结合港珠澳大桥香港人工岛工程实际浅述地基加固方式

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  1、地基加固原因
  建筑物施工之前如果地基为软土地基,或非软土地基但局部承载力达不到设计要求,易造成建筑后地基不均匀沉降、滑移,造成建筑物倾倒、变形拉裂、功能丧失等事故。故需要对地基进行处理,提高其固结度和抗剪强度,确保地基承载力满足设计要求。
  本工程为筑岛工程,岛四周海堤的稳定性、岛内回填土是否满足设计要求的小于50cm的工后残余沉降,均取决于下部地基是否有效加固。
  2、地基处理基本方式
  目前对地基加固的几种基本方式主要有:
  (1)换填法
  对于地基承载力不够或稳定性不好的地方,将基底下地基持力层或主要受力层换土,换成砂石或灰土,使地基承载力提高,沉降量减少,且砂石利于排水。
  优点分析:工期短,工艺简单、效果可靠;
  缺点:增加开挖、回填量,经济性差,只适用于浅层地基。
  (2)夯实法
  通过强夯、压路机碾压和振动压实、小型打夯机打夯等方式,使土体密实,加固浅层地基。其中强夯法施工时,选用几百剩余上千kN的锤,自高度10m以上高度落下,其夯击能量很大,较普通夯、碾压,不仅能使土体孔隙比显著减少,强大的能力还可以破坏土粒微观结构,产生进一步的体积压缩,使土更密实;同时对含水量较大的粘土,还会产生明显的排水固结,对含水量大的砂土会产生液化、排水,砂土颗粒重新排列、更加密实。强夯加固有效深度也较普通夯、碾压要大,其加固深度可按经验公式估算:
  z=α
  式中:M是锤重,kN;H是落距m;α是经验系数,一般取0.4~0.75
  优点分析:工艺简单;加固效果显著;工效高,施工速度快;节省材料、施工费用低,经济性佳;
  缺点:加固深度有限,强夯最深加固深度10m左右;强夯法噪音大、震波对邻近建筑物有一定影响,城市建筑物和人口密集区,不宜使用;淤泥或淤泥质软粘土不适宜。
  (3)加载排水固结法
  加载排水固结法机理:在压缩性高、含水量大、孔隙比大、软土较厚的土层中设置竖向及径向排水通道,上部采用堆载或真空预压等方式加载,在上部荷载的作用下,使深厚、饱和软土地基中孔隙水逐步排出,加快了地基的沉降与固结,以达到提高地基承载力的目的。
  地基中竖向排水通道可通过打设排水板、砂井、砂桩等形成,径向排水通道可通过设置砂垫层等形成。
  上部加载形式亦较多,主要有堆载预压、真空预压、堆载联合降水预压等工艺。其加载强度应大于将来场地交付后最大使用荷载,以保证地基始终处于超固结状态,不致再次产生固结沉降或失稳。
  优点:工艺成熟,加固效果好,真空预压工艺对周边土体影响小;
  缺点:成本高,固结时间长,堆载预压需控制好加载速度,加载过快会对周边土体造成影响。
  (4)复合地基法
  复合地基是指天然地基中部分土体得到增强,或被置换,或在天然地基中设置加筋材料,由基体和增强体两部分组成。在荷载作用下,基体和增强体共同承担荷载的作用。
  复合地基主要形式有水泥搅拌桩、粉喷桩、旋喷桩、碎石桩、挤密砂桩等。
  水泥搅拌桩是利用水泥或石灰,通过特制的深层搅拌机械,在预定深度内把地基土(适用于淤泥、软粘土)与水泥或石灰强行搅拌,形成柔性桩体或墙体。
  高压旋喷桩就是用钻机钻孔至预定深度,然后一面旋转提升钻杆,同时以20Mpa的强大压力向周围喷射水泥浆,形成桩体或墙体。
  碎石桩是利用振冲器,在高压水冲击和机械振动联合作用下,下沉成孔,通过振冲器的强力振动,使软弱粘土、砂性土颗粒析排列、振动密实;另一方面依靠振冲器的水平振动力,在加碎石、砂填料的情况下,通过碎石、砂使土层挤压密实;碎石桩/砂桩与桩间土体形成复合地基,从而提高地基承载力。
  优点分析:加固速度较快,效果好;
  缺点:工艺复杂、施工费用高,噪音大,水泥搅拌桩等对环境有一定影响。
  (4)其他辅助措施
  此外地基加固时还常常在基底设置土工织物、土工格栅等,通过其加筋、隔离等功能,增加土体的抗拉、抗变形能力,减少地基差异沉降和变形,增强建筑物的稳定性。
  另外采用淤泥快速固结剂等注浆-化学固结方式,在一些淤泥或淤泥质粘土加固工程中亦有应用。
  3 香港人工岛地基加固工艺介绍
  3.1 工程概况
  香港人工岛位于香港国际机场的东侧,地势由南向北倾斜加深,泥面标高从约-3.0~-10.0m,岸壁长6140m,面积约150万平米。交工标高+5.5。香港口岸人工岛处的设计高水位为+2.10m,平均水位为+1.20m,设计低水位为+0.30m。从海床面以下主要有两种土层,一是MD(海相沉积淤泥)层,二是ALL(残积土)层。MD层厚度大,含水量高,压缩比大,是本次地基加固的土层。陆域形成的技术要求为50年工后沉降不大于50cm。
  
