水上沉管法碎石桩软基加固在港口工程中的应用

徐瑞宝+章途鑫

摘 要：根据温州港状元岙港区围垦（第三施工段促淤堤）工程的水文、地质及施工环境等因素，工程堤基采用水上振动沉管法沉设碎石桩进行软基加固，通过先进的施工方法和严格的质量控制，达到了阶段性的处理效果。该施工工艺在我国尚首例，通过该工程的顺利实施，施工工艺已趋成熟，为今后水上软基加固处理开辟了一条新途径和类似工程施工提供参考。

关键词：软土地基 水上振动沉管法 施工应用

1.工程概况

温州港状元岙港区围垦（第三施工段促淤堤）工程，分北侧潜堤和西侧潜堤，北侧潜堤长约1350m（桩号K1+850～K3+200），西侧堤长约650m（桩号K3+200～K3+850）。根据勘察成果及区域地质资料，区内分布约有3～70m厚的第四系松散沉积物，上部约25～40m系海相沉积的淤泥、淤泥质粘土，具有厚度大、含水量高、孔隙比大、强度低、灵敏度高、渗透性低等特点，中部为湖海相的粘土，下部基岩。

本工程堤基加固采用碎石桩工艺，加固面积约13.6万m2。碎石桩采用分区加固，置换率分别为20%及15%，桩径1m，采用梅花形（等腰三角形）布置，本工程共布置碎石桩30644根。

2.软土地基碎石桩法的加固原理

碎石桩施工时，振动沉管的强烈振动使土粒间的平衡发生破坏，孔隙水压力升高，饱和粘土强度降低，待孔隙水压力消散后，重新形成稳定的平衡体系，土的强度得以恢复并提高。

密实的碎石桩体替代了与桩同体积的软弱饱和软粘土，因碎石桩的强度和抗变形的能力均优于原状土，所形成的复合地基的承载力比原来天然地基土高，沉降量比原天然地基土小，从而提高了地基的整体稳定性和抗破坏能力。

同时，碎石桩体成为饱和粘土孔隙水的良好排水通道，缩短了排水距离，孔隙水压力得到有效缓解，加速土层排水固结，增强粘土强度，减少由剪切变形引起的沉降。碎石桩加固饱和软粘土地基起到置换和排水固结的作用，实质是把天然地基变成由密实的碎石桩和桩间土组成共同工作的复合地基。

在深厚的饱和软粘土中，碎石桩形成悬浮体，与桩间土共同组成厚垫层基础，起到分散上部荷载的作用，从而达到提高地基承载力的目的。

3.施工方法

3.1施工工艺

根据地质情况和设计碎石桩的置换深度，本工程碎石桩需穿透1-3淤泥层，根据施工区域的水深条件，沉桩采用水上振动沉管一次拔管法成桩工艺。

3.2施工设备

为确保工程按期完工，在船机设备配备方面给予保障，加大机械化施工程度，提高生产效率。配备足够的施工船舶承担施工材料运输；同时，配备备用发电机（船）承担水上施工现场的供电，保障工程正常施工。

3.3测量定位

现场架设高精度GPS并设参考站，采用船载的GPS卫星定位为主，常规定位为辅，确保工程质量满足设计要求。施工前把每根碎石桩的桩中心坐标，输入控制系统，控制沉桩定位的精准度。碎石桩船抛锚就位在沉设碎石桩施工分区适当位置后，测量人员和施工员指挥碎石桩船移位，达到理论计算位置，校核准确后，收紧锚缆，即开始沉管。

3.4碎石樁成桩试验

正式施工开始前，在位于潜堤轴线外侧40～55m范围选取150m2作为成桩试验区，在试验区内选取40根碎石桩进行成桩试验。成桩试验后召开专家会议，确定合理的碎石填充量（充盈系数）、套管升降幅度和速度、套管往复挤压振动次数、振动器振动时间等施工参数，保证桩身连续性和密度均匀。

3.5沉管及停锤

松钢套管吊钩，压锤，套管停止下沉后开启振动锤，在振动锤的激振力作用下，把下端设有活瓣钢桩靴的钢套管打入到设计要求的标高后，沉管时要保证钢套管垂直，桩管水平偏位要满足设计允许偏差值。

碎石桩沉管停锤以设计桩底标高控制为准，沉管时注意观测套管下沉速度，当套管下沉速度突然减缓乃至停止下沉，表明套管已进入粉质粘土层，继续振动60s碎石桩管下沉量在30cm以内即停锤，已满足设计标高的要求。3.6灌碎石

根据碎石桩实际的入土长度计算需要灌碎石的理论量，而后乘以平均充盈系数1.28（充盈系数是通过碎石桩成桩试验成果确定）得出需要灌碎石的实际用量。用吊车把碎石料吊至碎石桩船上的集料箱内，再用皮带机运至计量料斗内，提升计量料斗，开启阀门灌至钢套管中，一次性加满碎石料。若一次性加满料仍不能满足实际用量，则应二次加料。

