水上振動沉管碎石樁施工關鍵技術應用

吳松華,章哲華

(中交水利水電建設有限公司,浙江 寧波315200)

水上振動沉管碎石樁是以專業(yè)的砂樁船或碎石樁船作為作業(yè)平臺實施振動沉管擠密碎石樁施工,通過碎石樁的置換、擠密、排水作用,進行軟土地基加固,增加地基強度,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[1-2]。

目前國內(nèi)很少用水上振動沉管碎石樁施工,因為適合施工的船機設備少,且存在樁身質(zhì)量控制難的問題。吳麗燕[3]利用打樁機和平板駁組成碎石樁作業(yè)船,進行了水上沉管振動法施工。路程[4]、徐瑞寶和章途鑫[5]采用打樁船(三航砂樁1號)及輔助船舶,通過調(diào)整拔管速度、充盈系數(shù)、留振時間等措施,進行水下振動沉管法打設碎石樁對深層軟基加固。劉偉等[6]選用75 k W 振沖器及輔助設備,研究水上振沖碎石樁在處理低強度飽和黏性土中的應用。多位研究人員研究了在強浪條件下采用頂升平臺和輔助方式進行海上碎石樁施工技術[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,改進了海上振動沉管碎石樁施工關鍵技術。

為有效解決水上振動沉管碎石樁施工出現(xiàn)的碎石拒落、灌量不足、密實度差等諸多技術難點,在舟山市岱山縣大小魚山促淤圍涂項目大橋接線成陸工程中,通過對水上振動沉管碎石樁施工設備與工藝進行改進和應用,形成一套有效的水上振動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

1 施工準備

1.1 設備選型及改進

經(jīng)市場調(diào)研,目前國內(nèi)水上碎石樁施工的船機設備較少,水上振動沉管碎石樁的施工船舶僅有4艘,其主要技術參數(shù)見表1。

表1 碎石樁施工設備技術參數(shù)Table 1 Technical parameters of equipment for gravel pile construction

現(xiàn)場施工區(qū)域處于外海開敞海域,結(jié)合工程地質(zhì)、水深及設計樁長等要求,經(jīng)比選,采用了“碎石樁3號”和“碎石樁4號”兩艘大型專業(yè)施工船舶進行施工。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,可同時進行碎石樁施工,施工效率較單管式提高3倍。船舶配置沉樁定位系統(tǒng)可對碎石樁船的船位、樁管位置、施工區(qū)域進行準確定位,并實現(xiàn)施工過程中的可視化操作。

2)碎石添加計量系統(tǒng)。為了準確控制填料量,船舶分別設置了儲料斗、皮帶機、計量斗和提升斗等設備。在計量斗上方設置視頻監(jiān)測系統(tǒng),可準確控制碎石填料量。

1.2 碎石料生產(chǎn)

1.2.1 碎石料加工

碎石樁材料采用連續(xù)級配碎石,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)場自行加工生產(chǎn)。在后方20 000 m2的碎石加工場內(nèi),2套生產(chǎn)能力為200 t/h的顎式破碎機組進行生產(chǎn),碎石日生產(chǎn)量為4 000～5 000 m3。碎石質(zhì)量按《水運工程質(zhì)量檢驗標準》[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)檢測單位進行檢測,檢測質(zhì)量合格后方能使用。

1.2.2 碎石料出運

碎石料運輸采用水運,在臨近碎石加工場的岸線處修建2 000噸級的臨時出運碼頭一座,碼頭前沿水深4 m,滿足1 200 t的碎石供料運輸船的吃水要求。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條運輸船。皮帶機船裝料由安裝在碼頭岸邊的皮帶輸送機進行裝料,平板船直接由運輸車運到船上卸載。

2 參數(shù)優(yōu)化

正式施工前,選取典型區(qū)塊進行試樁,選擇最佳的施工參數(shù),包括沉管提升速度、每次提升高度、留振時間和充盈系數(shù)等。

2.1 樁位優(yōu)化

根據(jù)現(xiàn)場設備的固有樁間距及布置位置,進行樁位優(yōu)化[13],不改變設計置換率,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。按復合地基的計算方法[15],將原設計的樁間距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施工3根樁,實現(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,對保證施工質(zhì)量十分有利。

2.2 拔管速度優(yōu)化

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)進行試驗,每種拔管速度隨機抽取3根。根據(jù)重型動力觸探試驗結(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,樁身密實性越好,樁身0～10 m 范圍內(nèi)地質(zhì)條件差,密實度相對較差,10 m 以下范圍密實度均較好。

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)設計碎石樁密實度,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,控制整個樁身的平均拔管速度為1.5 m/min,對拔管速度進行優(yōu)化[13]。

2.3 充盈系數(shù)優(yōu)化

樁身充盈系數(shù)為樁管實際碎石用量與理論碎石用量之比:

式中:V1為計算理論碎石用量;V2為實際填充碎石用量;V3一部分是設計要求樁頂超出泥面部分的體積,另一部分是碎石充滿整個樁身需要補填的碎石方量;D為設計碎石樁樁徑;h1為實測的水深;h2為樁管下沉深度。

當拔管速度為1.5 m/min時,分析了樁身擊數(shù)和充盈系數(shù)的關系并繪制曲線(圖5)。由圖5可知,充盈系數(shù)為1.37(計算泥面以上碎石量時,充盈系數(shù)為1.38)時,樁身密實度較均勻,均能滿足設計要求,效果較好。經(jīng)過統(tǒng)計,試樁碎石樁平均樁長為37.4 m,與設計要求的平均樁長37.6 m 基本相符,也能打穿夾砂層,打設深度滿足設計要求。比較各種拔管速率和充盈系數(shù)下的檢測結(jié)果,充盈系數(shù)為1.38時,樁身擊數(shù)相對比較符合設計指標。按此參數(shù)施工,樁頂高程高出砂被面30～50 cm 左右,與設計要求一致。

