水下挤密砂桩加固软土地基的技术研究

1离岸深水港口建设关键技术研究课题之七水下挤密砂桩加固软土地基的技术研究报告简本1引言随着全球经济与集装箱运输业的高速发展，海港码头向离岸、开敞、深水海域发展已经成为必然的发展趋势。伴随着外海筑港，人工岛的建设也向深水区推进，地基加固已成为外海筑港交通建设中必不可少的施工技术。为了处理人工岛的软弱地基，必须大量使用各类地基处理技术，而水下挤密砂桩与传统地基处理方法相比具有独特的优势——加固效果明显，可以快速提高地基承载力，因而可以快速推进施工进程，缩短工期，为软弱地基上建造重力式结构创造了条件。因此水下挤密砂桩在外海筑港及人工岛建设中具有非常明显的优势。然而目前国内工程界对水下挤密砂桩的设计计算理论、施工工艺与参数、施工质量控制及检测方法等诸多环节认识和掌握的不够透彻，水下挤密砂桩在国内的应用受到了极大的制约。为了加快外海深水筑港技术进步，开发外海工程地基加固施工新技术，开展水下挤密砂桩技术的研究具有十分重要的意义。为了掌握这一新的应用技术，中交第三航务工程局有限公司几年前试图从国外引进全套设备与相关技术，但由于国外对其关键技术的保密，增大了对水下挤密砂桩技术掌握的困难性。在前期研究中，三航局自行开展了一些试验研究工作，具有了一定的技术基础，但仍有一些关键性技术问题亟待解决，需要进行更深入的研究。本项目合同要求的主要研究内容包括以下四个方面：1.水下挤密砂桩施工设备的研制与开发2.水下挤密砂桩施工工艺及参数研究3.水下挤密砂桩加固软土地基效果试验研究4.水下挤密砂桩经济技术分析另外，由于国内尚未对挤密砂桩的加固机理和计算理论开展系统研究，因此本2项目除完成合同要求研究内容外，还对水下挤密砂桩复合地基加固机理与计算理论进行了研究，其内容主要包括松砂地基加固机理、粘性土地基加固机理及挤密砂桩复合地基承载力、沉降、整体稳定性等计算理论研究。2水下挤密砂桩施工设备的研制与开发2.1主要设备的开发与研制在前期调研的基础上，结合国内外的相关资料，为满足挤密砂桩施工工艺的要求，进行挤密砂桩施工设备的开发研制，主要内容如下：（1）原有船舶的改造。（2）套管及端部结构的研制。（3）供气及压力自动控制系统的开发。（4）供砂及自动计量系统的开发。（5）砂桩船专用GPS定位系统的开发。（6）套管贯入辅助装置的开发。（7）振动设备的选择与配置。2.2砂面检测仪与砂管检测仪开发2.2.1砂面检测仪（SL）的开发砂面检测仪是挤密砂桩能够施工的关键设备。以往砂桩施工主要依靠控制桩套管拔管速度及加入足够的砂料来保证施工质量。由于在拔管过程中无法获知套管内砂料排出套管的实际情况，存在施工过程中灌砂率得不到保证的缺点，易出现砂桩局部直径缩小甚至断桩等缺陷，砂桩施工质量得不到保证。为保证挤密砂桩质量，必须控制过程中灌砂率和实时反映扩径成果，为此我们比较了多种测量方法，并结合自动化控制技术开发了砂面检测仪。2.2.2砂管检测仪（GL）的开发套管贯入土层的底部标高是砂桩施工中重要的施工参数。需要开发一套砂管检测系统以获得套管贯入的底标高。砂管检测仪使用的是“旋转编码器“的方案。砂3管检测仪GL的测量使用了一组独立的测量钢缆，当套管贯入土层的过程中，测量缆向下运动，带动与编码器同轴安装的滑轮转动，测量缆的收、放距离就可以通过编码器获得。系统工作的主要参数为原点位置和编码器步长值。测量缆通过滑轮的过程中可能发生打滑现象，因此会造成原点位置的测量偏差，可以通过调整配重块重量减少测量缆打滑的可能。2.3施工自动化系统的开发自动控制系统是砂桩工艺实现的重要组成部分，更是砂桩工艺实现的必要部分，它使全船各个设备有机地结合在一起，在施工过程中为操作人员提供具体操作的指令与提示，在可能的环节自动执行某些动作，在必要的场合对某些操作进行限制，同时对施工的整个过程进行记录，资料整理与保存，从而达到对砂桩施工过程全面辅助与控制的目的。