近岸水下擠密砂樁大規(guī)模施工常見(jiàn)問(wèn)題與對(duì)策

曾春華 成小飛 田艷 張會(huì)領(lǐng)

摘 要：水下擠密砂樁在水運(yùn)工程地基處理中應(yīng)用日益廣泛;如何確保施工質(zhì)量，是實(shí)現(xiàn)工程設(shè)計(jì)與建設(shè)目標(biāo)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。結(jié)合海口市海上人工島——如意島的水下擠密砂樁大規(guī)模施工，論述氣象、水文、地質(zhì)、設(shè)備及人員操作等復(fù)雜環(huán)境下的施工常見(jiàn)問(wèn)題與對(duì)策，為水下擠密砂樁工程設(shè)計(jì)、施工及檢測(cè)提供實(shí)例參考。

關(guān)鍵詞：近岸;水下擠密砂樁;大規(guī)模施工;常見(jiàn)問(wèn)題;對(duì)策

中圖分類(lèi)號(hào)：U655.55? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2021）05-0147-04

擠密砂樁最早從20世紀(jì)50年代日本開(kāi)始，我國(guó)20世紀(jì)末開(kāi)始嘗試水下擠密砂樁施工，主要應(yīng)用于小規(guī)模碼頭及岸坡工程[1]。隨著水下擠密砂樁在水運(yùn)工程地基處理中應(yīng)用日益廣泛，為滿足擠密砂樁施工的需要，降低工程造價(jià)，加快施工進(jìn)度，國(guó)內(nèi)目前普遍的做法是將打樁機(jī)組應(yīng)用于改裝的平板駁上形成專(zhuān)用砂樁船，完成水下擠密砂樁施工[2]。人工島項(xiàng)目常具有典型大規(guī)模的砂樁應(yīng)用，而離岸水下擠密砂樁大規(guī)模施工與沿岸小規(guī)模應(yīng)用更有明顯不同：①地層變化更為多樣化，勘察以點(diǎn)代面，且間距較大;②設(shè)計(jì)上，參數(shù)調(diào)整對(duì)造價(jià)影響明顯，需通過(guò)典型試樁及施工情況逐步調(diào)整參數(shù);③施工上，受自然環(huán)境、機(jī)械設(shè)備、施工操作影響大;④檢測(cè)數(shù)量多，精確操作難度大;⑤問(wèn)題處理難度大，成本高。

?？谑腥缫鈲u填島工程成功實(shí)現(xiàn)水下擠密砂樁大規(guī)模施工，施工過(guò)程中成功處理一系列問(wèn)題，項(xiàng)目得以順利推進(jìn)。

1工程概況

如意島位于海南省?？谑袞|部鋪前灣西側(cè)海域，南渡江出海口東北側(cè)白沙淺灘，離陸地岸線約4.4km。如意島填島工程用海面積約716萬(wàn)m2，人工島島長(zhǎng)約8km，最寬處約2km，最窄處約0.3km，全島岸線總長(zhǎng)約24km。見(jiàn)圖1。

1.1地質(zhì)情況[3]

需進(jìn)行擠密砂樁處理范圍主要土層為：

①1中砂：灰褐色，黃褐色，松散～稍密狀。該層分布不連續(xù)，層厚0.8～6.0m不等，層底高程在-9.64～-3.2m之間。平均標(biāo)貫擊數(shù)N=9.6擊。

①2-1粉細(xì)砂：灰色，松散～稍密狀。該層分布較連續(xù)，平均標(biāo)貫擊數(shù)N=10.2擊。

①2-2粉細(xì)砂：灰色，灰褐色，中密狀為主，局部稍密或密實(shí)狀。該層分布不連續(xù)，平均標(biāo)貫擊數(shù)N=21.0擊。

①3中砂：灰黃色，灰褐色，中密狀。分布不連續(xù)，層厚1.2～6.0m不等，層底高程在-12.08～-4.9m之間。平均標(biāo)貫擊數(shù)N=20.2擊。

②1淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土：灰褐色，灰色，流塑～軟塑狀。分布不連續(xù)，層位不穩(wěn)定，層厚0.6～6.0m不等，層底高程在-20.51～-13.26m之間。平均標(biāo)貫擊數(shù)N=1.1擊。

