近岸水下擠密砂樁大規模施工常見問題與對策

曾春華 成小飛 田艷 張會領

摘 要：水下擠密砂樁在水運工程地基處理中應用日益廣泛;如何確保施工質量，是實現工程設計與建設目標的重點和難點。結合海口市海上人工島——如意島的水下擠密砂樁大規模施工，論述氣象、水文、地質、設備及人員操作等復雜環境下的施工常見問題與對策，為水下擠密砂樁工程設計、施工及檢測提供實例參考。

關鍵詞：近岸;水下擠密砂樁;大規模施工;常見問題;對策

中圖分類號：U655.55? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）05-0147-04

擠密砂樁最早從20世紀50年代日本開始，我國20世紀末開始嘗試水下擠密砂樁施工，主要應用于小規模碼頭及岸坡工程[1]。隨著水下擠密砂樁在水運工程地基處理中應用日益廣泛，為滿足擠密砂樁施工的需要，降低工程造價，加快施工進度，國內目前普遍的做法是將打樁機組應用于改裝的平板駁上形成專用砂樁船，完成水下擠密砂樁施工[2]。人工島項目常具有典型大規模的砂樁應用，而離岸水下擠密砂樁大規模施工與沿岸小規模應用更有明顯不同：①地層變化更為多樣化，勘察以點代面，且間距較大;②設計上，參數調整對造價影響明顯，需通過典型試樁及施工情況逐步調整參數;③施工上，受自然環境、機械設備、施工操作影響大;④檢測數量多，精確操作難度大;⑤問題處理難度大，成本高。

海口市如意島填島工程成功實現水下擠密砂樁大規模施工，施工過程中成功處理一系列問題，項目得以順利推進。

1工程概況

如意島位于海南省海口市東部鋪前灣西側海域，南渡江出海口東北側白沙淺灘，離陸地岸線約4.4km。如意島填島工程用海面積約716萬m2，人工島島長約8km，最寬處約2km，最窄處約0.3km，全島岸線總長約24km。見圖1。

1.1地質情況[3]

需進行擠密砂樁處理范圍主要土層為：

①1中砂：灰褐色，黃褐色，松散～稍密狀。該層分布不連續，層厚0.8～6.0m不等，層底高程在-9.64～-3.2m之間。平均標貫擊數N=9.6擊。

①2-1粉細砂：灰色，松散～稍密狀。該層分布較連續，平均標貫擊數N=10.2擊。

①2-2粉細砂：灰色，灰褐色，中密狀為主，局部稍密或密實狀。該層分布不連續，平均標貫擊數N=21.0擊。

①3中砂：灰黃色，灰褐色，中密狀。分布不連續，層厚1.2～6.0m不等，層底高程在-12.08～-4.9m之間。平均標貫擊數N=20.2擊。

②1淤泥質粉質粘土：灰褐色，灰色，流塑～軟塑狀。分布不連續，層位不穩定，層厚0.6～6.0m不等，層底高程在-20.51～-13.26m之間。平均標貫擊數N=1.1擊。

淤泥質粘土：灰褐色，流塑～軟塑狀，高塑性，土質不均勻，含碎貝殼，混砂粒，夾粉細砂薄層及粉細砂團。該層分布不連續，層位不穩定，該層層厚0.8～4.3m不等，層底高程在-19.10～-14.16m之間。平均標貫擊數N=1.2擊。

淤泥混砂夾層：灰色，流塑～軟塑狀，中塑性，土質不均勻，含碎貝殼，混大量砂粒，局部夾砂薄層。該層分布不連續，層位不穩定，平均標貫擊數N=2.7擊。

1.2設計要求[4]

根據行業規范要求達到消除液化和震陷、滿足地基承載力和沉降要求[5-7]。設計砂樁類型主要有Φ1000mm@2200mm、Φ800mm@2800mm、Φ800mm@1800mm等。水下擠密砂樁工程量約8500根、57萬立方米。典型設計結構斷面見圖2。

