干法下出料振沖碎石樁技術的應用及其環境效應

張金，曹中興，姚軍平

（1．中國港灣工程有限責任公司，北京 100027；2．中交水運規劃設計院有限公司，北京 100007；3．北京振沖工程股份有限公司，北京 100102）

1 概述

加強節能減排，實現低碳發展，是生態文明建設的重要內容，是促進經濟提質增效升級的必由之路。國家“十二五”開局之年，地基與基礎工程行業的節能減排也備受考驗。業內專家認為，在“十二五”節能減排新形勢下，要實現科學有效的節能減排將依賴于經濟發展方式的轉變和節能技術的應用。據測算，技術進步對節能的貢獻率達到40%～60%，因此，采用何種更為節能減排的新技術將成為發展中國經濟的重中之重。我國2014—2015年節能減排工作指標為：單位GDP能耗、化學需氧量、二氧化硫、氨氮、氮氧化物排放量分別逐年下降3．9%、2%、2%、2%、5%以上，單位GDP二氧化碳排放量2 a分別下降4%、3．5%以上。

為了節能減排、低碳環保，經過環保因素、性價比等諸多參數的對比分析，對某10層民用房屋建筑的地基加固采用干法下出料振沖碎石樁施工工藝，取代了傳統的鉆孔灌注樁樁基礎結構形式。在工程后期評價中，振沖碎石樁更是以其綠色、環保、低碳的優良環保性能獲得一致好評[1-3]。

2 工程背景

2.1 地質條件

研究工程為10層框架結構的民用建筑，本工程地層條件分為3層，地下水位為地表以下5～6 m，研究區地層及SPT強度情況如下：

1）回填土，深度0～1 m，N30為5～10擊。

2）淤泥質砂土，厚度為10～15 m，SPT錘擊數 N30為 5～20 擊。

3）密實的淤泥質砂土或含砂淤泥質土，厚度為 15～30 m。

2.2 基礎結構形式的選擇

本工程對于復合土體承載力設計值的要求為150 kPa。方案選擇時，根據建筑物的結構形式及重要性，設計在部分區域基礎加固采用了鉆孔灌注樁基礎，部分可能存在液化的區域采用了干法下出料振沖碎石樁作為地基加固方案[4]，其設計目的在于：

1）提供足夠的承載力。

2）防止潛在的砂土液化。

3）限制建筑物不均勻沉降。

3 樁基設計及施工

3.1 振沖碎石樁設計

根據JGJ 79—2012《建筑地基處理技術規范》進行振沖碎石樁的設計[5]。經計算，設計參數為：樁徑φ500 mm，樁長約8～12 m，布樁形式為正三角形2 m，置換率5．67%，樁位允許偏差±150 mm，直度偏差不大于1/20，碎石骨料粒徑為20～50 mm，施工平臺高程+2．5 m。

3.2 施工工藝及方法

本項目采用干法下出料振沖碎石樁施工，干法下出料振沖碎石樁技術是采用頂部的壓力倉輸料系統、輔助一定壓力的壓縮空氣在振沖器底部出料的一種干法作業的振沖碎石樁施工工藝，是一種新型的振沖法軟基加固技術[1-3]，干法下出料振沖碎石樁施工原理圖見圖1。

圖1 干法下出料振沖碎石樁施工原理圖Fig.1 Construction schematic of dry bottom feeding vibro-replacement stone column

其主要工作原理如下：

1）經提升料斗或砂石泵將石料輸送至振沖器頂部料倉。

2）維持一定風壓與風量，壓迫底部料倉內的石料經導料管輸送至振沖器底部。

3）通過上部料倉系統維持振沖器底部連續、不間斷的供料過程。

4）重復上述工藝循環，形成連續密實、干凈的樁體。

本工程的振沖碎石樁工程量為1 700根，處理面積5 900 m2，累計18 000延m，投入1臺干法下出料振沖設備，施工工期2個月。

4 施工質量檢查及控制

采用干法下出料振沖碎石樁施工期間，為了對施工質量進行全過程的監控，施工采用了振沖自動監控及記錄系統對深度、電流值、時間、填料量、垂直度等相關參數進行了控制。通過全過程的施工參數控制，確保振沖碎石樁的工程施工質量[6-9]。

施工完成后，通過平板載荷試驗對復合土體最大設計荷載下的沉降進行了試驗，載荷板1．5 m×1．5 m時單樁的最大承載力為113 t。本工程典型的載荷試驗曲線圖見圖2。