淤泥質(zhì)粘土：灰褐色，流塑～軟塑狀，高塑性，土質(zhì)不均勻，含碎貝殼，混砂粒，夾粉細(xì)砂薄層及粉細(xì)砂團(tuán)。該層分布不連續(xù)，層位不穩(wěn)定，該層層厚0.8～4.3m不等，層底高程在-19.10～-14.16m之間。平均標(biāo)貫擊數(shù)N=1.2擊。

淤泥混砂夾層：灰色，流塑～軟塑狀，中塑性，土質(zhì)不均勻，含碎貝殼，混大量砂粒，局部夾砂薄層。該層分布不連續(xù)，層位不穩(wěn)定，平均標(biāo)貫擊數(shù)N=2.7擊。

1.2設(shè)計(jì)要求[4]

根據(jù)行業(yè)規(guī)范要求達(dá)到消除液化和震陷、滿足地基承載力和沉降要求[5-7]。設(shè)計(jì)砂樁類(lèi)型主要有Φ1000mm@2200mm、Φ800mm@2800mm、Φ800mm@1800mm等。水下擠密砂樁工程量約8500根、57萬(wàn)立方米。典型設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)斷面見(jiàn)圖2。

1.3施工特點(diǎn)

1.3.1砂料

砂樁的砂料采用中粗砂，含泥量不宜大于3%，砂料中可混有少量粒徑小于50mm的碎石。

1.3.2打樁船和打樁架要求

（1）砂樁樁管總長(zhǎng)度>（設(shè)計(jì)高水位-砂樁樁底最小標(biāo)高值）+船舶干舷高度。

（2）打樁船架高>（樁管長(zhǎng)+震動(dòng)錘高）。

1.3.3沉管設(shè)備選用

采用DZ150KS中孔雙電機(jī)振動(dòng)錘，振動(dòng)錘通過(guò)法蘭盤(pán)接鋼管，Φ800mm砂樁鋼管上部直徑為720mm，端部直徑為820mm;Φ1000mm砂樁鋼管上部直徑為920mm，端部直徑為1020mm;樁尖采用鏟型樁尖。該類(lèi)型樁尖的特點(diǎn)是：張開(kāi)可靠，下料均勻，不易磨損，耐久性可靠性較好。鋼管在頂部振動(dòng)錘作用下沉管，直到達(dá)到設(shè)計(jì)樁底標(biāo)高。喂砂后邊振動(dòng)邊提管，并適當(dāng)反插，使砂體擴(kuò)散，最終形成砂樁。樁管樣式見(jiàn)圖3：

主要振動(dòng)設(shè)備具體參數(shù)如表1：

配置2臺(tái)輸出功率為250kW以上的發(fā)電機(jī)。

1.3.4定位設(shè)備

采用GPS輔助《海洋施工定位軟件》進(jìn)行施工定位。

1.4檢測(cè)方法及要求

檢測(cè)方法為標(biāo)貫試驗(yàn)。分兩個(gè)區(qū)域提出相應(yīng)的加固標(biāo)準(zhǔn)。無(wú)淤泥夾層區(qū)：樁體及樁間土（砂性土）的加固標(biāo)準(zhǔn)均為樁體深度5m范圍內(nèi)，標(biāo)貫擊數(shù)不小于16擊，5m以下深度范圍內(nèi)不小于20擊。含淤泥夾層區(qū)：對(duì)淤泥質(zhì)或粘性土類(lèi)樁間土不做標(biāo)貫要求，對(duì)砂性樁間土及樁體要求深度5m范圍內(nèi)平均標(biāo)貫擊數(shù)不得小于16擊，單點(diǎn)不得小于12擊，5m深度以下平均標(biāo)貫擊數(shù)不得小于20擊，單點(diǎn)不得小于15擊，檢測(cè)底標(biāo)高均不高于樁體底標(biāo)高。

成樁后不小于7天方可進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)于含有淤泥質(zhì)土部分，間隔時(shí)間應(yīng)不小于21天。

對(duì)軟土段的淤泥質(zhì)土夾層采用取土樣進(jìn)行室內(nèi)土工試驗(yàn)的方法檢測(cè)。主要試驗(yàn)項(xiàng)目有含水率、孔隙比、內(nèi)摩擦角及粘聚力（直剪快剪和固結(jié)快剪）、容重。檢驗(yàn)深度不應(yīng)小于地基處理深度，檢測(cè)數(shù)量不應(yīng)少于總樁數(shù)的2%，其中樁體和樁間土檢測(cè)點(diǎn)數(shù)量比例為1：4。要求抽檢合格率為100%。

