吳松華,章哲華
(中交水利水電建設(shè)有限公司,浙江 寧波315200)
水上振動(dòng)沉管碎石樁是以專業(yè)的砂樁船或碎石樁船作為作業(yè)平臺(tái)實(shí)施振動(dòng)沉管擠密碎石樁施工,通過碎石樁的置換、擠密、排水作用,進(jìn)行軟土地基加固,增加地基強(qiáng)度,提高原有地基的承載力和抗液化能力,是一種地基加固的新技術(shù)[1-2]。
目前國(guó)內(nèi)很少用水上振動(dòng)沉管碎石樁施工,因?yàn)檫m合施工的船機(jī)設(shè)備少,且存在樁身質(zhì)量控制難的問題。吳麗燕[3]利用打樁機(jī)和平板駁組成碎石樁作業(yè)船,進(jìn)行了水上沉管振動(dòng)法施工。路程[4]、徐瑞寶和章途鑫[5]采用打樁船(三航砂樁1號(hào))及輔助船舶,通過調(diào)整拔管速度、充盈系數(shù)、留振時(shí)間等措施,進(jìn)行水下振動(dòng)沉管法打設(shè)碎石樁對(duì)深層軟基加固。劉偉等[6]選用75 k W 振沖器及輔助設(shè)備,研究水上振沖碎石樁在處理低強(qiáng)度飽和黏性土中的應(yīng)用。多位研究人員研究了在強(qiáng)浪條件下采用頂升平臺(tái)和輔助方式進(jìn)行海上碎石樁施工技術(shù)[7-11]。張力偉等[12]采用中空浮箱式方駁,介紹了水上沉管碎石樁施工。周煥等[13]通過改造打樁船、優(yōu)化樁位以及監(jiān)控碎石出運(yùn),改進(jìn)了海上振動(dòng)沉管碎石樁施工關(guān)鍵技術(shù)。
為有效解決水上振動(dòng)沉管碎石樁施工出現(xiàn)的碎石拒落、灌量不足、密實(shí)度差等諸多技術(shù)難點(diǎn),在舟山市岱山縣大小魚山促淤圍涂項(xiàng)目大橋接線成陸工程中,通過對(duì)水上振動(dòng)沉管碎石樁施工設(shè)備與工藝進(jìn)行改進(jìn)和應(yīng)用,形成一套有效的水上振動(dòng)沉管碎石樁施工工藝及質(zhì)量控制措施,提高碎石成樁效率,保證成樁樁身質(zhì)量,降低施工成本。工程位置見圖1,施工工藝流程見圖2。
圖1 工程位置Fig.1 Location of the project
圖2 水上振動(dòng)沉管碎石樁施工工藝流程Fig.2 Process flow of the construction of on-water sinking-pipe gravel pile
經(jīng)市場(chǎng)調(diào)研,目前國(guó)內(nèi)水上碎石樁施工的船機(jī)設(shè)備較少,水上振動(dòng)沉管碎石樁的施工船舶僅有4艘,其主要技術(shù)參數(shù)見表1。
表1 碎石樁施工設(shè)備技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of equipment for gravel pile construction
現(xiàn)場(chǎng)施工區(qū)域處于外海開敞海域,結(jié)合工程地質(zhì)、水深及設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)等要求,經(jīng)比選,采用了“碎石樁3號(hào)”和“碎石樁4號(hào)”兩艘大型專業(yè)施工船舶進(jìn)行施工。2艘碎石樁船均采用三管式樁架(圖3),每次3根樁可以同步施工。
圖3 碎石樁船F(xiàn)ig.3 Ship for gravel piling
為了提高碎石樁施工效率,控制成樁質(zhì)量及成本,船舶分別配置了沉樁定位系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)及碎石添加及計(jì)量系統(tǒng)。