如出现上料斗的碎石料不易进入钢套管内时，我们在碎石桩船提升料斗侧面设置附着式振捣器，在下料时开启振捣器，振动上料斗，使碎石料能顺利进入套管内。

3.7拨管

根据成桩试验拔管速率控制在1.8m/min左右，上部提升适当放慢。振动器自拔管开始即打开，一直到套管提离泥面，以保证碎石桩的密实度及碎石桩与砂被垫层的连通，然后再将套管往上拔出砂被垫层顶面。

4.施工质量控制

4.1原材料质量控制

碎石桩碎石料采用未风化的干净砾石或扎制碎石，粒径宜为2cm～10cm，粒料级配不应采用单级，含泥量不大于5%，且不得含黏土块。

4.2对碎石桩位置的控制

沉桩施工主要采用GPS定位，在桩位满足设计要求后再下桩，确保桩位的准确性。下沉套管时，套管在水面处的平面位置偏差不超过±10 0 m m，桩顶标高不超过±10 0 m m，套管垂直度不超过±1.5%，成桩直径不小于设计桩径的5%，并不宜大于设计桩径的10%。成桩后将按照0.25%的检测密度对完成沉设的碎石桩进行复核检测。

4.3对碎石桩的桩长的控制

碎石桩施工沉管时，注意控制套管的入土深度。确保套管能够达到设计深度。根据船上的检测仪器，记录碎石桩底高程。

4.4对碎石桩密实度的控制

通过控制碎石桩输碎石管的拔管速度，控制碎石桩振动器的振动，控制好碎石灌入速度，根据现场实际总碎石灌入量，来保证碎石桩的密实度。具体数据通过试桩的数据确定。

4.5施工顺序和施工速率控制

根据施工进度安排，将采用两条碎石桩船同时进行施工。碎石桩施工顺序从中间开始，向两端或者四周进行，施工过程中，合理控制施工速率。施工中一旦发生串桩现象，及时分析原因，及时采取相应的补救措施，如重新振密、补桩等。

5.碎石桩的质量检测

软土地基加固后的复合地基承载力、变形特性与加固方法和施工质量关系密切，因此施工过程中和施工后的质量检测对工程建设的成败至关重要。2012年3月4日至2013年5月24日分3次对温州港状元岙港区围垦（第三施工段促淤堤）工程碎石桩施工区域进行了现场动力触探试验N63.5（共计 72 组）。

5.1碎石桩长检测

碎石桩的桩长关系到地基处理深度和复合地基承载力，施工期桩长检测是工程质量控制的关键。通过对碎石桩施工区域72组N63.5动力触探现场试验连续贯入法，检测桩体长度，以锥头贯入时遇土后的深度即为桩底深度。

5.2碎石桩桩身连续性、桩身密实度检测

通过对碎石桩施工区域 72 组N63.5 动力触探试验，根据《港口工程碎石桩复合地基设计与施工规程》（JTJ246-2004），受检碎石桩的N63.5 锤击数除个别为9.5击，大部分在10击以上，最大锤击数达到16击。可以判定受检碎石桩桩身连续、无断桩，平均值大于于 10 击，桩身密实。

5.3碎石桩桩间土地基检测

根据设计要求，桩間土处理效果的检测在潜堤施工阶段不执行，但在后期围堤身加高前应对桩间土处理效果的进行检测，检测点选在预埋钢套管位置。沿第三施工段堤身轴线共布置10个预埋钢套管。检测方法采用标准贯入或十字板剪切试验等原位试验方法进行，也可采用室内土工试验方法进行。

6.结论和建议

温州港状元岙港区围垦（第三施工段促淤堤）工程，采用水上振动沉管法沉设碎石桩进行软基加固，达到了阶段性的处理效果，该工艺在我国尚属首例。通过该工程的顺利实施，施工工艺已趋成熟，为今后水上软基加固处理开辟了一条新途径和类似工程施工提供参考。

目前，温州港状元岙港区围垦工程第三施工段仅完成促淤堤部分（国家85高程+0.2m），建议在温州港状元岙港区围垦工程第三施工段围堤堤身全部完成后，及时做好桩间土处理效果的检测工作，以进一步检验该工程的软基的处理效果。

参考文献：

[1]港口工程碎石桩复合地基设计与施工规程.JTJ 246-2004，北京：人民交通出版社，2004.

[2]中华人民共和国交通运输部.水运工程质量检验标准.JTS 257-2008，北京：人民交通出版社，2008.

[3]施立军.温州港状元岙港区围垦工程碎石桩施工方案，2011，10.

[4]上海港湾工程质量检测有限公司.温州港状元岙港区围垦（第三施工段促淤堤）工程碎石桩检测报告，2013，06.