  香港口岸人工岛原泥面等高线
  
  香港口岸人工岛典型钻孔断面图
  3.2 地基加固总体思路
  香港人工岛工程地基加固主要分为岛壁区和岛内回填区两大块进行。主要方式有:
  (1)岛壁区地基加固
  主要采用在海堤基底区域打设碎石桩穿透MD层,直至入ALL层下2m,碎石桩直径为1m,排距为3m,碎石粒径为20~50mm,桩长约20~30m,置换率约为8%。挤密碎石桩与原有淤泥、淤泥质粘土层形成复合地基,提高了地基承载力,同时随上部海堤施工,荷载增加,碎石桩还能起到竖向排水通道作用,地基进一步排水固结。
  (2)岛内回填区加固
  主要采用打设塑料排水板,铺砂垫层,形成竖向和径向排水通道,再在上部回填砂、公众填料加载,加载后恒载期6个月(预计,具体视海泥不排水抗剪强度增长),期满后卸载,地基加固结束。
  另外我部为了加快施工進度,同时节省堆载料运进、运出量,降低施工成本,还拟在部分回填区域采用堆载联合降水预压的地基加固方案。即在该区域周边打设钢板桩穿透砂层至淤泥不透水层下2m,形成止水帷幕,内部采用井点降水法,降低地下水位,使堆载土体由浮容重τ'变为天然容重τ,因τ-τ水=τ',故通过井点降水6m高,增加的堆载为6t/m,相当于替代了重度为2t/m3的堆载料3m高,拟采用堆载联合降水预压的区域面积约35万m2,则可节省约105万m3堆载、卸载量,且预计能缩短约5个月工期。
  
  香港口岸人工岛地基加固平面布置图
  3.3 具体工艺及难点分析
  3.3.1 排水板施工
  原设计排水板全部为水上施工。后因该区域南部海床面较浅,底标高约为-2.5~-4m左右,抛2m厚砂垫层后,排水板施工船舶吃水不够,故改为深水区水上施工排水板,浅水区待吹填砂至+3mPD,再陆上施工排水板。
  (1)水上排水板工艺
  a、采用双船体深水插板船,船上装备高精度GPS实时差分定位系统,插设桩机设备布置于船体中部,一次定位后,可以对29m×10m范围的区域进行打板作业,施工效率高偏差控制在±50mm以内。
  b、水上排水板由配置DZ40振动锤的排水板施工船施工,采用单锤双管施工,每次2根依次打设该格内排水板。
  
  水上排水板施工照片
  
  排水板船结构图
  
  排水板船定位示意图
  (2)陆上排水板工艺
  陆上排水板采用振动锤锤击下沉和液压下沉两种方式施工。因人工岛靠近香港机场,有限高要求,故不少区域陆上排水板施工,需采用带伸缩套管的振动插板机进行施工。
  a、液压直插法施工工艺流程
  
