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近岸水下挤密砂桩大规模施工常见问题与对策

2021-07-01曾春华成小飞田艳张会领

中国水运 2021年5期
关键词:常见问题对策

曾春华 成小飞 田艳 张会领

摘 要:水下挤密砂桩在水运工程地基处理中应用日益广泛;如何确保施工质量,是实现工程设计与建设目标的重点和难点。结合海口市海上人工岛——如意岛的水下挤密砂桩大规模施工,论述气象、水文、地质、设备及人员操作等复杂环境下的施工常见问题与对策,为水下挤密砂桩工程设计、施工及检测提供实例参考。

关键词:近岸;水下挤密砂桩;大规模施工;常见问题;对策

中图分类号:U655.55          文献标识码:A            文章编号:1006—7973(2021)05-0147-04

挤密砂桩最早从20世纪50年代日本开始,我国20世紀末开始尝试水下挤密砂桩施工,主要应用于小规模码头及岸坡工程[1]。随着水下挤密砂桩在水运工程地基处理中应用日益广泛,为满足挤密砂桩施工的需要,降低工程造价,加快施工进度,国内目前普遍的做法是将打桩机组应用于改装的平板驳上形成专用砂桩船,完成水下挤密砂桩施工[2]。人工岛项目常具有典型大规模的砂桩应用,而离岸水下挤密砂桩大规模施工与沿岸小规模应用更有明显不同:①地层变化更为多样化,勘察以点代面,且间距较大;②设计上,参数调整对造价影响明显,需通过典型试桩及施工情况逐步调整参数;③施工上,受自然环境、机械设备、施工操作影响大;④检测数量多,精确操作难度大;⑤问题处理难度大,成本高。

海口市如意岛填岛工程成功实现水下挤密砂桩大规模施工,施工过程中成功处理一系列问题,项目得以顺利推进。

1工程概况

如意岛位于海南省海口市东部铺前湾西侧海域,南渡江出海口东北侧白沙浅滩,离陆地岸线约4.4km。如意岛填岛工程用海面积约716万m2,人工岛岛长约8km,最宽处约2km,最窄处约0.3km,全岛岸线总长约24km。见图1。

1.1地质情况[3]

需进行挤密砂桩处理范围主要土层为:

①1中砂:灰褐色,黄褐色,松散~稍密状。该层分布不连续,层厚0.8~6.0m不等,层底高程在-9.64~-3.2m之间。平均标贯击数N=9.6击。

①2-1粉细砂:灰色,松散~稍密状。该层分布较连续,平均标贯击数N=10.2击。

①2-2粉细砂:灰色,灰褐色,中密状为主,局部稍密或密实状。该层分布不连续,平均标贯击数N=21.0击。

①3中砂:灰黄色,灰褐色,中密状。分布不连续,层厚1.2~6.0m不等,层底高程在-12.08~-4.9m之间。平均标贯击数N=20.2击。

②1淤泥质粉质粘土:灰褐色,灰色,流塑~软塑状。分布不连续,层位不稳定,层厚0.6~6.0m不等,层底高程在-20.51~-13.26m之间。平均标贯击数N=1.1击。

淤泥质粘土:灰褐色,流塑~软塑状,高塑性,土质不均匀,含碎贝壳,混砂粒,夹粉细砂薄层及粉细砂团。该层分布不连续,层位不稳定,该层层厚0.8~4.3m不等,层底高程在-19.10~-14.16m之间。平均标贯击数N=1.2击。

淤泥混砂夹层:灰色,流塑~软塑状,中塑性,土质不均匀,含碎贝壳,混大量砂粒,局部夹砂薄层。该层分布不连续,层位不稳定,平均标贯击数N=2.7击。

1.2设计要求[4]

根据行业规范要求达到消除液化和震陷、满足地基承载力和沉降要求[5-7]。设计砂桩类型主要有Φ1000mm@2200mm、Φ800mm@2800mm、Φ800mm@1800mm等。水下挤密砂桩工程量约8500根、57万立方米。典型设计结构断面见图2。