圖2 典型單樁載荷試驗曲線圖Fig.2 Curve of typical single pile load test

5 環境效應

通過前述分析可見，從技術角度采用振沖碎石樁方案的優越性顯而易見，但還需要對環境影響因素做定量的分析比較才能夠從環保的角度推薦采用振沖碎石樁施工方案。國際上通行的辦法是對振沖碎石樁和常規的鉆孔灌注樁實施全過程所產生的CO2排放進行比較。以下就本項目不同地基加固工藝時的CO2排放進行計算。

5.1 計算考慮因素

所有用于生產的主材均應考慮計算CO2排放，用于生產活動的所有柴油消耗的CO2排放需考慮計算，計算內容包括：

1）干法下出料振沖碎石樁的油耗為2．5 L/m。

2）鉆孔灌注樁的油耗為8 L/m，包括鋼筋籠制作及安裝、混凝土等。

3）在鉆孔灌樁工藝中需要潛水泵及清水泵，而干法下出料振沖碎石樁不需要。

4）材料運輸過程中所產生的CO2排放，2種工藝均忽略不計。

5）施工過程中，鉆孔灌注樁混凝土損耗率為15%，振沖碎石樁中碎石的損耗率為20%。

5.2 CO2排放的對比計算

根據相關國際標準，不同的材料CO2排放值見表1。根據本工程上部結構荷載需求，振沖碎石樁和鉆孔灌注樁2種設計方案的工程量對比見表2，生產過程中的材料消耗量及產生的CO2排放值對比計算見表3。

表1 各種材料CO2排放值估算Table 1 Estimation of CO2emission values of various materials

表2 鉆孔灌注樁和振沖碎石樁的設計工程量對比Table 2 Comparison of design engineering quantity between bored pile and vibro-replacement stone column

表3 兩種工藝材料消耗及CO2排放值的對比Table 3 Comparison of two process material consumption and CO2emission values

從表3可以看出，采用鉆孔灌注樁時CO2排放值為1 249 t，而采用干法下出料振沖碎石樁時CO2排放值僅為160 t，比鉆孔灌注樁CO2排放值減少87%。

5.3 其他環保性能和特征

干法下出料振沖碎石樁與鉆孔灌樁樁工藝相比而言，還具有如下優良的環保性能和特征：

1）可二次開發利用的地下空間：采用碎石樁進行地基加固后，被加固的原位土體可二次開發利用，不會留下任何障礙物或地下設施。振沖技術是在原位土體中擠密或外加天然碎石的復合地基處理方法，無疑對地下空間的二次開發及利用提供了方便與可能性。

2）天然的原材料：振沖技術所采用的原材料為天然碎石，無需鋼筋、水泥、混凝土，成本低、功效小、碳排放低。

3）節約水資源，減少水資源污染：干法下出料振沖碎石樁技術，采用干法施工，無需用水、化學泥漿。節約水資源，且極少造成水資源污染，基本不需要處理廢渣或廢水。

4）有限的土壤污染：對于地表不允許水沖刷的地區，或諸如泥炭土，流態土體在遇水進一步惡化的條件下，采用干法底部出料振沖碎石樁技術，無論從質量上還是環境保護方面都有著巨大的優勢。

5）最大限度利用原狀土承載力：由于其工藝本身優良的特點，在干法下出料振沖碎石樁施工過程對原狀土的擾動小，更利于發揮原狀土的承載力。

6 結語

1）本工程后期檢測中，在進行載荷試驗時，500 kPa載荷板試驗沉降量僅為15 mm。復合土體承載力完全能夠滿足上部結構所需要的150 kPa承載力。

2）通過對該工藝方法的綜合論證和計算結果，干法底部出料振沖碎石樁不論是從經濟效益、碳排放量，還是工程效果等方面，均是一種新型的綠色環保施工工藝方法，應大力推廣。

7 展望

填海造陸是海岸帶、島國解決日益嚴峻的“土地赤字”，擴大生存和發展空間的有效途徑。為最大限度地避免填海造陸工程對海洋環境造成影響，挖泥疏浚、拋石造堰的傳統填海方法正逐漸退出歷史舞臺，取而代之的是新型的填海方法——干法下出料振沖碎石樁與格型鋼板樁的結合。港珠澳大橋、南沙諸多人工島填海、日本關西機場、羽田機場等就是采用干法底部出料振沖碎石樁以及其它工藝提供堤堰基礎的，采用格型鋼板樁形成海堤“銅墻鐵壁”的填海方法。完全避免了挖泥疏浚、拋石造堰對海洋環境造成的影響。從某種意義上講，填海造陸將進一步促進我國振沖技術的發展。