圖5 樁身擊數(shù)與充盈系數(shù)的關系曲線Fig.5 Relationship between the number of pile hitting and the coefficient of pile filling

3 工藝優(yōu)化

3.1 成孔工藝

在振動錘較強的激振力作用下,樁管對周圍土層產(chǎn)生很大的橫向擠壓力,成孔時樁管將地基土向管外排擠形成孔洞。

1)在樁管下沉前,測量沉樁位置的水深,結(jié)合原始泥面標高和設計樁底標高確定沉管深度。實際施工時,可在樁管管壁上涂刷明顯的刻度標志控制沉管深度。

2)在樁位確認無誤后,打開連接樁管的卷揚機,在樁管自重作用下沿固定樁架壁上的導向軌道下沉,當樁管不再下沉時,開啟振動錘,在激振力的作用下樁管繼續(xù)下沉,樁尖接近設計樁底標高時,注意觀測套管下沉速度,保證沉管深度滿足設計及規(guī)范要求[13]。

3)應用新型活瓣鋼制樁靴[16],增強樁管下沉能力,確保碎石順利下落。

3.2 加料工藝

加料時摒棄以往一次充足加料的做法,采用合理分批次進行碎石加料。防止一次充足加料后樁管開始上提時,底部碎石下落慢,在振動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)實測水深和樁管下沉深度,計算樁長和理論碎石用量,根據(jù)充盈系數(shù)計算實際需要填充的碎石量和計量斗添加的數(shù)量。

2)計量斗內(nèi)設置有刻度線,在計量斗上方設置視頻監(jiān)控系統(tǒng),控制添加量。

3)碎石供料船靠泊打樁船后,由皮帶輸送機將碎石料轉(zhuǎn)運到打樁船上的儲料斗(200 m3)中(圖6a)。碎石經(jīng)儲料斗下方的皮帶機輸送到固定的計量斗(圖6b),卷揚機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,應有專人負責碎石灌料工作,并做好相應記錄。

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

3.3 填料工藝

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,海水可由進水孔進入樁管內(nèi),以增加自重,加速碎石充盈,并淘洗碎石中的泥土和石粉,潤滑碎石。

3.4 振動工藝

當樁管內(nèi)的碎石高度達到樁管的1/2～2/3位置時,暫停灌料,開始拔管。拔管前先開啟振動錘振動20 s,再按照試樁確定的拔管速率向上邊振動邊提升樁管,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 時留振60 s后,將樁管拔出泥面,形成碎石樁體。

4 主要質(zhì)量保證措施

從施工設備機具、充盈材料的質(zhì)量等方面著手,把留振時間、拔管速率、充盈系數(shù)等施工參數(shù)作為樁身質(zhì)量控制的重點和難點,通過施工試驗加以檢測檢驗,針對存在的缺陷和不足點采取合理措施進行糾正。

1)正式施工前,選取典型區(qū)塊進行試樁,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)檢測單位檢測成樁質(zhì)量。最后,結(jié)合現(xiàn)場施工的實際情況分析各擬定參數(shù)的成樁質(zhì)量檢測結(jié)果,選擇一組適合現(xiàn)場地質(zhì)條件的施工技術參數(shù)。碎石樁施工參數(shù)最終須經(jīng)業(yè)主、監(jiān)理等審核后方進行大規(guī)模施工。試樁位置應具有代表性,應在工程護樁部位或工程非主要部位進行。試樁數(shù)量應根據(jù)設計要求和場地的地質(zhì)條件確定,且不得少于3根。

2)正式施工時,嚴格按照試樁試驗確定的施工技術參數(shù)進行施工,以確保碎石樁的施工質(zhì)量。樁管提升速度應均勻但不能過快,以保證樁身連續(xù)性,碎石樁不得中斷、脫節(jié)、縮徑、陷口,否則應在附近重打。

3)施工中若遇到地質(zhì)條件發(fā)生變化,應再次會同設計、監(jiān)理人員等分析原因,適當調(diào)整施工技術參數(shù),采取補救措施,確保施工順利進行,并做好記錄。

4)料斗內(nèi)設置計量線,確保添加碎石量的正確性。施工前,應與監(jiān)理工程師一起對計量斗容量進行校核,并做好不同容量標識標記。加灌碎石時,應有專人負責計量工作,必須保證斗數(shù)和每斗方量均計量準確。

5)碎石樁成樁后采用重型動力觸探或大噸位靜力觸探對樁體的密實度進行檢測,檢測數(shù)量宜取總樁數(shù)的1%～2%,且不得少于3根。對砂土和粉土地基,檢測宜在碎石樁成樁1 d后進行;對黏性土地基,檢測宜在成樁后10 d左右進行。

5 結(jié) 論

通過對現(xiàn)有專業(yè)施工設備進行改造、優(yōu)化樁位布置、關鍵技術參數(shù)和工藝等措施,實現(xiàn)了供料速度快,碎石添加計量準確,自動化程度高,施工效率高。解決了水上振動沉管碎石樁施工出現(xiàn)的碎石拒落、灌量不足、密實度差等諸多技術難點,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,應用沉樁定位系統(tǒng)及視頻監(jiān)控系統(tǒng),實現(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。