2施工存在問(wèn)題與對(duì)策

2.1定位困難

擠密砂樁的允許偏差、檢驗(yàn)數(shù)量和方法按《水運(yùn)工程質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》（JTS257-2008）[8]第2.3.9.4條規(guī)定執(zhí)行。

海上施工，受風(fēng)、浪、流等影響明顯，樁長(zhǎng)越長(zhǎng)影響越明顯。避開(kāi)瓊州海峽臺(tái)風(fēng)及寒潮季節(jié)，選擇施工條件好天氣進(jìn)行作業(yè)，加強(qiáng)船舶固定、臨時(shí)施工保護(hù)措施。同時(shí)，設(shè)計(jì)采用大樁徑、疏間距設(shè)計(jì)方案，針對(duì)項(xiàng)目消除液化和控制沉降的目標(biāo)，以貫入度作為控制檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。達(dá)到減少樁數(shù)量、降低檢測(cè)難度，有利于保障施工質(zhì)量。

2.2樁底標(biāo)高變化

由于人工島勘察孔距離約150m，地層資料通過(guò)鉆孔以點(diǎn)代面，與實(shí)際的地質(zhì)情況存在一定的出入，設(shè)計(jì)樁底標(biāo)高在部分區(qū)域發(fā)生變化。僅僅按設(shè)計(jì)底標(biāo)高施工會(huì)導(dǎo)致處理深度不夠，或無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)底標(biāo)高要求。振動(dòng)機(jī)無(wú)法下沉?xí)r，若強(qiáng)行施工，容易導(dǎo)致設(shè)備磨損、損壞嚴(yán)重。

根據(jù)工程實(shí)踐，150kw振動(dòng)錘無(wú)法下沉?xí)r，標(biāo)貫擊數(shù)均在25擊以上，可達(dá)設(shè)計(jì)要求，現(xiàn)場(chǎng)可根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)高結(jié)合振動(dòng)沉管情況對(duì)底標(biāo)高進(jìn)行“雙控”，沉管過(guò)程中，當(dāng)樁尖接近設(shè)計(jì)樁底高程時(shí)，如樁底高程和設(shè)計(jì)高程有一定出入，其下沉量小于30cm/min，停止下沉留振20秒即可停錘。

2.3拔管速度和留振時(shí)間

同一個(gè)施工樁體穿過(guò)土層密實(shí)度不一樣，密實(shí)和松散相間，采用相同拔管速度和留振時(shí)間，容易導(dǎo)致松散層充砂量不足。這是由于拔管作業(yè)過(guò)程中，樁周土體對(duì)管夾緊作用隨深度增大，約在泥面6m以下開(kāi)始呈現(xiàn);對(duì)樁周沙土的振動(dòng)不充分，管內(nèi)下料不足。因此，拔管過(guò)程中留振時(shí)間應(yīng)隨深度而增加。

2.4淤泥夾層

沉管過(guò)程中，容易快速穿越淤泥夾層;拔管過(guò)程中振動(dòng)容易導(dǎo)致樁體坍塌從而出現(xiàn)斷樁，頸縮。檢測(cè)時(shí)出現(xiàn)無(wú)標(biāo)貫擊數(shù)現(xiàn)象。

遇到淤泥夾層，應(yīng)增加充砂量，充盈系數(shù)應(yīng)在2.0以上;拔管過(guò)程中，留振時(shí)間延長(zhǎng)，并充分反插。檢測(cè)采用抽芯取樣方式，確保樁體完整。

2.5淤泥混砂夾層

沉樁過(guò)程中，淤泥混砂夾層不易發(fā)現(xiàn)，反映在檢測(cè)時(shí)標(biāo)貫擊數(shù)低，補(bǔ)樁難度大，補(bǔ)樁后標(biāo)貫擊數(shù)提高不明顯。

普遍用砂量充盈系數(shù)為1.4～2.0范圍，淤泥混砂夾層應(yīng)增加充砂量，充盈系數(shù)應(yīng)在1.8以上;拔管過(guò)程中，留振時(shí)間延長(zhǎng)，并充分反插。檢測(cè)采用樁體抽芯取樣方式，確保樁體完整。另外樁間土取樣，分析顆粒成分，并按文獻(xiàn)[5]核算，以確保砂土液化消除。

