張金，曹中興，姚軍平

（1．中國港灣工程有限責(zé)任公司，北京 100027；2．中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)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(qiáng)節(jié)能減排，實(shí)現(xiàn)低碳發(fā)展，是生態(tài)文明建設(shè)的重要內(nèi)容，是促進(jìn)經(jīng)濟(jì)提質(zhì)增效升級(jí)的必由之路。國家“十二五”開局之年，地基與基礎(chǔ)工程行業(yè)的節(jié)能減排也備受考驗(yàn)。業(yè)內(nèi)專家認(rèn)為，在“十二五”節(jié)能減排新形勢下，要實(shí)現(xiàn)科學(xué)有效的節(jié)能減排將依賴于經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變和節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用。據(jù)測算，技術(shù)進(jìn)步對(duì)節(jié)能的貢獻(xiàn)率達(dá)到40%～60%，因此，采用何種更為節(jié)能減排的新技術(shù)將成為發(fā)展中國經(jīng)濟(jì)的重中之重。我國2014—2015年節(jié)能減排工作指標(biāo)為：單位GDP能耗、化學(xué)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(jié)能減排、低碳環(huán)保，經(jīng)過環(huán)保因素、性價(jià)比等諸多參數(shù)的對(duì)比分析，對(duì)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(tǒng)的鉆孔灌注樁樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式。在工程后期評(píng)價(jià)中，振沖碎石樁更是以其綠色、環(huán)保、低碳的優(yōu)良環(huán)保性能獲得一致好評(píng)[1-3]。

2 工程背景

2.1 地質(zhì)條件

研究工程為10層框架結(jié)構(gòu)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(qū)地層及SPT強(qiáng)度情況如下：

1）回填土，深度0～1 m，N30為5～10擊。

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

3）密實(shí)的淤泥質(zhì)砂土或含砂淤泥質(zhì)土，厚度為 15～30 m。

2.2 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式的選擇

本工程對(duì)于復(fù)合土體承載力設(shè)計(jì)值的要求為150 kPa。方案選擇時(shí)，根據(jù)建筑物的結(jié)構(gòu)形式及重要性，設(shè)計(jì)在部分區(qū)域基礎(chǔ)加固采用了鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，部分可能存在液化的區(qū)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(shè)計(jì)目的在于：

1）提供足夠的承載力。

2）防止?jié)撛诘纳巴烈夯?/p>

3）限制建筑物不均勻沉降。

3 樁基設(shè)計(jì)及施工

3.1 振沖碎石樁設(shè)計(jì)

根據(jù)JGJ 79—2012《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行振沖碎石樁的設(shè)計(jì)[5]。經(jīng)計(jì)算，設(shè)計(jì)參數(shù)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(tái)高程+2．5 m。

3.2 施工工藝及方法

本項(xiàng)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(shù)是采用頂部的壓力倉輸料系統(tǒng)、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(yè)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(shù)[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(jīng)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(fēng)壓與風(fēng)量，壓迫底部料倉內(nèi)的石料經(jīng)導(dǎo)料管輸送至振沖器底部。

3）通過上部料倉系統(tǒng)維持振沖器底部連續(xù)、不間斷的供料過程。

4）重復(fù)上述工藝循環(huán)，形成連續(xù)密實(shí)、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(jì)18 000延m，投入1臺(tái)干法下出料振沖設(shè)備，施工工期2個(gè)月。

4 施工質(zhì)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(duì)施工質(zhì)量進(jìn)行全過程的監(jiān)控，施工采用了振沖自動(dòng)監(jiān)控及記錄系統(tǒng)對(duì)深度、電流值、時(shí)間、填料量、垂直度等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了控制。通過全過程的施工參數(shù)控制，確保振沖碎石樁的工程施工質(zhì)量[6-9]。

施工完成后，通過平板載荷試驗(yàn)對(duì)復(fù)合土體最大設(shè)計(jì)荷載下的沉降進(jìn)行了試驗(yàn)，載荷板1．5 m×1．5 m時(shí)單樁的最大承載力為113 t。本工程典型的載荷試驗(yàn)曲線圖見圖2。

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

5 環(huán)境效應(yīng)

通過前述分析可見，從技術(shù)角度采用振沖碎石樁方案的優(yōu)越性顯而易見，但還需要對(duì)環(huán)境影響因素做定量的分析比較才能夠從環(huán)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(duì)振沖碎石樁和常規(guī)的鉆孔灌注樁實(shí)施全過程所產(chǎn)生的CO2排放進(jìn)行比較。以下就本項(xiàng)目不同地基加固工藝時(shí)的CO2排放進(jìn)行計(jì)算。

5.1 計(jì)算考慮因素

所有用于生產(chǎn)的主材均應(yīng)考慮計(jì)算CO2排放，用于生產(chǎn)活動(dòng)的所有柴油消耗的CO2排放需考慮計(jì)算，計(jì)算內(nèi)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(yùn)輸過程中所產(chǎn)生的CO2排放，2種工藝均忽略不計(jì)。

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(duì)比計(jì)算

根據(jù)相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)，不同的材料CO2排放值見表1。根據(jù)本工程上部結(jié)構(gòu)荷載需求，振沖碎石樁和鉆孔灌注樁2種設(shè)計(jì)方案的工程量對(duì)比見表2，生產(chǎn)過程中的材料消耗量及產(chǎn)生的CO2排放值對(duì)比計(jì)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(shè)計(jì)工程量對(duì)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(duì)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(shí)CO2排放值為1 249 t，而采用干法下出料振沖碎石樁時(shí)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(huán)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(yōu)良的環(huán)保性能和特征：

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

2）天然的原材料：振沖技術(shù)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(jié)約水資源，減少水資源污染：干法下出料振沖碎石樁技術(shù)，采用干法施工，無需用水、化學(xué)泥漿。節(jié)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(duì)于地表不允許水沖刷的地區(qū)，或諸如泥炭土，流態(tài)土體在遇水進(jìn)一步惡化的條件下，采用干法底部出料振沖碎石樁技術(shù)，無論從質(zhì)量上還是環(huán)境保護(hù)方面都有著巨大的優(yōu)勢。

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

6 結(jié)語

1）本工程后期檢測中，在進(jìn)行載荷試驗(yàn)時(shí)，500 kPa載荷板試驗(yàn)沉降量僅為15 mm。復(fù)合土體承載力完全能夠滿足上部結(jié)構(gòu)所需要的150 kPa承載力。

2）通過對(duì)該工藝方法的綜合論證和計(jì)算結(jié)果，干法底部出料振沖碎石樁不論是從經(jīng)濟(jì)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(huán)保施工工藝方法，應(yīng)大力推廣。

7 展望

填海造陸是海岸帶、島國解決日益嚴(yán)峻的“土地赤字”，擴(kuò)大生存和發(fā)展空間的有效途徑。為最大限度地避免填海造陸工程對(duì)海洋環(huán)境造成影響，挖泥疏浚、拋石造堰的傳統(tǒng)填海方法正逐漸退出歷史舞臺(tái)，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(jié)合。港珠澳大橋、南沙諸多人工島填海、日本關(guān)西機(jī)場、羽田機(jī)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(chǔ)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(duì)海洋環(huán)境造成的影響。從某種意義上講，填海造陸將進(jìn)一步促進(jìn)我國振沖技術(shù)的發(fā)展。