振冲置换地基处理技术在港口工程中的应用分析

2023-03-02袁逸凡宁波中交水运设计研究有限公司

珠江水运 2023年2期

◎ 袁逸凡宁波中交水运设计研究有限公司

港口工程中的重要处理步骤之一为地基处理，为了增强地基处理效率，当前探索出了多种地基处理技术，其中的重要技术之一为振冲置换地基处理技术，在港口工程软粘土、松砂地基的处理方面具有显著的运用优势，工程开展较为方便，设备运用较为便捷，当前在很多港口工程设计中被广泛应用，地基处理效果良好。

1.振冲置换地基处理技术

我国很多港口工程地质为松、软土地基，压缩性大、物理力学强度低、抗震性差，不满足工程开展条件，要求予以处理，保证港口工程地基施工的稳定性与稳固性。当前我国地基处理技术快速发展，形成了振冲法、置换法、预压法、强夯法、水泥深层搅拌法等，形成了复合施工理念。振冲置换地基处理技术运用中利用振冲碎石桩进行地基作业。港口工程地基处理具有其自身特性，由于施工条件的限制等因素的影响，工程地基处理方法较少，振冲碎石桩则运用效果显著，在港口软土地基处理中具有显著的应用效果[1]。振冲碎石桩采用了振动施工工艺，能够有效加固地基，作业过程中，采用冲击、振动、水冲等方式在港口工程软土地基中挖孔设计，处理完成之后将碎石挤压入土孔，进行重复填料与振密，碎石构成的密实桩体。此时港口工程建筑物及荷载由振密与碎石桩土体共同承担，显著提升了软土地基的承载力与稳定性，避免沙土振动液化[2]。

2.工程概况

本文研究选择某港口工程，防波堤兼码头223m、顺岸码头106m、港外护岸67m、港内护岸63m。

该工程上部覆盖层包括淤泥质粉质粘土，平均层厚6.12m，揭露层厚0.50m～0.80m，粉质粘土平均层厚2.00m，中风化片麻岩层顶高程-4.00m～-27.90m，细砂平均层厚2.61m。前沿顶高程3.5m，底高程-13.0m。工程墙身为预制钢筋混凝土沉箱。码头地基采用振冲碎石桩结构，振冲碎石桩桩径为1.4m，桩距为1.8 m。

采用三角形布桩。上部抛填10～100kg块石作为抛石基床，基床厚度为2.5m，基床斜坡及肩部护面块石采用60～100kg块石。沉箱座落于抛石基床上，沉箱两侧均带趾，趾宽1m，沉箱底宽15m，高13.8m。横向为三格、纵向为四格，前、后壁厚度均为0.45m，底板厚0.50m，沉箱内抛填10～50kg块石。沉箱上为现浇砼胸墙，高3m。[3]。

3.振冲置换地基处理技术在港口工程中的应用

3.1 振冲复合地基测试

依据《建筑基桩检测技术规范》、《建筑地基处理技术规范》中的相关规范进行地基测试，开展重型动力触探、静载荷试验、标准贯入试验，选用的检测仪器有DPPl00型油压钻机、JCQ-3型载荷试验机、SSY-2B油泵等，检测结果见表1。

表1 载荷实验记录表

对沉箱沉降过程进行探讨与论证，在不同阶段呈现不同的表现，早期主要表现为大速率沉降现象，之后逐渐趋于稳定，在完成胸墙浇筑工作之后，出现急剧沉降现象，之后继续表现为较为平稳的状态，8#沉箱的沉降表现是较为突出，集中体现了这一变化规律。

将各个观测点的沉降曲线进行统一分析，将起始点均移动至从零开始，观测点沉降历程以一条曲线进行集中表示，横轴单位为天，纵轴为某个时刻观测点高程数值。分析沉箱4#～12#观测点沉降情况，最小沉降为10#沉箱的港内侧，最大沉降发生于4#沉箱海侧，累计沉降665mm。沉降平均值为0.506m[4]。见图1。

图1 沉箱实测沉降曲线

3.2 冲碎石桩复合地基设计工艺

此工艺运用过程中，在地基中间位置打造了一个碎石桩体，由桩间土体承担础自重及承担部分荷载。与天然地基相比，振冲碎石桩复合地基具有相对更高的承载力，在港口工程建设完成之后能够显著减少地基沉降。要求进行精准设计与控制，精准确定桩位，在振冲碎石桩施工过程中要求及时将振冲器吊起来，利用振冲器移动至确定的桩位位置，潜水电机作业过程中产生高频振动，振冲器也容易产生相应频率的振动。振冲器端部位置能够喷出高压水，逐渐没入土中设计的深度。及时清理孔内位置，并尽快将孔内填入石料，利用机器振冲处理，以达到设计要求[5]，见图2。