1.3施工特点

1.3.1砂料

砂桩的砂料采用中粗砂,含泥量不宜大于3%,砂料中可混有少量粒径小于50mm的碎石。

1.3.2打桩船和打桩架要求

(1)砂桩桩管总长度>(设计高水位-砂桩桩底最小标高值)+船舶干舷高度。

(2)打桩船架高>(桩管长+震动锤高)。

1.3.3沉管设备选用

采用DZ150KS中孔双电机振动锤,振动锤通过法兰盘接钢管,Φ800mm砂桩钢管上部直径为720mm,端部直径为820mm;Φ1000mm砂桩钢管上部直径为920mm,端部直径为1020mm;桩尖采用铲型桩尖。该类型桩尖的特点是:张开可靠,下料均匀,不易磨损,耐久性可靠性较好。钢管在顶部振动锤作用下沉管,直到达到设计桩底标高。喂砂后边振动边提管,并适当反插,使砂体扩散,最终形成砂桩。桩管样式见图3:

主要振动设备具体参数如表1:

配置2台输出功率为250kW以上的发电机。

1.3.4定位设备

采用GPS辅助《海洋施工定位软件》进行施工定位。

1.4检测方法及要求

检测方法为标贯试验。分两个区域提出相应的加固标准。无淤泥夹层区:桩体及桩间土(砂性土)的加固标准均为桩体深度5m范围内,标贯击数不小于16击,5m以下深度范围内不小于20击。含淤泥夹层区:对淤泥质或粘性土类桩间土不做标贯要求,对砂性桩间土及桩体要求深度5m范围内平均标贯击数不得小于16击,单点不得小于12击,5m深度以下平均标贯击数不得小于20击,单点不得小于15击,检测底标高均不高于桩体底标高。

成桩后不小于7天方可进行检测,对于含有淤泥质土部分,间隔时间应不小于21天。

对软土段的淤泥质土夹层采用取土样进行室内土工试验的方法检测。主要试验项目有含水率、孔隙比、内摩擦角及粘聚力(直剪快剪和固结快剪)、容重。检验深度不应小于地基处理深度,检测数量不应少于总桩数的2%,其中桩体和桩间土检测点数量比例为1:4。要求抽检合格率为100%。

2施工存在问题与对策

2.1定位困难

挤密砂桩的允许偏差、检验数量和方法按《水运工程质量检验标准》(JTS257-2008)[8]第2.3.9.4条规定执行。

海上施工,受风、浪、流等影响明显,桩长越长影响越明显。避开琼州海峡台风及寒潮季节,选择施工条件好天气进行作业,加强船舶固定、临时施工保护措施。同时,设计采用大桩径、疏间距设计方案,针对项目消除液化和控制沉降的目标,以贯入度作为控制检测标准。达到减少桩数量、降低检测难度,有利于保障施工质量。

2.2桩底标高变化

由于人工岛勘察孔距离约150m,地层资料通过钻孔以点代面,与实际的地质情况存在一定的出入,设计桩底标高在部分区域发生变化。仅仅按设计底标高施工会导致处理深度不够,或无法达到设计底标高要求。振动机无法下沉时,若强行施工,容易导致设备磨损、损坏严重。

根据工程实践,150kw振动锤无法下沉时,标贯击数均在25击以上,可达设计要求,现场可根据设计标高结合振动沉管情况对底标高进行“双控”,沉管过程中,当桩尖接近设计桩底高程时,如桩底高程和设计高程有一定出入,其下沉量小于30cm/min,停止下沉留振20秒即可停锤。

2.3拔管速度和留振时间

同一个施工桩体穿过土层密实度不一样,密实和松散相间,采用相同拔管速度和留振时间,容易导致松散层充砂量不足。这是由于拔管作业过程中,桩周土体对管夹紧作用随深度增大,约在泥面6m以下开始呈现;对桩周沙土的振动不充分,管内下料不足。因此,拔管过程中留振时间应随深度而增加。

