基于振冲密实法地基处理工艺下耙吸船吹填砂料质量控制

郭小兵+张涛

【摘 要】振冲密实法具有固化快，工效高和成本低的显著优势，但因其特殊的工艺，对地基填料提出了很高要求，一般适用于处理黏粒含量小于10%的中砂、粗砂地基。疏浚吹填陆域形成过程中，填料的质量是地基处理效果关键影响因素。以科威特LNGI疏浚回填工程为例，根据高标准地基处理工艺，借助理论和实践相结合的方式，总结了一些耙吸船施工工艺下砂料质量控制和砂料改良措施，保证了地基处理效果并取得理想的成本效益。

【关键词】振冲密实法；耙吸船；回填砂料；质量控制

一、工程概况

科威特LNGI疏浚吹填工程位于波斯湾，延海岸线吹填形成约45万m3液化天然气存储灌建设用地，吹填总量约为1135万m3，地基采用无填料振冲工艺进行地基加固。工程疏浚区土层从上到下分布为钙质岩帽，贝壳类土，中粗砂层，其中吹填区表层钙质岩帽和贝壳类土清表至-11至-13.5m，然后回填至+4.5m至+7.0m，地基处理厚度15.5m至20.5m；砂源区清表至中、粗砂层，清表厚度5～8m。其中清表疏浚由绞吸船和耙吸船联合施工，表层硬质岩帽层由绞吸船开挖，接近合格砂料层由耙吸船清挖。吹填施工吃水限制深度下由中型耙吸船底抛抛填，表层由绞吸船吹填（短运距砂源区）和耙吸船接管艏吹（长运距砂源区）。

二、质量控制风险源分析

1.根据工程地质钻孔资料，砂源区表层为钙质岩帽和贝壳质土，该类钙质土即便适于振冲，但相比硅质砂土具有较大的可破碎性和可压缩性，尤其是在高压力应力状态下蠕变速率较大，会导致地基处理后产生较大的工后沉降。

2.砂源区钙质土层下为硅质砂土层，颗粒级配不均匀性好，为可用做回填料，但原状土层普遍存在10%至30%的细颗粒含量（粒径小于0.075mm）。细颗粒在取砂过程中扰动，大量进入吹填区后在水力作用下重新分布，易在静置条件下形成富集土层，该类土层振冲效果不明显。

3.砂源区表层广泛存在的钙质岩帽和下层存在砂岩，因其强度加大，疏浚开挖过程中难以破碎为细小颗粒，部分会由挖泥船回填至吹填区。该类填料强度值较高，本质为合格砂料的聚合体而对地基强度不会造成大的影响。但在振冲工艺中，大粒径颗粒富集容易造成振冲头成孔困难，从而严重影响振冲效果甚至造成设备损坏。

三、质量控制标准

该工程验收标准为：地基承载力不小于200kpa，水面以上95%压实度，水面以下要求90%压实度，且10年工后沉降不应大于25mm。

基于验收标准，无填料振冲工艺特性和工程地质资料，针对耙吸船回填施工，标准[2]如下：

1.细颗粒含量FC（小于0.075）应小于15%，振冲适合性指数SN小于50；

2.地基处理深度范围内碳酸盐平均含量低于20%；

3.不得出现大于125mm粒径颗粒富集。

四、质量控制及优化措施

（一）大粒径岩块含量控制

砂源区表层钙质岩帽破碎后难以做到全部移除，部分始终残存在海床面，同时砂层中存在胶结砂，耙吸船装舱物中，大粒径岩块占有一定比例。通过观察并结合工程经验，钙质岩帽和胶结砂因空隙存在，其平均密度小，装舱过程中，装舱物在强大水流作用下呈“沸腾”状态，静置后多遍布在泥舱入流口附近表层，易于观察。同时，通过岩块撞擊管壁声音，也可判断装舱物岩帽含量。

舱内岩帽无法筛选移除处理，通过艏吹则极易造成抽仓隧道堵塞，影响吹填效率。对于舱内出现富集的岩帽块，采取底抛抛填工艺，并分散抛卸至吹填区下层，最大限度“散布”岩块，降低对振冲施工的影响。

（二）钙质土含量控制

根据钻孔资料，以不同破碎程度贝壳为代表的钙质土分散于岩帽层以下，其与砂层界限随区域变化存在差异。根据破碎程度较高，可振冲性良好的钙质砂土，基于设计文件要求进行钙质含量测定和压缩性试验，建立临界状态下标准试样，作为耙吸船清表疏浚不合格材料界定的依据，质量控制采取对照观察和抽样验证结合的方式。

开工前，根据钻孔资料划定不同分区清表底标高，清挖过程中当接近该标高时，密切关注土质变化并逐层均匀浚深。装舱过程中从分流口处实时取样，驾驶台记录取样位置和深度，可精确获得某一深度和位置土质情况（疏浚物在吸泥管运动时间通过流速和其长度估计，然后通过船舶对地航速和DTPS轨迹推算取样位置）。通过实时连续性取样分析，可精确掌握土质情况，对于浚深至合格砂料层避免走线，集中开挖不合格材料区，避免超挖。同时，满载后装舱土质取样分析，判定是否满足回填要求。可作为填料的钙质砂土，通过耙吸船装舱底抛工艺[3]抛填，集中抛卸至吹填区底层。