2.6硬殼表層

存在天然表層硬殼或者首次施工后形成表層密實(shí)度過(guò)高，標(biāo)貫擊數(shù)25擊以上，厚度2m以上，達(dá)到振動(dòng)錘極限電流，則須停止沉管，以保護(hù)設(shè)備。無(wú)法進(jìn)行下層松散層施工或補(bǔ)樁。

解決此問(wèn)題，通常采用更高功率的電機(jī)，如300kW～400kW的電機(jī)。若仍達(dá)不到效果，則需引入高壓水泵或進(jìn)行砂土擾動(dòng)破壞，使樁管順利下沉，或臨時(shí)引入專(zhuān)業(yè)砂樁船，甚至進(jìn)行設(shè)計(jì)變更。無(wú)論哪種方式，代價(jià)都較高。因此，首次施工時(shí)，盡量避免出現(xiàn)表層硬殼情況。

2.7表層松散

表層1～2m范圍內(nèi)，土層為淤泥混砂時(shí)，加固后表現(xiàn)為標(biāo)貫擊數(shù)低，且補(bǔ)樁后效果仍達(dá)不到設(shè)計(jì)要求;同時(shí)由于表層隆起，無(wú)法有效提高密實(shí)度。

拔管時(shí)，當(dāng)接近樁頂高程時(shí)暫緩提升樁管，再留振20s，確保樁頂?shù)纳皹睹軐?shí)后再往上提升。部分區(qū)域取土樣分析后，粘土顆粒成分較高的，采用表層開(kāi)挖換填方式處理。

2.8斷樁和頸縮

施工過(guò)程中灌砂不連續(xù)，樁管提升速度過(guò)快，局部停拔留振時(shí)間不夠，均可能導(dǎo)致拔管過(guò)程中存在某一段砂樁缺砂，而管已拔過(guò)該缺砂段，造成管外松軟細(xì)沙回灌，形成斷樁和頸縮。

由于擠密砂樁是多次循環(huán)“拔管-回打”逐段形成完整樁體，為防止砂樁頸縮等，每次循環(huán)的成樁高度一般控制在1.0m左右。在沉管時(shí)，通過(guò)料斗灌入的砂量至少為該樁總砂量的80%，在拔管開(kāi)始時(shí)灌入剩余砂量，防止斷樁。

3結(jié)論

（1）目前國(guó)內(nèi)專(zhuān)業(yè)砂樁船施工單價(jià)昂貴，一般水運(yùn)工程不使用。改裝打樁船能滿足常規(guī)工程施工要求。

（2）設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮施工實(shí)際情況，采用更利于可靠的設(shè)計(jì)方案，易于施工、檢測(cè)的樁徑、樁間距，并充分考慮海上施工的問(wèn)題處理與設(shè)計(jì)富裕度的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比。

（3）受施工水域氣象、地質(zhì)、機(jī)械及施工人員素質(zhì)影響大。要求大規(guī)模施工前，進(jìn)行試驗(yàn)區(qū)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)及施工參數(shù)的適用性與經(jīng)濟(jì)性。施工過(guò)程中重點(diǎn)做好每一根砂樁的施工記錄，為及時(shí)方便發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及找到原因并采取合理解決方法。

（4） 大規(guī)模施工各種條件復(fù)雜多變，應(yīng)多分段施工，及時(shí)檢測(cè);形成流水作業(yè)，縮小流水步距，方能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，及時(shí)解決，避免大面積補(bǔ)樁情況出現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王吉望.日本擠密砂樁的設(shè)計(jì)與施工[J].工業(yè)建筑，1980，10（2）：34-42

[2]徐玉華，曹馳昊.陸上打樁機(jī)組在水下擠密砂樁施工中的應(yīng)用[J].水運(yùn)工程，2016，（8）：179-181.

[3]廣東省航運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，海南省?？谑腥缫鈲u項(xiàng)目填島工程巖土工程勘察報(bào)告[R]，2015.

[4]廣東省航運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，海南省海口市如意島項(xiàng)目填島工程施工圖設(shè)計(jì)[R]，2015.

[5] JTS146-2012，《水運(yùn)工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[S].

[6] JTS147-1-2010，港口工程地基規(guī)范[S].

[7] JGJ79-2012，《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》[S].

[8] JTS257-2008，水運(yùn)工程質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[S].

基金項(xiàng)目：廣東海洋大學(xué)創(chuàng)新強(qiáng)校工程科研項(xiàng)目（GDOU2016050258、GDOU2017052503、Q18307）、《土力學(xué)與地基基礎(chǔ)》線下一流課程建設(shè)項(xiàng)目。