塑料排水板在复杂地层施工中的研究

郭 东，邢荣亮，王 瑞

（天津深基工程有限公司，天津 300222）

引 言

塑料排水板预压法是浅层地基加固常见的方法[1]。塑料排水板可在淤泥、淤质土、冲填土等饱和粘性及杂填土运用排水固结法进行软基处理的良好垂直通道，大大缩短软土固结时间[2]，是配合加快提高地基承载力的有效措施。但在中国海监某地区基地建设项目地层较为复杂，如地质硬层（①粉细砂）、②1淤泥质粉质粘土地层，且淤泥质粉质粘土地层产生回带现象严重，无法满足规范要求的“回带长度不得超过500 mm，且回带的根数不宜超过总根数的5%”[3]，施工难以寸进。

该项目靠近外海，先后三次遭受风暴潮袭击和破坏，工期节点严重滞后，亟需一套满足本工程的塑料排水板施工工艺，以满足总进度要求。若不能解决，将更换其他施工成本较高的施工方案以达到同样的地基处理效果。

1 工程概况

中国海监某地区基地建设项目位于渤海湾内侧渔码头附近，计划建设8个海监船泊位。为满足码头主体结构施工及码头后方陆域使用要求，须对地基土进行处理。

根据地基土的地质情况不同，地基处理方法分别采用地基强夯处理（塑料排水板施打与强夯相结合）、地基振冲密实处理（塑料排水板施打与振冲密实相结合）两种地基处理方案；待地基土固结度达到95%后，再进行码头主体结构施工。

2 现状调查

在实际现状调查过程中，我们选取了该项目后方陆域作为试验区域。该地区临近渤海湾，长期受海浪冲刷和淤积影响，地层较为复杂，通过查看该工程的地质勘察报告，发现地层自上而下为：①粉细砂、②1淤泥质粉质粘土、②2粉质粘土、③1细砂、③2细砂、③3粉质粘土。

塑料排水板施打过程中其套管要穿透两个地质硬层（粉细砂）和一个复杂地层（淤泥质黏土层）。在塑料排水板正式施工前，我们在施工区域内选取了20 m×20 m的试验区，试打前通过标贯检测发现此区域击数普遍为40～50击以上。

在试验区试打过程中采用常规轨道式插板机配2 t液压振动锤，施工顺序按横向每排进行，一排一排纵向推进[4]，施工时需要较多的击数才能穿透地质硬层和复杂地层，甚至无法穿透地层，同时在插板机振动下沉套管过程中，硬层砂挤入套管内，塑料排水板被砂和淤泥堵塞卡在管口，导致塑料排水板进入淤泥层后，打开口门，上提塑料排水板时自动带出，造成塑料排水板严重回带。经组织人员对现场试验区进行了调查分析，其结果见表1。

表1 塑料排水板未打设成功原因统计

由统计表数据绘成饼状图，更能形象地反映出其原因，见图1。

图1 塑料排水板未打设成功原因分析

由现场情况调查、统计表和饼状图可以看出影响塑料排水板施工的主要原因是地质因素、施工工艺和设备选择不匹配等，地质原因属于外界不可控因素，我们只有改进施工工艺、方法和机械设备。

3 原因分析

针对塑料排水板施工过程中产生的部分回带和整根回带问题，具体分析如下。

3.1 插管内壁粘结，导致全程回带

由于地下淤泥层承受一定的土压力，流动性极强，塑料排水板插管在伸入淤泥土层过程中，淤泥被挤进插管中，塑料排水板与插管内壁产生粘结，而粘结力远远大于塑料排水板自重与土体对塑料排水板的摩擦力的合力，塑料排水板无法留在土体中，造成错全程回带。

3.2 桩靴无法弹开，导致整根回带

由于土体自身的摩擦力比较小，当插管打设至既定深度上提时，因为桩靴和塑料排水板的重力不足以满足桩靴弹开的摩擦力，桩靴无法弹开，造成整根塑料排水板回带。

3.3 存在干硬土层，产生部分回带

在较浅且较为干硬的土层中打设塑料排水板时，因土体缺乏流动性，插管成孔上提后，土体中便直接形成了一个孔道，塑料排水板无法被土体夹住。只有当插管提至软塑性土层时，塑料排水板才能被土体夹住，最终导致塑料排水板发生部分回带。

4 对策制定和实施

根据上述存在的问题，为能将塑料排水板成功打设，主要从以下几个方面采取措施。

4.1 增设液压振动引孔专用设备

1）使用大直径引孔钻杆

针对施工区域地层存在的硬土层的问题，增加引孔工序。

在选择钻杆时，对不同钻杆直径进行了方案比选。对于φ100钻杆，优点是可穿透土层形成孔道，并可协助插板机完成施工。但插板施工时，套管与硬层间有摩擦阻力，不能顺利插入，套管需再次顺孔，施工不畅。同时，硬层穿透孔较小，成孔后淤泥不能及时将断层填充连通，排水效果差；采用φ150大直径钻杆引孔，可穿透土层形成孔道，协助插板机完成施工，硬层穿透孔较合适，成孔后淤泥能及时将断层填充连通，排水效果好，同时，插板机施工顺畅，设备间施工相匹配，空闲时间少。