1)沉樁定位系統(tǒng)。碎石樁船配置有3根套管,可同時(shí)進(jìn)行碎石樁施工,施工效率較單管式提高3倍。船舶配置沉樁定位系統(tǒng)可對(duì)碎石樁船的船位、樁管位置、施工區(qū)域進(jìn)行準(zhǔn)確定位,并實(shí)現(xiàn)施工過程中的可視化操作。
2)碎石添加計(jì)量系統(tǒng)。為了準(zhǔn)確控制填料量,船舶分別設(shè)置了儲(chǔ)料斗、皮帶機(jī)、計(jì)量斗和提升斗等設(shè)備。在計(jì)量斗上方設(shè)置視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng),可準(zhǔn)確控制碎石填料量。
1.2.1 碎石料加工
碎石樁材料采用連續(xù)級(jí)配碎石,碎石要求采用新鮮石料軋制的碎石,粒徑0.5~5.0 cm,級(jí)配連續(xù),含泥量小于5%。碎石樁施工使用的碎石原材料在現(xiàn)場(chǎng)自行加工生產(chǎn)。在后方20 000 m2的碎石加工場(chǎng)內(nèi),2套生產(chǎn)能力為200 t/h的顎式破碎機(jī)組進(jìn)行生產(chǎn),碎石日生產(chǎn)量為4 000~5 000 m3。碎石質(zhì)量按《水運(yùn)工程質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》[14]要求的頻率、批次在監(jiān)理工程師的見證下取樣送專業(yè)檢測(cè)單位進(jìn)行檢測(cè),檢測(cè)質(zhì)量合格后方能使用。
1.2.2 碎石料出運(yùn)
碎石料運(yùn)輸采用水運(yùn),在臨近碎石加工場(chǎng)的岸線處修建2 000噸級(jí)的臨時(shí)出運(yùn)碼頭一座,碼頭前沿水深4 m,滿足1 200 t的碎石供料運(yùn)輸船的吃水要求。根據(jù)2條碎石樁船的供料方式,選擇了皮帶機(jī)輸送船和抓斗轉(zhuǎn)駁的平板船兩種船型,每艘碎石樁船各配備2條運(yùn)輸船。皮帶機(jī)船裝料由安裝在碼頭岸邊的皮帶輸送機(jī)進(jìn)行裝料,平板船直接由運(yùn)輸車運(yùn)到船上卸載。
正式施工前,選取典型區(qū)塊進(jìn)行試樁,選擇最佳的施工參數(shù),包括沉管提升速度、每次提升高度、留振時(shí)間和充盈系數(shù)等。
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的固有樁間距及布置位置,進(jìn)行樁位優(yōu)化[13],不改變?cè)O(shè)計(jì)置換率,調(diào)整樁位的縱橫向間距。選用的兩艘船相鄰樁管間距分別為4.8和4.2 m。按復(fù)合地基的計(jì)算方法[15],將原設(shè)計(jì)的樁間距2.3 m調(diào)整為樁間距2.4 m、排間距2.18 m 和樁間距2.1 m、排間距2.5 m。調(diào)整后每次移船均可同時(shí)施工3根樁,實(shí)現(xiàn)了以最少的移船次數(shù)施工最大數(shù)量的碎石樁,大幅提高施工效率,并且采用隔排隔樁跳打的方式,對(duì)保證施工質(zhì)量十分有利。
為獲取合理的拔管速度,選取3種拔管速度(2.2,1.8,1.5 m/min)進(jìn)行試驗(yàn),每種拔管速度隨機(jī)抽取3根。根據(jù)重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)結(jié)果,分別得到了樁身擊數(shù)與拔管速度,樁身擊數(shù)與充盈系數(shù)的關(guān)系。
從圖4 中可以得到樁身質(zhì)量情況如下:
1)拔管速度越慢,樁身密實(shí)性越好,樁身0~10 m 范圍內(nèi)地質(zhì)條件差,密實(shí)度相對(duì)較差,10 m 以下范圍密實(shí)度均較好。
2)拔管速度為2.2 m/min的樁,在泥面以下0~2 m 范圍內(nèi),每10 cm 平均擊數(shù)為5.5~7.9 擊;泥面以下2~7 m范圍內(nèi),每10 cm 平均擊數(shù)為7.5~9.8擊;泥面以下7 m 至樁底,每10 cm平均擊數(shù)均大于10擊。
圖4 樁身擊數(shù)與拔管速率的關(guān)系曲線Fig.4 Relationship between the number of pile hitting and the velocity of pipe drawing
3)拔管速度為1.8 m/min的樁,在泥面以下0~2 m 范圍內(nèi),每10 cm 平均擊數(shù)為5.9~9.5擊;泥面以下2~5 m 范圍內(nèi),每10 cm 平均擊數(shù)為7.1~9.9擊;泥面以下5 m 至樁底,每10 cm 平均擊數(shù)均大于10擊。
4)拔管速度為1.5 m/min的樁,在泥面以下0~2 m 范圍內(nèi),6.8~9.2擊;泥面以下2 m 至樁底,每10 cm平均擊數(shù)均大于10擊。
根據(jù)設(shè)計(jì)碎石樁密實(shí)度,最終確定拔管速度為1.5 m/min。為了提高樁身上部質(zhì)量,不同深度范圍內(nèi)控制不同的拔管速度。將樁身分為0~10 m,10~15 m,15 m 以深三段,控制整個(gè)樁身的平均拔管速度為1.5 m/min,對(duì)拔管速度進(jìn)行優(yōu)化[13]。
樁身充盈系數(shù)為樁管實(shí)際碎石用量與理論碎石用量之比:
式中:V1為計(jì)算理論碎石用量;V2為實(shí)際填充碎石用量;V3一部分是設(shè)計(jì)要求樁頂超出泥面部分的體積,另一部分是碎石充滿整個(gè)樁身需要補(bǔ)填的碎石方量;D為設(shè)計(jì)碎石樁樁徑;h1為實(shí)測(cè)的水深;h2為樁管下沉深度。
當(dāng)拔管速度為1.5 m/min時(shí),分析了樁身擊數(shù)和充盈系數(shù)的關(guān)系并繪制曲線(圖5)。由圖5可知,充盈系數(shù)為1.37(計(jì)算泥面以上碎石量時(shí),充盈系數(shù)為1.38)時(shí),樁身密實(shí)度較均勻,均能滿足設(shè)計(jì)要求,效果較好。經(jīng)過統(tǒng)計(jì),試樁碎石樁平均樁長(zhǎng)為37.4 m,與設(shè)計(jì)要求的平均樁長(zhǎng)37.6 m 基本相符,也能打穿夾砂層,打設(shè)深度滿足設(shè)計(jì)要求。比較各種拔管速率和充盈系數(shù)下的檢測(cè)結(jié)果,充盈系數(shù)為1.38時(shí),樁身擊數(shù)相對(duì)比較符合設(shè)計(jì)指標(biāo)。按此參數(shù)施工,樁頂高程高出砂被面30~50 cm 左右,與設(shè)計(jì)要求一致。
圖5 樁身擊數(shù)與充盈系數(shù)的關(guān)系曲線Fig.5 Relationship between the number of pile hitting and the coefficient of pile filling
在振動(dòng)錘較強(qiáng)的激振力作用下,樁管對(duì)周圍土層產(chǎn)生很大的橫向擠壓力,成孔時(shí)樁管將地基土向管外排擠形成孔洞。
1)在樁管下沉前,測(cè)量沉樁位置的水深,結(jié)合原始泥面標(biāo)高和設(shè)計(jì)樁底標(biāo)高確定沉管深度。實(shí)際施工時(shí),可在樁管管壁上涂刷明顯的刻度標(biāo)志控制沉管深度。