  液压直插法施工工艺流程图
  b、振动伸缩套管法施工工艺流程
  
  振动伸缩套管法施工流程图
  (3)排水板工艺通病治理
  a、排水板回带治理
  原因分析
  (a)排水板在打设过程中因桩靴与插管难以完全密封,淤泥挤入管内,造成排水板粘在插管内壁,插管上提时排水板随插管回带。
  (b)部分施工区域冲击层处为老粘土,粘性很大,当套管打入此处时,桩位成孔,孔壁光滑,对套管底部插销无向下压力,排水板自重、桩靴的重力及土体摩擦力小于插管上提时对排水板的摩阻力,不能脱销,或者脱销后排水板与粘土孔壁摩擦力小,致使排水板与套管一起被带上。
  (c)采用振动插时,有些区域冲击层处土质较硬,需开振动锤较长时间留振才能打到设计标高,长时间留振使泥沙、粘土挤入套管口,粘住插销和排水板,导致回带。
  解决办法
  (a)排水板施工时,打入设计标高后,卷扬机提升套管时,继续开启振动锤,振掉底部泥沙、振松插销,使排水板留底。此办法对于底口少量进泥的情况有效,宜与其他解决办法共用。
  (b)提高桩靴与插管底端结合处的密封性。主要通过改进桩靴和插管底口尺寸,使桩靴在施工时能尽可能堵住插管底口、防止泥沙进入,同时在桩靴底加焊钢筋头,适当增加桩靴重量,以便脱销。
  (c)陆上排水板施工,每台插板机均增加一套自动冲水装置,由高压水泵、耐高压塑料水管组成,在插管沉设过程中,给插管内加水,通过插管内水压力减少泥沙进入管内,降低插管上提时对排水板的摩阻力,有效解决了塑料排水板的回带现象。
  (d)插管顶部进带口处增加一组光滑的滚轴,排水板打设至指定深度后,插管上拔时,滚轴转动以减小塑料排水板与轴之间的摩擦,避免摩擦力过大产生回带。
  b、排水板扭带、被大风吹断现象的防治
  原因分析
  排水板桩架高度高,从插管口到地面的排水板外露自由长度长,易产生扭带现象,大风天气,还易被风刮断。
  解决办法
  沿插管高度方向上设置限位钢环,随振动锤和插管上下移动,以减少外露排水板的自由长度,限制其扭转,也不易被风刮断。
  3.3.2 碎石桩施工
  香港人工岛工程碎石桩施工由北京振冲负责施工。碎石桩施工采用1000~2000t专用水上振冲碎石桩施工船,起吊振冲器的履带吊、进行喂料用的长臂挖掘机及碎石仓在同一驳船上,每一条驳船即为一套施工设备组。
  船上装载GPS定位系统,可利用船上锚车进行精确定位。
  
  碎石桩施工工艺示意图
  工艺流程:抛填碎石垫层→振冲器定位→碎石桩成孔(辅助水冲)→循环填加碎石,循环振冲上拔→成桩→移至下一桩位。
  3.3.3 堆载联合降水预压工艺
  (1)工艺概述
  目前人工岛堆载联合降水预压尚未开展,我部已将方案提交给香港顾问公司,并积极推进。此工艺在香港工程中从未使用过,根据香港方面偏于保守、谨慎的习惯,推进有一定难度。但堆载联合降水预压在国内工程中有成功先例。
  主要工艺流程如下:
  
  (2)主要工艺
  a、降水井布置
  降水井的布置原则如下:
  截水井:沿格型钢板桩海墙与岛内止水帷幕陆侧后方5~6m处布置一排截水井,间距40m,截住从板桩锁口渗入的水。该排水井的抽水量应与计算的涌水量相同。
  疏干井:截水井后方20m起,大面积填筑区的降水井采用等间距满堂布置,间距40m。
  人工岛降水井的平面布置见附图(B区,其他区还待进一步规划)。
  
  
  
  人工岛降水井布置断面图
  b、降水井结构及施工工艺
  成井结构
  井管结构根据不同區域的原泥面标高而定,底标高为进入MD层以下1m,顶标高约+8.5m。井管长15m~20m,孔径377mm,井径300mm。
  抽水井材料采用钢管,公众填料部位为井壁管,回填砂部位为过滤管,外用80目纱布包缚。滤料采用中粗砂,止水采用粘土、海带。井管结构图见下图:
  
  井管结构图
  沉井工艺
  拟采用1台40T履带吊机和1台30T(37kw)液压振动锤等机具设备进行施工。
  成井施工步骤:
  定位放样→液压振动锤钳住套管顶部→套管底部安置锥形头并吊装定位→振动下放套管→井管吊装→下放井管→井管与套管间回填中粗砂(需辅以水冲)→振动上拔套管→成井施工完毕。见下图:
  
  沉降工艺流程示意图
  a: 套管吊装定位并在底部安置锥形头→b:使用液压振动锤振动下放套管→
  c: 井管吊装→d:下放井管→e:振动上拔套管→f:成井施工完毕
  4 总结
  地基加固方式很多,根据各种不同地质情况和固结度、抗剪强度要求,以及工程进度、成本要求,机械设备适用性、周边环境状况等因素,综合考虑,选择最合理的地基加固方式,运用科学的技术工艺,是地基有效加固的有力保证。
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