干法下出料振冲碎石桩技术的应用及其环境效应

张金，曹中兴，姚军平

（1．中国港湾工程有限责任公司，北京 100027；2．中交水运规划设计院有限公司，北京 100007；3．北京振冲工程股份有限公司，北京 100102）

1 概述

加强节能减排，实现低碳发展，是生态文明建设的重要内容，是促进经济提质增效升级的必由之路。国家“十二五”开局之年，地基与基础工程行业的节能减排也备受考验。业内专家认为，在“十二五”节能减排新形势下，要实现科学有效的节能减排将依赖于经济发展方式的转变和节能技术的应用。据测算，技术进步对节能的贡献率达到40%～60%，因此，采用何种更为节能减排的新技术将成为发展中国经济的重中之重。我国2014—2015年节能减排工作指标为：单位GDP能耗、化学需氧量、二氧化硫、氨氮、氮氧化物排放量分别逐年下降3．9%、2%、2%、2%、5%以上，单位GDP二氧化碳排放量2 a分别下降4%、3．5%以上。

为了节能减排、低碳环保，经过环保因素、性价比等诸多参数的对比分析，对某10层民用房屋建筑的地基加固采用干法下出料振冲碎石桩施工工艺，取代了传统的钻孔灌注桩桩基础结构形式。在工程后期评价中，振冲碎石桩更是以其绿色、环保、低碳的优良环保性能获得一致好评[1-3]。

2 工程背景

2.1 地质条件

研究工程为10层框架结构的民用建筑，本工程地层条件分为3层，地下水位为地表以下5～6 m，研究区地层及SPT强度情况如下：

1）回填土，深度0～1 m，N30为5～10击。

2）淤泥质砂土，厚度为10～15 m，SPT锤击数 N30为 5～20 击。

3）密实的淤泥质砂土或含砂淤泥质土，厚度为 15～30 m。

2.2 基础结构形式的选择

本工程对于复合土体承载力设计值的要求为150 kPa。方案选择时，根据建筑物的结构形式及重要性，设计在部分区域基础加固采用了钻孔灌注桩基础，部分可能存在液化的区域采用了干法下出料振冲碎石桩作为地基加固方案[4]，其设计目的在于：

1）提供足够的承载力。

2）防止潜在的砂土液化。

3）限制建筑物不均匀沉降。

3 桩基设计及施工

3.1 振冲碎石桩设计

根据JGJ 79—2012《建筑地基处理技术规范》进行振冲碎石桩的设计[5]。经计算，设计参数为：桩径φ500 mm，桩长约8～12 m，布桩形式为正三角形2 m，置换率5．67%，桩位允许偏差±150 mm，直度偏差不大于1/20，碎石骨料粒径为20～50 mm，施工平台高程+2．5 m。

3.2 施工工艺及方法

本项目采用干法下出料振冲碎石桩施工，干法下出料振冲碎石桩技术是采用顶部的压力仓输料系统、辅助一定压力的压缩空气在振冲器底部出料的一种干法作业的振冲碎石桩施工工艺，是一种新型的振冲法软基加固技术[1-3]，干法下出料振冲碎石桩施工原理图见图1。

图1 干法下出料振冲碎石桩施工原理图Fig.1 Construction schematic of dry bottom feeding vibro-replacement stone column

其主要工作原理如下：

1）经提升料斗或砂石泵将石料输送至振冲器顶部料仓。

2）维持一定风压与风量，压迫底部料仓内的石料经导料管输送至振冲器底部。

3）通过上部料仓系统维持振冲器底部连续、不间断的供料过程。

4）重复上述工艺循环，形成连续密实、干净的桩体。

本工程的振冲碎石桩工程量为1 700根，处理面积5 900 m2，累计18 000延m，投入1台干法下出料振冲设备，施工工期2个月。

4 施工质量检查及控制

采用干法下出料振冲碎石桩施工期间，为了对施工质量进行全过程的监控，施工采用了振冲自动监控及记录系统对深度、电流值、时间、填料量、垂直度等相关参数进行了控制。通过全过程的施工参数控制，确保振冲碎石桩的工程施工质量[6-9]。

施工完成后，通过平板载荷试验对复合土体最大设计荷载下的沉降进行了试验，载荷板1．5 m×1．5 m时单桩的最大承载力为113 t。本工程典型的载荷试验曲线图见图2。