2)在樁位確認(rèn)無誤后,打開連接樁管的卷揚(yáng)機(jī),在樁管自重作用下沿固定樁架壁上的導(dǎo)向軌道下沉,當(dāng)樁管不再下沉?xí)r,開啟振動(dòng)錘,在激振力的作用下樁管繼續(xù)下沉,樁尖接近設(shè)計(jì)樁底標(biāo)高時(shí),注意觀測(cè)套管下沉速度,保證沉管深度滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求[13]。
3)應(yīng)用新型活瓣鋼制樁靴[16],增強(qiáng)樁管下沉能力,確保碎石順利下落。
加料時(shí)摒棄以往一次充足加料的做法,采用合理分批次進(jìn)行碎石加料。防止一次充足加料后樁管開始上提時(shí),底部碎石下落慢,在振動(dòng)作用下造成上部碎石振密板結(jié),從而造成碎石拒落,出現(xiàn)縮頸或斷樁的現(xiàn)象。該方法為樁管內(nèi)碎石順利下落提供了有力保障,有利于保證樁身質(zhì)量。
1)根據(jù)實(shí)測(cè)水深和樁管下沉深度,計(jì)算樁長(zhǎng)和理論碎石用量,根據(jù)充盈系數(shù)計(jì)算實(shí)際需要填充的碎石量和計(jì)量斗添加的數(shù)量。
2)計(jì)量斗內(nèi)設(shè)置有刻度線,在計(jì)量斗上方設(shè)置視頻監(jiān)控系統(tǒng),控制添加量。
3)碎石供料船靠泊打樁船后,由皮帶輸送機(jī)將碎石料轉(zhuǎn)運(yùn)到打樁船上的儲(chǔ)料斗(200 m3)中(圖6a)。碎石經(jīng)儲(chǔ)料斗下方的皮帶機(jī)輸送到固定的計(jì)量斗(圖6b),卷揚(yáng)機(jī)將碎石提升到鋼套筒頂部的漏斗位置后加灌到樁管內(nèi)(圖6c)。為防止超灌或少灌,應(yīng)有專人負(fù)責(zé)碎石灌料工作,并做好相應(yīng)記錄。
4)加灌碎石前將鋼樁管提高50 cm,并打開樁靴上的4道門,之后再加料,防止樁靴門打不開或卡住,確保碎石能順利下落。
5)分次加料的方法:第一次加料量為套管長(zhǎng)度的1/2~2/3,然后暫停,開始拔管,上拔10~15 m 后,將剩余碎石分批次連續(xù)加入持續(xù)上拔的樁管內(nèi)[13]。
圖6 加料流程Fig.6 Feeding process
為了保證填料效率,樁管填料采用干法,但干料在樁管內(nèi)摩擦力較大,填料不易下沉,成樁質(zhì)量受到影響。為此,初期采用添加水分潤(rùn)滑填料施工難度較大,最終在沿樁管高度方向,在管壁上開孔[13],樁管下沉和提升過程中,海水可由進(jìn)水孔進(jìn)入樁管內(nèi),以增加自重,加速碎石充盈,并淘洗碎石中的泥土和石粉,潤(rùn)滑碎石。
當(dāng)樁管內(nèi)的碎石高度達(dá)到樁管的1/2~2/3位置時(shí),暫停灌料,開始拔管。拔管前先開啟振動(dòng)錘振動(dòng)20 s,再按照試樁確定的拔管速率向上邊振動(dòng)邊提升樁管,提升過程中不留振。拔管10~15 m 后,將剩余碎石分批次連續(xù)加入持續(xù)上拔的樁管內(nèi)。在距樁頂2~3 m 時(shí)留振60 s后,將樁管拔出泥面,形成碎石樁體。
從施工設(shè)備機(jī)具、充盈材料的質(zhì)量等方面著手,把留振時(shí)間、拔管速率、充盈系數(shù)等施工參數(shù)作為樁身質(zhì)量控制的重點(diǎn)和難點(diǎn),通過施工試驗(yàn)加以檢測(cè)檢驗(yàn),針對(duì)存在的缺陷和不足點(diǎn)采取合理措施進(jìn)行糾正。