（三）细颗粒含量控制

基于设计文件要求，采用 Brown [4]的可振冲性指数对回填料进行初步的判定。可振冲性指数 SN 计算公式如下所示：

其中D50 、D20、D20根据振冲级配曲线获取。不同 SN 值代表回填料可振冲性容易程度不一样，SN值越小，代表回填料越容易振冲，且越容易满足振冲密实度要求。基于SN值的可振冲评价表如表1。

通过取样样品上述方法用于细颗粒含量及可振冲性控制，耙吸船取砂吹填过程中，进行取样级配试验评定砂料质量。细颗粒含量一般可直接测得，可振冲性系数通过计算获取。

耙吸船挖砂装舱过程，土体扰动吸入装舱，舱内土体混合重组，溢流静置，形成新的土体分布，在抛或吹填的过程中再次混合，进入吹填区再次形成新的土体分布。利用上述特性，施工过程中通过对细颗粒含量监控，一方面评定砂料是否合格，另一方面通过调整抛或吹填位置，让土体实现均匀分布。

1.砂料取样评估。

耙吸船装舱过程，通过入流-溢流水力作用，不同粒径在舱内分布规律不同，一般在入流口（分流门）至溢流口间，水平方向上砂颗粒随着水流依次减小，并在溢流口附近易形成细颗粒富集，竖直方向底层砂颗粒粗，表层砂颗粒偏细。施工过程中取样，根据舱内颗粒分部程度，在舱内不同位置提取6个代表性砂样，充分混合后进行砂料级配试验。根据试验级配结果进行分类和评估，对于级配曲线落在A、B区的评定为优质砂料，落在C区的评定为一般砂料，落在D区的评定为不合格砂料。优质填料可定点抛填填或艏吹吹填，一般砂料分散抛填且避免抛卸至底层，不合格材料不用作填料而外抛处理。endprint

由于上述级配试验耗时较长，通常通过级配试验建立标准试样，取样对照观察。

2.耙吸船工艺下减小细颗粒含量措施。

（1）分区分层开挖

疏浚取砂过程中，耙吸船开挖砂源区宜采用分区逐层浚深开挖，确保施工效率不受限制的前提下，小范围开挖取砂。砂源区小范围内砂质特性变动一般相对较小，分层分区开挖有利于相同类土的集中处理。

（2）逐级调整溢流

耙吸船装舱过程中，随着舱内水面漫过溢流口，粗颗粒沉淀，粉、黏粒随溢流部分溢出。开始装舱时，将溢流口设置在较低高度，尽快实现溢流，减少开始溢流前细颗粒的沉淀。随着装载量增加，逐级提升溢流口高度，装舱过程中和满载后降低溢流释放浊液。通过装舱过程中溢流位置调节，增加溢流损失，粉黏颗粒最大限度的排出。取样试验结果测得，溢流口处样品细颗粒平均含量约为7%，远低于控制标准。

（3）优化抛填顺序

回填过程中，土体抛填过程实现土体第二次混合，细颗粒在水力作用下重新分布在吹填区静水区域形成回淤层。回淤多集中在围堰边角、有掩护区域或水深较大区域。首先吹填边角等无法实现底抛抛填的区域，抛填顺序宜由内向开敞水域推进逐层抛卸，抛卸形成浅区尽量平整。对于一般砂料，宜在中上层散抛，避免富集。

五、质量控制效果及效益分析

钙质砂土的精确监控，避免了超挖造成合格材料的流失，缩短了清表工期、节约了船机使用成本和砂料。

细颗粒含量监控及降低措施，细颗粒（粒径小于0.075mm）含量均低于5%（见表2），耙吸船吹填相比绞吸船吹填造成吹填区回淤强度大大降低，清淤频率仅为绞吸船的1/3， 船机使用成本节约明显。

根据振冲前CPT试验检验结果，未出现细颗粒夹层和不适于振冲类土层，振冲施工未出现大颗粒岩块造成的成孔困难，地基处理效果满足该项目技术标准要求。

六、结束语

通过一系列质量监控措施，为耙吸船抛（吹）填施工提供指导，使偏差砂料和优质砂料的有机混合，实现填料的改良，经济效益显著。

耙吸船在疏浚吹填料细颗粒控制方面特别具备优越性，并能通过溢流调节等措施实现砂料进一步改良。

耙吸船施工的实时取样监控，实时掌握砂源区土质随层变化情况，对不合格材料清表移除超挖控制有利。

参考文献：

[1] 龚晓南，地基处理手册（第三版），北京：中国建筑工業出版社，2008.

[2] Design Report – Reclamation and Ground Improvement，Engineering， Procurement， Construction， Pre-Commissioning， Commissioning， Start-up and Performance Testing of Al-Zour LNG Import Project， Kuwait

[3] 王谷谦，疏浚工程手册，上海航道局.

[4] Brown， R.， Vibroflotation compaction of cohesionless soils [J].Journal of Geotechnical Engineering Division. ASCE， 1977. 103（GT12）： 1437-1451.endprint