施工自动化系统的开发主要包括以下几个方面：（1）供砂计量子系统（2）提升斗控制系统（3）投砂准备联动控制（4）压力自动控制系统（5）GPS高程采样系统2.4砂桩施工管理软件开发系统软件在施工工艺的具体实现过程中，起到如下的作用：（1）在施工过程中对施工状态的各种数据进行采集，并在上位计算机上形成直观的显示界面供操作人员参考。（2）根据施工工艺要求与实际施工情况，在必要时向操作人员提示下一步应进行的操作或是应注意的问题。（3）根据操作人员在界面上所作的选择与具体工艺阶段，自动生成当时工艺所要求的控制参数。（4）对施工的过程进行全程记录，并形成相应的成桩资料。在上位机软件的开发过程中，遵循“模块化开发，集成化使用”的设计思路，将包括砂桩工艺施工过程管理、砂桩成桩资料管理等功能的模块统一进集成界面内，使操作者可以方便地通过菜单选择调用各个功能。施工管理软件为满足挤密砂桩施工操作人员规范化操作的需要，确保施工质量，4提高施工效率而开发，软件主要运行于上位机中。软件具有施工过程监控，工程数据保存与管理，自动生成单桩施工资料及出图功能等功能。主界面被分为六个区域：1.设备数据区2.工艺数据区3.提示灯区4.曲线显示区5.施工模拟图6.工艺操作与提示区在收集到砂桩管内的砂面位置信息后，通过连续测量可以得到一组砂面数据，根据向桩管内加入的砂量、桩管目前所在的位置进行计算，可以得到目前桩管内的砂柱形态以及桩管外的成桩情况。在施工管理软件中可以得到工程施工总体情况列表，也可查询到每根砂桩施工情况的概要，并生成砂桩施工记录表和砂桩施工过程资料图。3水下挤密砂桩施工工艺及参数研究3.1工艺试验根据挤密砂桩的成桩机理，参考国外挤密砂桩的施工工艺，结合普通砂桩的施工经验和砂桩施工设备的研究成果，先初步确定挤密砂桩的施工工艺流程，并对工艺流程中每一环节进行工艺试验，再由工艺试验结果，对挤密砂桩的施工工艺流程进一步调整完善。在洋山深水港区域进行了多次试验，主要包括：加压排水试验、成孔工艺试验、端部处理试验、挤密砂桩（SCP）成桩试验、砂的振实试验等。形成的工艺流程如下：51、采用陆上参考站及GPS测量系统进行船舶定位2、砂桩套管接近泥面，加压排水3、沉设砂桩套管进入土层一定深度，减压灌砂。4、加压及持压施打砂桩套管接近处理土层底标高5、持压，上拔砂桩套管，排出管内泥柱，端部处理6、灌砂、加压施打砂桩套管至处理土层底标高7、灌砂、加压上拔砂桩套管，排砂形成一定高度砂柱8、加压振动回打扩径，形成一段挤密砂桩9、循环灌砂、加压排砂形成砂柱、振动回打扩径，逐段形成整根挤密砂桩1、采用陆上参考站及GPS测量系统进行船舶定位2、砂桩套管接近泥面，加压排水3、沉设砂桩套管进入土层一定深度，减压灌砂。4、加压及持压施打砂桩套管接近处理土层底标高5、持压，上拔砂桩套管，排出管内泥柱，端部处理6、灌砂、加压施打砂桩套管至处理土层底标高7、灌砂、加压上拔砂桩套管，排砂形成一定高度砂柱8、加压振动回打扩径，形成一段挤密砂桩9、循环灌砂、加压排砂形成砂柱、振动回打扩径，逐段形成整根挤密砂桩1.采用陆上参考站及GPS测量系统进行船舶定位，测泥面标高及水深2.下砂桩套管，入水后加压排水3.沉设砂桩套管进入土层一定深度，减压灌砂4.加压及持压施打砂桩套管接近处理土层底标高5.持压、上拔砂桩套管，排出管内泥柱，端部处理6.灌砂、加压施打砂桩套管至处理土层底标高7.加压上拔砂桩套管，排砂形成一定高度砂柱8.持压振动回打扩径，形成一段挤密砂桩9.重复7~8进行多次循环，逐段形成整根挤密砂桩，完成后进行泥面测量图3.1-1挤密砂桩工艺流程示意图63.2工艺及设备验证为验证挤密砂桩的施工工艺和设备，在洋山深水港区西港区拟建码头后方区域进行了验证试验，该处泥面标高-10m-10.5m，地质情况见图3.2-1。1-1Ⅲ1Ⅰ2Ⅱ3Ⅲ4Ⅳ1-231-22图3.2-1地质剖面图结合挤密砂桩承载力测试，试验区共布置100根挤密砂桩，纵横向间距均为2100mm，桩径Ф1850mm，置换率为60%。加固深度为Ⅳ4以上的软土层，其中四周的36根加固深度为10m。