2.4淤泥夹层

沉管过程中,容易快速穿越淤泥夹层;拔管过程中振动容易导致桩体坍塌从而出现断桩,颈缩。检测时出现无标贯击数现象。

遇到淤泥夹层,应增加充砂量,充盈系数应在2.0以上;拔管过程中,留振时间延长,并充分反插。检测采用抽芯取样方式,确保桩体完整。

2.5淤泥混砂夹层

沉桩过程中,淤泥混砂夹层不易发现,反映在检测时标贯击数低,补桩难度大,补桩后标贯击数提高不明显。

普遍用砂量充盈系数为1.4~2.0范围,淤泥混砂夹层应增加充砂量,充盈系数应在1.8以上;拔管过程中,留振时间延长,并充分反插。检测采用桩体抽芯取样方式,确保桩体完整。另外桩间土取样,分析颗粒成分,并按文献[5]核算,以确保砂土液化消除。

2.6硬壳表层

存在天然表层硬壳或者首次施工后形成表层密实度过高,标贯击数25击以上,厚度2m以上,达到振动锤极限电流,则须停止沉管,以保护设备。无法进行下层松散层施工或补桩。

解决此问题,通常采用更高功率的电机,如300kW~400kW的电机。若仍达不到效果,则需引入高压水泵或进行砂土扰动破坏,使桩管顺利下沉,或临时引入专业砂桩船,甚至进行设计变更。无论哪种方式,代价都较高。因此,首次施工时,尽量避免出现表层硬壳情况。

2.7表层松散

表层1~2m范围内,土层为淤泥混砂时,加固后表现为标贯击数低,且补桩后效果仍达不到设计要求;同时由于表层隆起,无法有效提高密实度。

拔管时,当接近桩顶高程时暂缓提升桩管,再留振20s,确保桩顶的砂桩密实后再往上提升。部分区域取土样分析后,粘土颗粒成分较高的,采用表层开挖换填方式处理。

2.8断桩和颈缩

施工过程中灌砂不连续,桩管提升速度过快,局部停拔留振时间不够,均可能导致拔管过程中存在某一段砂桩缺砂,而管已拔过该缺砂段,造成管外松软细沙回灌,形成断桩和颈缩。

由于挤密砂桩是多次循环“拔管-回打”逐段形成完整桩体,为防止砂桩颈缩等,每次循环的成桩高度一般控制在1.0m左右。在沉管时,通过料斗灌入的砂量至少为该桩总砂量的80%,在拔管开始时灌入剩余砂量,防止断桩。

3结论

(1)目前国内专业砂桩船施工单价昂贵,一般水运工程不使用。改装打桩船能满足常规工程施工要求。

(2)设计应充分考虑施工实际情况,采用更利于可靠的设计方案,易于施工、检测的桩径、桩间距,并充分考虑海上施工的问题处理与设计富裕度的经济性对比。

(3)受施工水域气象、地质、机械及施工人员素质影响大。要求大规模施工前,进行试验区,验证设计及施工参数的适用性与经济性。施工过程中重点做好每一根砂桩的施工记录,为及时方便发现问题及找到原因并采取合理解决方法。

(4) 大规模施工各种条件复杂多变,应多分段施工,及时检测;形成流水作业,缩小流水步距,方能及时发现问题,及时解决,避免大面积补桩情况出现。

参考文献:

[1]王吉望.日本挤密砂桩的设计与施工[J].工业建筑,1980,10(2):34-42

[2]徐玉华,曹驰昊.陆上打桩机组在水下挤密砂桩施工中的应用[J].水运工程,2016,(8):179-181.

[3]广东省航运规划设计院有限公司,海南省海口市如意岛项目填岛工程岩土工程勘察报告[R],2015.

[4]广东省航运规划设计院有限公司,海南省海口市如意岛项目填岛工程施工图设计[R],2015.

[5] JTS146-2012,《水运工程抗震设计规范》[S].

[6] JTS147-1-2010,港口工程地基规范[S].

[7] JGJ79-2012,《建筑地基处理技术规范》[S].

[8] JTS257-2008,水运工程质量检验标准[S].

基金項目:广东海洋大学创新强校工程科研项目(GDOU2016050258、GDOU2017052503、Q18307)、《土力学与地基基础》线下一流课程建设项目。

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