理后，夾砂層消失，原夾砂層位置變?yōu)橛倌嗪头圪|黏土，標貫擊數小于1 擊。X22-1 號鉆孔，DSM 處理前，砂層厚度3.5 m，標貫擊數為32~43擊，DSM 處理后，礫砂層變?yōu)橛倌嗪头圪|黏土，標貫擊數小于1 擊；處理前，風化巖頂標高為-32.22 m，風化巖標貫擊數大于50 擊，處理后風化巖頂標高變?yōu)?34.6 m，一部分風化巖被處理為粉質黏土，說明DSM 工藝完全有能力處理標貫擊數大于50 擊的風化巖。X23-1 號鉆孔，DSM 處理前，砂層厚度3.3 m，標貫擊數為30~39 擊，DSM處理后，礫砂層變?yōu)橛倌?，標貫擊數小? 擊。

表1 攪拌前后標貫擊數對比表Table 1 Comparison of SPT blow counts before and after DSM treating

現場試驗表明，經DSM 技術處理后，硬質砂層的標貫擊數都出現了顯著的下降，經處理后砂層的可打入性得到了極大改善，鋼圓筒很容易打入。實際工程經驗顯示，在深中通道后期的現場施工過程中，所有經DSM 處理后的區(qū)域，大圓筒都全部順利打設，未出現打設困難和大圓筒結構損壞現象。

3 砂層DSM 預處理對大圓筒打設的影響分析

3.1 有限元模型

為了明確DSM 技術對夾砂層和風化巖層的軟化作用，運用PLAXIS 3D 有限元軟件開展分析模擬，建立的有限元模型，如圖2 所示。

圖2 大圓筒打設有限元模型（局部）Fig.2 Finite element model of steel cylinder driving(local)

模型采用軸對稱模型，總長300 m，寬15 m，19 841 個10 節(jié)點土單元，30 881 個節(jié)點，大圓筒直徑28 m，高度28 m，副格寬度1 m，均采用板單元進行模擬。土層采用摩爾庫侖模型，鉆孔信息、土體的各項物理力學參數如表2 所示，筒壁和副格采用線彈性模型，材料參數如表3 所示。模型水面標高為+3.34 m，大圓筒兩側設置界面單元，界面強度為相鄰土的0.8 倍。

表2 土層物理力學參數Table 2 Physical and mechanical parameters of soil layer

表3 筒壁和副格的材料參數Table 3 Material parameters of the cylinder wall and arch connector

3.2 DSM 預處理對打設過程的影響

對采用DSM 預處理與不采用DSM 預處理兩種工況進行了計算，大圓筒打設過程中軸力、剪力和彎矩的最大值見表4，采用DSM 處理的彎矩M11分布云圖見圖3。

表4 采用DSM 與不采用DSM 時大圓筒筒壁最大內力統(tǒng)計表Table 4 The statistical table of maximum internal force of steel cylinder wall with and without DSM

圖3 采用DSM 處理的彎矩M11 分布云圖Fig.3 The distribution of the bending moment M11 treated by DSM

由圖3 和表4 可以看出，相比于未使用DSM技術處理的工況，采用DSM 技術對砂層進行預處理之后，筒壁各個方向的軸力、剪力和彎矩都有很大幅度的降低，降低幅度在82.6%~98.8%之間，表明DSM 處理之后大圓筒非常易于打設，極大幅度地降低了土層堅硬導致筒壁破壞的可能性。

4 結語

本文通過現場試驗和有限元模擬方法，對DSM 技術在改良硬質砂層中大圓筒的打設施工過程進行了研究，主要結論如下：

1） DSM 技術是采用噴泥漿的方式處理標貫擊數較大的夾砂層或風化巖，使之標貫擊數降低，利于大圓筒的打入。DSM 預處理后大圓筒打設時筒壁內力下降幅度非常大，可以大大降低大圓筒在砂層中的打設難度。

2）標貫擊數大于40 擊的砂層，經DSM 處理后，可以變?yōu)闃素灀魯敌∮? 的土體，標貫擊數大于50 擊的風化巖同樣可以被處理為標貫擊數較小的土體。后期現場大圓筒全部經過DSM 處理，處理后全部順利打設，未出現打設困難和大圓筒結構損壞現象。

3）分析計算表明，經DSM 預處理土層中大圓筒打設施工時，筒壁各個方向的軸力、剪力、彎矩都出現了大幅度降低，降幅普遍在82%以上，降低了土層堅硬導致筒壁破壞的可能性。