图2 振冲碎石桩施工示意图

3.3 振冲碎石桩复合地基破坏形式

当前在具体设计过程中采用的地基处理方式主要包括整体刺入破坏、剪切破坏、挤胀破坏三种。若碎石桩长度小于碎石桩直径的4倍，桩底支承土刚度数值不大，容易出现刺入破坏现象，桩端部刺入地基土现象较为突出。施工中若桩长大于这一数值，则不易出现刺入破坏现象。若工程具备足够大的边载，或者基底面范围直径适宜，一般不会出现整体剪切破坏现象。挤胀破坏在振冲碎石桩复合地基施工中则较容易出现。碎石桩本身粘聚力较为有限，主要承受的力为桩周土体对桩体的约束力，最终完成桩体成形。在施工深度加大的情况下，桩周土体约束力相应增加，桩体挤胀破坏的发生几率相应降低，因此若出现挤胀破坏，则主要发生在桩体上端位置，对此应当及时采取相应的应对措施[6]。

3.4 振冲桩设计

为了得出精准的振冲碎石桩复合地基沉降数值，在测算作业中要求适当压缩模量取值，主要考虑的影响因素为振冲对土性的影响，容易出现压缩模量的变更。

结合基于置换与土体性质改变，及时修正压缩模量。本工程内侧部分采用直立式沉箱结构型式设计形式，对工程地基进行必要的相关处理，及时清除表层高程-8.50m以上的淤泥，该高度以下的土层设置正三角形的振冲碎石桩，桩体中心间距设置为1.8m，碎石桩桩体直径设置为1.2m。碎石桩在作业过程中需要穿过淤泥质粉质粘土、淤泥等土层。作业中将桩体深入持力层1.0m位置。成桩后设置超过1.0m的碎石垫层，作业开展过程中该工程采用现浇胸墙结构、预制混凝土沉箱结构，结合该工程具体设计情况进行一定调整[7]。

沉箱后抛填块石棱体。振冲碎石桩作为一种隐蔽工程，在外观检测层面存在着一定的难度，地基加固效果容易受到桩体本身质量的影响，因此在施工中要求全面检查进场材料，保证材料质量符合港口工程实际施工要求。重点检测指标为填料的粒径、含泥量及强度等。依据施工要求进行测量放线，保证桩位标识应明显、牢固，结合实际情况反复进行检查与调整，确保符合实设计要求[8]。见表2。

表2 各观测点最终沉降量

将观测到的实际数值代入计算公式之中，该港口工程桩径冲刷沉降测算公式如下：1400×（1-0.549）=631 mm，港口工程面积置换率0.549，若采用地基处理规范算法，复合地基最终沉降数值663.86mm。与实测值665mm对比，偏小0.2%。运用天然地基算法计算，复合地基最终沉降695.62mm。与最终测试的实际情况相比，计算数值偏大4.4%。综合对比两种计算方法，采用复合地基规范管理方式。

3.5 沉降监测及地基检测

本工程试验段设置了两个沉箱，用于收集现场实际数据进行测量与分析，计算该港口工程深层水平位移观测数据、堤身沉降观测数据、土压力数据。利用实际测量数据，得出具体的观测结果，对实际工程作业方式进行优化设计与管理，在具体作业中保证堤身及护岸的稳定性。联合利用多种方式增强沉降观测的科学性、全面性，针对不同的位置断面，采用不同的观测手段，保证获取需要观测的各项数值，对整体情况进行全面监测，得出堤身断面总体沉降情况。在断面方向，每个断面选择5个观测点。开展动力触探试验，观测工程振冲碎石桩及桩间土数值，联合采用GPS-RTK定位技术，针对桩位进行动力触探数据检测[9]。

对细砂层土层情况进行综合检测，运用2m检查提钻判断设计是否满足实际要求，重点观测孔口泛浆情况，综合分析是否存在砂浆泵运转现象。结合实际施工情况，适当增大上拔力与水压，以此预防施工中可能出现的气冲、水冲现象。进行水冲作业，开展提锤清孔工序，设置120m·min-1拔管速度，将3m3石料投入孔内之中，运用振管插至孔底，以此使得孔底填料密实度。保证工程施工中造孔垂直度偏差小于等于1.5%，密实电流不宜选用振冲器接触填料瞬间电流。上部桩体直径设置为1.3m，设计中对抽插振动头进行及时调整，抽插高度设置为1.0m，使得吹填区桩体密实度能够符合港口工程实际作业要求。在成桩超过2天之后进行检验，自检数量要求超过桩数的2%。成桩工序完成之后铺500mm厚碎石垫层，碾压垫层以增强密实度。运用40工带振压路机振压，及时排出地基土水分，促进土的固结，使得上部载荷均匀分布，保证沉降均匀化[10]。