郭小兵+張濤
【摘 要】振沖密實(shí)法具有固化快,工效高和成本低的顯著優(yōu)勢,但因其特殊的工藝,對地基填料提出了很高要求,一般適用于處理黏粒含量小于10%的中砂、粗砂地基。疏浚吹填陸域形成過程中,填料的質(zhì)量是地基處理效果關(guān)鍵影響因素。以科威特LNGI疏?;靥罟こ虨槔鶕?jù)高標(biāo)準(zhǔn)地基處理工藝,借助理論和實(shí)踐相結(jié)合的方式,總結(jié)了一些耙吸船施工工藝下砂料質(zhì)量控制和砂料改良措施,保證了地基處理效果并取得理想的成本效益。
【關(guān)鍵詞】振沖密實(shí)法;耙吸船;回填砂料;質(zhì)量控制
一、工程概況
科威特LNGI疏浚吹填工程位于波斯灣,延海岸線吹填形成約45萬m3液化天然氣存儲灌建設(shè)用地,吹填總量約為1135萬m3,地基采用無填料振沖工藝進(jìn)行地基加固。工程疏浚區(qū)土層從上到下分布為鈣質(zhì)巖帽,貝殼類土,中粗砂層,其中吹填區(qū)表層鈣質(zhì)巖帽和貝殼類土清表至-11至-13.5m,然后回填至+4.5m至+7.0m,地基處理厚度15.5m至20.5m;砂源區(qū)清表至中、粗砂層,清表厚度5~8m。其中清表疏浚由絞吸船和耙吸船聯(lián)合施工,表層硬質(zhì)巖帽層由絞吸船開挖,接近合格砂料層由耙吸船清挖。吹填施工吃水限制深度下由中型耙吸船底拋拋填,表層由絞吸船吹填(短運(yùn)距砂源區(qū))和耙吸船接管艏吹(長運(yùn)距砂源區(qū))。
二、質(zhì)量控制風(fēng)險(xiǎn)源分析
1.根據(jù)工程地質(zhì)鉆孔資料,砂源區(qū)表層為鈣質(zhì)巖帽和貝殼質(zhì)土,該類鈣質(zhì)土即便適于振沖,但相比硅質(zhì)砂土具有較大的可破碎性和可壓縮性,尤其是在高壓力應(yīng)力狀態(tài)下蠕變速率較大,會導(dǎo)致地基處理后產(chǎn)生較大的工后沉降。
2.砂源區(qū)鈣質(zhì)土層下為硅質(zhì)砂土層,顆粒級配不均勻性好,為可用做回填料,但原狀土層普遍存在10%至30%的細(xì)顆粒含量(粒徑小于0.075mm)。細(xì)顆粒在取砂過程中擾動,大量進(jìn)入吹填區(qū)后在水力作用下重新分布,易在靜置條件下形成富集土層,該類土層振沖效果不明顯。
3.砂源區(qū)表層廣泛存在的鈣質(zhì)巖帽和下層存在砂巖,因其強(qiáng)度加大,疏浚開挖過程中難以破碎為細(xì)小顆粒,部分會由挖泥船回填至吹填區(qū)。該類填料強(qiáng)度值較高,本質(zhì)為合格砂料的聚合體而對地基強(qiáng)度不會造成大的影響。但在振沖工藝中,大粒徑顆粒富集容易造成振沖頭成孔困難,從而嚴(yán)重影響振沖效果甚至造成設(shè)備損壞。
三、質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)
該工程驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)為:地基承載力不小于200kpa,水面以上95%壓實(shí)度,水面以下要求90%壓實(shí)度,且10年工后沉降不應(yīng)大于25mm。
基于驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn),無填料振沖工藝特性和工程地質(zhì)資料,針對耙吸船回填施工,標(biāo)準(zhǔn)[2]如下:
1.細(xì)顆粒含量FC(小于0.075)應(yīng)小于15%,振沖適合性指數(shù)SN小于50;
2.地基處理深度范圍內(nèi)碳酸鹽平均含量低于20%;
3.不得出現(xiàn)大于125mm粒徑顆粒富集。
四、質(zhì)量控制及優(yōu)化措施
(一)大粒徑巖塊含量控制