1)正式施工前,選取典型區(qū)塊進(jìn)行試樁,選擇最佳的施工參數(shù),包括沉管提升速度、每次提升高度、留振時(shí)間和反插深度。試樁過程中記錄原始數(shù)據(jù),并由專業(yè)檢測(cè)單位檢測(cè)成樁質(zhì)量。最后,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工的實(shí)際情況分析各擬定參數(shù)的成樁質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果,選擇一組適合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件的施工技術(shù)參數(shù)。碎石樁施工參數(shù)最終須經(jīng)業(yè)主、監(jiān)理等審核后方進(jìn)行大規(guī)模施工。試樁位置應(yīng)具有代表性,應(yīng)在工程護(hù)樁部位或工程非主要部位進(jìn)行。試樁數(shù)量應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求和場(chǎng)地的地質(zhì)條件確定,且不得少于3根。
2)正式施工時(shí),嚴(yán)格按照試樁試驗(yàn)確定的施工技術(shù)參數(shù)進(jìn)行施工,以確保碎石樁的施工質(zhì)量。樁管提升速度應(yīng)均勻但不能過快,以保證樁身連續(xù)性,碎石樁不得中斷、脫節(jié)、縮徑、陷口,否則應(yīng)在附近重打。
3)施工中若遇到地質(zhì)條件發(fā)生變化,應(yīng)再次會(huì)同設(shè)計(jì)、監(jiān)理人員等分析原因,適當(dāng)調(diào)整施工技術(shù)參數(shù),采取補(bǔ)救措施,確保施工順利進(jìn)行,并做好記錄。
4)料斗內(nèi)設(shè)置計(jì)量線,確保添加碎石量的正確性。施工前,應(yīng)與監(jiān)理工程師一起對(duì)計(jì)量斗容量進(jìn)行校核,并做好不同容量標(biāo)識(shí)標(biāo)記。加灌碎石時(shí),應(yīng)有專人負(fù)責(zé)計(jì)量工作,必須保證斗數(shù)和每斗方量均計(jì)量準(zhǔn)確。
5)碎石樁成樁后采用重型動(dòng)力觸探或大噸位靜力觸探對(duì)樁體的密實(shí)度進(jìn)行檢測(cè),檢測(cè)數(shù)量宜取總樁數(shù)的1%~2%,且不得少于3根。對(duì)砂土和粉土地基,檢測(cè)宜在碎石樁成樁1 d后進(jìn)行;對(duì)黏性土地基,檢測(cè)宜在成樁后10 d左右進(jìn)行。
通過對(duì)現(xiàn)有專業(yè)施工設(shè)備進(jìn)行改造、優(yōu)化樁位布置、關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)和工藝等措施,實(shí)現(xiàn)了供料速度快,碎石添加計(jì)量準(zhǔn)確,自動(dòng)化程度高,施工效率高。解決了水上振動(dòng)沉管碎石樁施工出現(xiàn)的碎石拒落、灌量不足、密實(shí)度差等諸多技術(shù)難點(diǎn),且成樁樁體直徑大、排水效果好,地基承載力高、后期沉降小。適用于需要滿足上部結(jié)構(gòu)快速加載施工要求的軟土地基加固處理工程。
1)研究采用三管式同步成樁施工裝備,應(yīng)用沉樁定位系統(tǒng)及視頻監(jiān)控系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了碎石樁施工過程的可視化操作,大大提高了施工效率。
2)應(yīng)用新型大開度活瓣鋼樁靴提高了樁管下沉能力,并確保碎石順利下落成樁。
3)采用干法填料、分批次輸送的供料工藝,以確保碎石料不堵管、不斷樁,提高了工效,保證了質(zhì)量。