1.3施工特點

1.3.1砂料

砂樁的砂料采用中粗砂，含泥量不宜大于3%，砂料中可混有少量粒徑小于50mm的碎石。

1.3.2打樁船和打樁架要求

（1）砂樁樁管總長度>（設計高水位-砂樁樁底最小標高值）+船舶干舷高度。

（2）打樁船架高>（樁管長+震動錘高）。

1.3.3沉管設備選用

采用DZ150KS中孔雙電機振動錘，振動錘通過法蘭盤接鋼管，Φ800mm砂樁鋼管上部直徑為720mm，端部直徑為820mm;Φ1000mm砂樁鋼管上部直徑為920mm，端部直徑為1020mm;樁尖采用鏟型樁尖。該類型樁尖的特點是：張開可靠，下料均勻，不易磨損，耐久性可靠性較好。鋼管在頂部振動錘作用下沉管，直到達到設計樁底標高。喂砂后邊振動邊提管，并適當反插，使砂體擴散，最終形成砂樁。樁管樣式見圖3：

主要振動設備具體參數如表1：

配置2臺輸出功率為250kW以上的發電機。

1.3.4定位設備

采用GPS輔助《海洋施工定位軟件》進行施工定位。

1.4檢測方法及要求

檢測方法為標貫試驗。分兩個區域提出相應的加固標準。無淤泥夾層區：樁體及樁間土（砂性土）的加固標準均為樁體深度5m范圍內，標貫擊數不小于16擊，5m以下深度范圍內不小于20擊。含淤泥夾層區：對淤泥質或粘性土類樁間土不做標貫要求，對砂性樁間土及樁體要求深度5m范圍內平均標貫擊數不得小于16擊，單點不得小于12擊，5m深度以下平均標貫擊數不得小于20擊，單點不得小于15擊，檢測底標高均不高于樁體底標高。

成樁后不小于7天方可進行檢測，對于含有淤泥質土部分，間隔時間應不小于21天。

對軟土段的淤泥質土夾層采用取土樣進行室內土工試驗的方法檢測。主要試驗項目有含水率、孔隙比、內摩擦角及粘聚力（直剪快剪和固結快剪）、容重。檢驗深度不應小于地基處理深度，檢測數量不應少于總樁數的2%，其中樁體和樁間土檢測點數量比例為1：4。要求抽檢合格率為100%。

2施工存在問題與對策

2.1定位困難

擠密砂樁的允許偏差、檢驗數量和方法按《水運工程質量檢驗標準》（JTS257-2008）[8]第2.3.9.4條規定執行。

海上施工，受風、浪、流等影響明顯，樁長越長影響越明顯。避開瓊州海峽臺風及寒潮季節，選擇施工條件好天氣進行作業，加強船舶固定、臨時施工保護措施。同時，設計采用大樁徑、疏間距設計方案，針對項目消除液化和控制沉降的目標，以貫入度作為控制檢測標準。達到減少樁數量、降低檢測難度，有利于保障施工質量。

2.2樁底標高變化

由于人工島勘察孔距離約150m，地層資料通過鉆孔以點代面，與實際的地質情況存在一定的出入，設計樁底標高在部分區域發生變化。僅僅按設計底標高施工會導致處理深度不夠，或無法達到設計底標高要求。振動機無法下沉時，若強行施工，容易導致設備磨損、損壞嚴重。

根據工程實踐，150kw振動錘無法下沉時，標貫擊數均在25擊以上，可達設計要求，現場可根據設計標高結合振動沉管情況對底標高進行“雙控”，沉管過程中，當樁尖接近設計樁底高程時，如樁底高程和設計高程有一定出入，其下沉量小于30cm/min，停止下沉留振20秒即可停錘。

2.3拔管速度和留振時間

同一個施工樁體穿過土層密實度不一樣，密實和松散相間，采用相同拔管速度和留振時間，容易導致松散層充砂量不足。這是由于拔管作業過程中，樁周土體對管夾緊作用隨深度增大，約在泥面6m以下開始呈現;對樁周沙土的振動不充分，管內下料不足。因此，拔管過程中留振時間應隨深度而增加。