砂源區(qū)表層鈣質(zhì)巖帽破碎后難以做到全部移除,部分始終殘存在海床面,同時砂層中存在膠結(jié)砂,耙吸船裝艙物中,大粒徑巖塊占有一定比例。通過觀察并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn),鈣質(zhì)巖帽和膠結(jié)砂因空隙存在,其平均密度小,裝艙過程中,裝艙物在強(qiáng)大水流作用下呈“沸騰”狀態(tài),靜置后多遍布在泥艙入流口附近表層,易于觀察。同時,通過巖塊撞擊管壁聲音,也可判斷裝艙物巖帽含量。
艙內(nèi)巖帽無法篩選移除處理,通過艏吹則極易造成抽倉隧道堵塞,影響吹填效率。對于艙內(nèi)出現(xiàn)富集的巖帽塊,采取底拋拋填工藝,并分散拋卸至吹填區(qū)下層,最大限度“散布”巖塊,降低對振沖施工的影響。
(二)鈣質(zhì)土含量控制
根據(jù)鉆孔資料,以不同破碎程度貝殼為代表的鈣質(zhì)土分散于巖帽層以下,其與砂層界限隨區(qū)域變化存在差異。根據(jù)破碎程度較高,可振沖性良好的鈣質(zhì)砂土,基于設(shè)計(jì)文件要求進(jìn)行鈣質(zhì)含量測定和壓縮性試驗(yàn),建立臨界狀態(tài)下標(biāo)準(zhǔn)試樣,作為耙吸船清表疏浚不合格材料界定的依據(jù),質(zhì)量控制采取對照觀察和抽樣驗(yàn)證結(jié)合的方式。
開工前,根據(jù)鉆孔資料劃定不同分區(qū)清表底標(biāo)高,清挖過程中當(dāng)接近該標(biāo)高時,密切關(guān)注土質(zhì)變化并逐層均勻浚深。裝艙過程中從分流口處實(shí)時取樣,駕駛臺記錄取樣位置和深度,可精確獲得某一深度和位置土質(zhì)情況(疏浚物在吸泥管運(yùn)動時間通過流速和其長度估計(jì),然后通過船舶對地航速和DTPS軌跡推算取樣位置)。通過實(shí)時連續(xù)性取樣分析,可精確掌握土質(zhì)情況,對于浚深至合格砂料層避免走線,集中開挖不合格材料區(qū),避免超挖。同時,滿載后裝艙土質(zhì)取樣分析,判定是否滿足回填要求??勺鳛樘盍系拟}質(zhì)砂土,通過耙吸船裝艙底拋工藝[3]拋填,集中拋卸至吹填區(qū)底層。
(三)細(xì)顆粒含量控制
基于設(shè)計(jì)文件要求,采用 Brown [4]的可振沖性指數(shù)對回填料進(jìn)行初步的判定。可振沖性指數(shù) SN 計(jì)算公式如下所示:
其中D50 、D20、D20根據(jù)振沖級配曲線獲取。不同 SN 值代表回填料可振沖性容易程度不一樣,SN值越小,代表回填料越容易振沖,且越容易滿足振沖密實(shí)度要求。基于SN值的可振沖評價表如表1。
通過取樣樣品上述方法用于細(xì)顆粒含量及可振沖性控制,耙吸船取砂吹填過程中,進(jìn)行取樣級配試驗(yàn)評定砂料質(zhì)量。細(xì)顆粒含量一般可直接測得,可振沖性系數(shù)通過計(jì)算獲取。
耙吸船挖砂裝艙過程,土體擾動吸入裝艙,艙內(nèi)土體混合重組,溢流靜置,形成新的土體分布,在拋或吹填的過程中再次混合,進(jìn)入吹填區(qū)再次形成新的土體分布。利用上述特性,施工過程中通過對細(xì)顆粒含量監(jiān)控,一方面評定砂料是否合格,另一方面通過調(diào)整拋或吹填位置,讓土體實(shí)現(xiàn)均勻分布。
1.砂料取樣評估。
耙吸船裝艙過程,通過入流-溢流水力作用,不同粒徑在艙內(nèi)分布規(guī)律不同,一般在入流口(分流門)至溢流口間,水平方向上砂顆粒隨著水流依次減小,并在溢流口附近易形成細(xì)顆粒富集,豎直方向底層砂顆粒粗,表層砂顆粒偏細(xì)。施工過程中取樣,根據(jù)艙內(nèi)顆粒分部程度,在艙內(nèi)不同位置提取6個代表性砂樣,充分混合后進(jìn)行砂料級配試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)級配結(jié)果進(jìn)行分類和評估,對于級配曲線落在A、B區(qū)的評定為優(yōu)質(zhì)砂料,落在C區(qū)的評定為一般砂料,落在D區(qū)的評定為不合格砂料。優(yōu)質(zhì)填料可定點(diǎn)拋填填或艏吹吹填,一般砂料分散拋填且避免拋卸至底層,不合格材料不用作填料而外拋處理。endprint