最终采用φ150大直径钻杆引孔，成功穿透两层硬砂层，形成预设打板孔道，再进行塑料排水板打设施工时，可顺利地将塑料排水板插管深入到设计底标高位置。

2）增设液压振动引孔设备

液压振动引孔设备的引入，成功地穿透了两层硬质砂层，后续施工中塑料排水板可顺利插入，解决了硬质地层难以穿透的施工难题，保证了塑料排水板打设质量。

图2 液压振动引孔设备

3）更换大功率液压振动锤

开始塑料排水板打设施工时采用的是2 t震动锤，施工速度慢，工作效率低，常常因塑料排水板打设进度跟不上引孔施工进度，导致引孔设备施工闲置暂停，不符合机械设备配合作业协调性要求，严重影响了施工进度。

为提高塑料排水板工作效率，由常规的2 t振动锤更换为4 t液压振动锤，配合大直径钻杆引孔，振动力大，在硬质砂层土施工时，钻进速度快，垂直度高，大大的提高了施工效率，塑料排水板打设进度与引孔速度相匹配，缩短了机械中断时间，降低了施工成本。

图3 4 t液压振动锤施工

4.2 选用重型履带式插板机

虽然通常使用的钢轨式插板机具有位移迅速、稳定性好、对地基土表层扰动小等诸多优点，其主要在软土地基发挥它的优势[2]。但由于本项目排水板打设区域属于狭长结构，换排打设时钢轨式插板机移机浪费较多时间，且地表较为坚实，满足履带机械行驶条件，因此决定由重型履带式插板机代替常规的轨道式插板机进行作业，其主要优点在于运行灵活、拆卸方便、对桩准确、安全性高，在本工程中尤为适用。

4.3 改善施工参数

根据公式：

G插管内水自重+G桩靴及排水板自重+F土体摩擦力＞N插管上提对排水板摩阻力

从公式中的各项系数入手，通过采取措施改变已有参数，使其满足以上公式，从而解决了塑料排水板的回带现象[5]。

1）底部加坠沙袋，增加塑料排水板自重。

因塑料排水板底部含在淤泥质软弱土层中，无法依靠此层土质夹带。

开始打设施工时，在塑料排水板底部加坠了约1 kg重量的钢块，排水板完整地留在地层中，成功解决了回带这一难题。但由于每根排水板均需加坠钢块，且钢块与塑料排水板连接的吊环需要与钢块焊接加工，因排水板数量较多（共12 560根），加工成本和原材料的投入将会大大提高施工成本，因此方案不可行。

为降低施工成本，经讨论研究和计算，采用长度1 m直径5 cm的沙袋代替钢块，增加了塑料排水板的重量，有效解决了回带问题。

与加坠钢块相比加坠沙袋的优点在于：

①与加坠钢块施工效果相同，解决了回带难题。

②沙袋灌沙采用自主研发的漏斗形灌沙设备，操作简单，工人上手速度快，不需要专业人员。

③沙袋加工基本都在移机、运板等空闲时间完成，基本不需要单独安排制作时间。

④加坠沙袋方案大大降低了原材成本、制作成本和人工成本。

⑤从方案的便捷性和成本分析，方案可行，可大量用于施工。

图4 塑料排水板底部加坠沙袋

2）改进插嘴型式

插嘴由扁口改为圆口，并加口门板反扣封堵，改善了桩靴与插嘴处的密封性，解决了管口堵塞问题。

5 依托工程实效

5.1 成功验证

通过采取文中一系列的施工措施，施工完成后对本工程打设的12 560根塑料排水板进行检查，全部穿透硬层并打至设计标高，基本上杜绝了塑料排水板打设不成功的现象出现，保证了塑料排水板的施工质量。

5.2 工期保证

通过解决塑料排水板打设不成功的施工难题，一改工程停滞不前的状态，使塑料排水板打设得以顺畅进行，为保证节点工期提供了技术支持，并通过优选大功率的施工设备，大大提高了施工效率。通过24小时不间断作业，最终完成了工期目标，保证了工期。

5.3 经济效益

若塑料排水板打设不成功，势必将修改设计方案，采用其他（如沉管砂桩等）的处置措施以达到同样的地基处理效果。经过技术方案经济估算，采用本方案与沉管砂桩相比较，节约投资320多万元，缩短工期60天，经济效益明显。

5.4 社会效益

本文提出了多项排水板打设困难的解决措施，大都可直接进行复制用于类似工程。特别是首次提出了打设前先在桩位处进行引孔施工和打设时塑料排水板底部加坠沙袋措施，分别针对硬质地层和淤泥质地层有着显著的效果，为塑料排水板的成功打设起到了关键性作用，该措施在塑料排水板软基处理中拥有广阔的推广和借鉴空间。