图2 典型单桩载荷试验曲线图Fig.2 Curve of typical single pile load test

5 环境效应

通过前述分析可见，从技术角度采用振冲碎石桩方案的优越性显而易见，但还需要对环境影响因素做定量的分析比较才能够从环保的角度推荐采用振冲碎石桩施工方案。国际上通行的办法是对振冲碎石桩和常规的钻孔灌注桩实施全过程所产生的CO2排放进行比较。以下就本项目不同地基加固工艺时的CO2排放进行计算。

5.1 计算考虑因素

所有用于生产的主材均应考虑计算CO2排放，用于生产活动的所有柴油消耗的CO2排放需考虑计算，计算内容包括：

1）干法下出料振冲碎石桩的油耗为2．5 L/m。

2）钻孔灌注桩的油耗为8 L/m，包括钢筋笼制作及安装、混凝土等。

3）在钻孔灌桩工艺中需要潜水泵及清水泵，而干法下出料振冲碎石桩不需要。

4）材料运输过程中所产生的CO2排放，2种工艺均忽略不计。

5）施工过程中，钻孔灌注桩混凝土损耗率为15%，振冲碎石桩中碎石的损耗率为20%。

5.2 CO2排放的对比计算

根据相关国际标准，不同的材料CO2排放值见表1。根据本工程上部结构荷载需求，振冲碎石桩和钻孔灌注桩2种设计方案的工程量对比见表2，生产过程中的材料消耗量及产生的CO2排放值对比计算见表3。

表1 各种材料CO2排放值估算Table 1 Estimation of CO2emission values of various materials

表2 钻孔灌注桩和振冲碎石桩的设计工程量对比Table 2 Comparison of design engineering quantity between bored pile and vibro-replacement stone column

表3 两种工艺材料消耗及CO2排放值的对比Table 3 Comparison of two process material consumption and CO2emission values

从表3可以看出，采用钻孔灌注桩时CO2排放值为1 249 t，而采用干法下出料振冲碎石桩时CO2排放值仅为160 t，比钻孔灌注桩CO2排放值减少87%。

5.3 其他环保性能和特征

干法下出料振冲碎石桩与钻孔灌桩桩工艺相比而言，还具有如下优良的环保性能和特征：

1）可二次开发利用的地下空间：采用碎石桩进行地基加固后，被加固的原位土体可二次开发利用，不会留下任何障碍物或地下设施。振冲技术是在原位土体中挤密或外加天然碎石的复合地基处理方法，无疑对地下空间的二次开发及利用提供了方便与可能性。

2）天然的原材料：振冲技术所采用的原材料为天然碎石，无需钢筋、水泥、混凝土，成本低、功效小、碳排放低。

3）节约水资源，减少水资源污染：干法下出料振冲碎石桩技术，采用干法施工，无需用水、化学泥浆。节约水资源，且极少造成水资源污染，基本不需要处理废渣或废水。

4）有限的土壤污染：对于地表不允许水冲刷的地区，或诸如泥炭土，流态土体在遇水进一步恶化的条件下，采用干法底部出料振冲碎石桩技术，无论从质量上还是环境保护方面都有着巨大的优势。

5）最大限度利用原状土承载力：由于其工艺本身优良的特点，在干法下出料振冲碎石桩施工过程对原状土的扰动小，更利于发挥原状土的承载力。

6 结语

1）本工程后期检测中，在进行载荷试验时，500 kPa载荷板试验沉降量仅为15 mm。复合土体承载力完全能够满足上部结构所需要的150 kPa承载力。

2）通过对该工艺方法的综合论证和计算结果，干法底部出料振冲碎石桩不论是从经济效益、碳排放量，还是工程效果等方面，均是一种新型的绿色环保施工工艺方法，应大力推广。

7 展望

填海造陆是海岸带、岛国解决日益严峻的“土地赤字”，扩大生存和发展空间的有效途径。为最大限度地避免填海造陆工程对海洋环境造成影响，挖泥疏浚、抛石造堰的传统填海方法正逐渐退出历史舞台，取而代之的是新型的填海方法——干法下出料振冲碎石桩与格型钢板桩的结合。港珠澳大桥、南沙诸多人工岛填海、日本关西机场、羽田机场等就是采用干法底部出料振冲碎石桩以及其它工艺提供堤堰基础的，采用格型钢板桩形成海堤“铜墙铁壁”的填海方法。完全避免了挖泥疏浚、抛石造堰对海洋环境造成的影响。从某种意义上讲，填海造陆将进一步促进我国振冲技术的发展。