由于上述級配試驗(yàn)耗時較長,通常通過級配試驗(yàn)建立標(biāo)準(zhǔn)試樣,取樣對照觀察。
2.耙吸船工藝下減小細(xì)顆粒含量措施。
(1)分區(qū)分層開挖
疏浚取砂過程中,耙吸船開挖砂源區(qū)宜采用分區(qū)逐層浚深開挖,確保施工效率不受限制的前提下,小范圍開挖取砂。砂源區(qū)小范圍內(nèi)砂質(zhì)特性變動一般相對較小,分層分區(qū)開挖有利于相同類土的集中處理。
(2)逐級調(diào)整溢流
耙吸船裝艙過程中,隨著艙內(nèi)水面漫過溢流口,粗顆粒沉淀,粉、黏粒隨溢流部分溢出。開始裝艙時,將溢流口設(shè)置在較低高度,盡快實(shí)現(xiàn)溢流,減少開始溢流前細(xì)顆粒的沉淀。隨著裝載量增加,逐級提升溢流口高度,裝艙過程中和滿載后降低溢流釋放濁液。通過裝艙過程中溢流位置調(diào)節(jié),增加溢流損失,粉黏顆粒最大限度的排出。取樣試驗(yàn)結(jié)果測得,溢流口處樣品細(xì)顆粒平均含量約為7%,遠(yuǎn)低于控制標(biāo)準(zhǔn)。
(3)優(yōu)化拋填順序
回填過程中,土體拋填過程實(shí)現(xiàn)土體第二次混合,細(xì)顆粒在水力作用下重新分布在吹填區(qū)靜水區(qū)域形成回淤層。回淤多集中在圍堰邊角、有掩護(hù)區(qū)域或水深較大區(qū)域。首先吹填邊角等無法實(shí)現(xiàn)底拋拋填的區(qū)域,拋填順序宜由內(nèi)向開敞水域推進(jìn)逐層拋卸,拋卸形成淺區(qū)盡量平整。對于一般砂料,宜在中上層散拋,避免富集。
五、質(zhì)量控制效果及效益分析
鈣質(zhì)砂土的精確監(jiān)控,避免了超挖造成合格材料的流失,縮短了清表工期、節(jié)約了船機(jī)使用成本和砂料。
細(xì)顆粒含量監(jiān)控及降低措施,細(xì)顆粒(粒徑小于0.075mm)含量均低于5%(見表2),耙吸船吹填相比絞吸船吹填造成吹填區(qū)回淤強(qiáng)度大大降低,清淤頻率僅為絞吸船的1/3, 船機(jī)使用成本節(jié)約明顯。
根據(jù)振沖前CPT試驗(yàn)檢驗(yàn)結(jié)果,未出現(xiàn)細(xì)顆粒夾層和不適于振沖類土層,振沖施工未出現(xiàn)大顆粒巖塊造成的成孔困難,地基處理效果滿足該項(xiàng)目技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。
六、結(jié)束語
通過一系列質(zhì)量監(jiān)控措施,為耙吸船拋(吹)填施工提供指導(dǎo),使偏差砂料和優(yōu)質(zhì)砂料的有機(jī)混合,實(shí)現(xiàn)填料的改良,經(jīng)濟(jì)效益顯著。
耙吸船在疏浚吹填料細(xì)顆??刂品矫嫣貏e具備優(yōu)越性,并能通過溢流調(diào)節(jié)等措施實(shí)現(xiàn)砂料進(jìn)一步改良。
耙吸船施工的實(shí)時取樣監(jiān)控,實(shí)時掌握砂源區(qū)土質(zhì)隨層變化情況,對不合格材料清表移除超挖控制有利。
參考文獻(xiàn):
[1] 龔曉南,地基處理手冊(第三版),北京:中國建筑工業(yè)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] 王谷謙,疏浚工程手冊,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