本次试验砂样采用中砂，施工时从中间一排逐渐向两边推进，每排从中心向两侧施工。为顺利完成本次验证成桩，施工前对施工设备，有关参数进行了设置和检验校核。通过试验发现该挤密砂桩施工工艺可行，确定的各项工艺参数合理，能够满足挤密砂桩施工要求。74水下挤密砂桩加固软土地基效果试验研究在洋山深水港区拟建的西港区大乌龟山南侧的区域开展了水下挤密砂桩试验，以掌握水下挤密砂桩加固软土地基对改变原状地基土性能的作用。先后进行高置挤密换率和低置换率普通砂桩加固效果试验，用于比较二者的异同。4.1试验场地及地质条件水下挤密砂桩复合地基加固效果试验选定在洋山深水港区拟建的西港区大乌龟山南侧的区域进行。平面位置见图4.1-1，试验区地质分层参见L19孔。根据勘察设计单位提供的试验场地资料，该试验场地软土层厚度为20m左右，泥面标高为-9.17m左右，利用砂桩加固该区域软土地基，具有一定的针对性和代表性。该区域最高潮位为+5.73m，最低潮位为-0.23m，平均高潮位为+3.88m，平均低潮位为+1.14m，最大潮差为5.03m，平均潮差为2.74m。该区域内的最大涨潮平均流速为1.40m/s，最大落潮平均流速为1.64m/s。图4.1-1试验场地平面位置图8试验场地区地质剖面图如下：4ⅣⅢ2-32-1Ⅲ3ⅢⅢ33Ⅲ3Ⅲ2-3Ⅲ2-2Ⅲ2-2Ⅲ1-22Ⅲ3Ⅱ2Ⅱ1Ⅰ图4-2地质剖面图土层物理力学指标如下表：9土层物理力学性质指标汇总表土层编号土层名称天然含水量天然重度天然孔隙比塑性指数液性指数压缩系数压缩模量直剪固快W(%)r(kN/m3)eIpILa0.1-0.2(MPa-1)ES0.1-0.2(MPa)内摩擦角φ(o)粘聚力c(kPa)Ⅰ1灰黄色淤泥质粉质粘土41.717.71.20313.61.650.782.815.011.0Ⅱ2灰黄~灰色粉砂夹粉质粘土30.318.90.8410.228.433.51.5Ⅱ3灰黄~灰色粉细砂31.318.80.8900.277.0(32.0)(3.0)Ⅲ1-22灰黄~灰色淤泥质粘土48.517.21.36620.91.201.231.914.012.0Ⅲ2-1灰黄~灰色淤泥质粉质粘土42.417.91.17513.51.570.862.517.511.0Ⅲ2-2灰黄~灰色淤泥质粉质粘土41.517.91.16113.71.400.782.822.510.5Ⅲ2-3灰黄~灰色淤泥质粉质粘土41.417.91.16714.61.260.703.125.512.0Ⅲ3灰黄~灰色粉细砂夹粘性土32.718.90.8550.306.333.01.5Ⅳ4灰~灰黄色粉细砂30.118.90.8290.1611.334.51.0104.2试验区布置为得到高置换率挤密砂桩和低置换率普通砂桩复合地基承载力性能，分别进行60%置换率挤密砂桩复合地基承载力试验和25%置换率普通砂桩复合地基承载力试验。60%置换率和25%置换率的砂桩采用正方形布置，间距均为2.1m×2.1m，60%置换率的挤密砂桩直径为1.85m，25%置换率的砂桩直径为1.2m。砂桩的平面布置详见图4-3。小乌龟岛方向颗珠山岛方向置换率60%挤密砂桩试验区置换率25%普通砂桩试验区置换率60%，直径φ1850mm，桩间距2.1m×2.1m正方形布置，数量100根；置换率25%，直径φ1200mm，桩间距2.1m×2.1m正方形布置，数量100根。ACBD图中尺寸单位：mmA点：X=3392744.880Y=501618.526B点：X=3392726.720Y=501613.316C点：X=3392731.700Y=501664.474D点：X=3392713.540Y=501659.264基准桩锚桩荷载板荷载板测试平台测试平台平台外伸段平台外伸段图4.2-3砂桩平面布置图试验时采用锚桩法进行加载。由于60%置换率和25%置换率的砂桩间距均为2.1m×2.1m，荷载板底面尺寸选为4.2m×4.2m，荷载板下有4根砂桩。