2.4淤泥夾層

沉管過程中，容易快速穿越淤泥夾層;拔管過程中振動容易導致樁體坍塌從而出現斷樁，頸縮。檢測時出現無標貫擊數現象。

遇到淤泥夾層，應增加充砂量，充盈系數應在2.0以上;拔管過程中，留振時間延長，并充分反插。檢測采用抽芯取樣方式，確保樁體完整。

2.5淤泥混砂夾層

沉樁過程中，淤泥混砂夾層不易發現，反映在檢測時標貫擊數低，補樁難度大，補樁后標貫擊數提高不明顯。

普遍用砂量充盈系數為1.4～2.0范圍，淤泥混砂夾層應增加充砂量，充盈系數應在1.8以上;拔管過程中，留振時間延長，并充分反插。檢測采用樁體抽芯取樣方式，確保樁體完整。另外樁間土取樣，分析顆粒成分，并按文獻[5]核算，以確保砂土液化消除。

2.6硬殼表層

存在天然表層硬殼或者首次施工后形成表層密實度過高，標貫擊數25擊以上，厚度2m以上，達到振動錘極限電流，則須停止沉管，以保護設備。無法進行下層松散層施工或補樁。

解決此問題，通常采用更高功率的電機，如300kW～400kW的電機。若仍達不到效果，則需引入高壓水泵或進行砂土擾動破壞，使樁管順利下沉，或臨時引入專業砂樁船，甚至進行設計變更。無論哪種方式，代價都較高。因此，首次施工時，盡量避免出現表層硬殼情況。

2.7表層松散

表層1～2m范圍內，土層為淤泥混砂時，加固后表現為標貫擊數低，且補樁后效果仍達不到設計要求;同時由于表層隆起，無法有效提高密實度。

拔管時，當接近樁頂高程時暫緩提升樁管，再留振20s，確保樁頂的砂樁密實后再往上提升。部分區域取土樣分析后，粘土顆粒成分較高的，采用表層開挖換填方式處理。

2.8斷樁和頸縮

施工過程中灌砂不連續，樁管提升速度過快，局部停拔留振時間不夠，均可能導致拔管過程中存在某一段砂樁缺砂，而管已拔過該缺砂段，造成管外松軟細沙回灌，形成斷樁和頸縮。

由于擠密砂樁是多次循環“拔管-回打”逐段形成完整樁體，為防止砂樁頸縮等，每次循環的成樁高度一般控制在1.0m左右。在沉管時，通過料斗灌入的砂量至少為該樁總砂量的80%，在拔管開始時灌入剩余砂量，防止斷樁。

3結論

（1）目前國內專業砂樁船施工單價昂貴，一般水運工程不使用。改裝打樁船能滿足常規工程施工要求。

（2）設計應充分考慮施工實際情況，采用更利于可靠的設計方案，易于施工、檢測的樁徑、樁間距，并充分考慮海上施工的問題處理與設計富裕度的經濟性對比。

（3）受施工水域氣象、地質、機械及施工人員素質影響大。要求大規模施工前，進行試驗區，驗證設計及施工參數的適用性與經濟性。施工過程中重點做好每一根砂樁的施工記錄，為及時方便發現問題及找到原因并采取合理解決方法。

（4） 大規模施工各種條件復雜多變，應多分段施工，及時檢測;形成流水作業，縮小流水步距，方能及時發現問題，及時解決，避免大面積補樁情況出現。

參考文獻：

[1]王吉望.日本擠密砂樁的設計與施工[J].工業建筑，1980，10（2）：34-42

[2]徐玉華，曹馳昊.陸上打樁機組在水下擠密砂樁施工中的應用[J].水運工程，2016，（8）：179-181.

[3]廣東省航運規劃設計院有限公司，海南省海口市如意島項目填島工程巖土工程勘察報告[R]，2015.

[4]廣東省航運規劃設計院有限公司，海南省海口市如意島項目填島工程施工圖設計[R]，2015.

[5] JTS146-2012，《水運工程抗震設計規范》[S].

[6] JTS147-1-2010，港口工程地基規范[S].

[7] JGJ79-2012，《建筑地基處理技術規范》[S].

[8] JTS257-2008，水運工程質量檢驗標準[S].

基金項目：廣東海洋大學創新強校工程科研項目（GDOU2016050258、GDOU2017052503、Q18307）、《土力學與地基基礎》線下一流課程建設項目。