码头基槽深水深层无填料振冲施工技术研究

第18卷 第6期 中 国 水 运 Vol.18 No.6 2018年 6月 China Water Transport June 2018

收稿日期：2018-02-08

作者简介：潘志刚（1970-），男，湖北浠水人，中国港湾西部非洲区域公司高级工程师，从事港航施工管理工作。

码头基槽深水深层无填料振冲施工技术研究

潘志刚1

，杨彦豪

1，2，3

，黄军辉

1

（1.中国港湾西部非洲区域公司，科特迪瓦 06 BP 6687 Abidjan；2.中交四航工程研究院有限公司，广东 广州510200；

3.中交交通基础工程环保与安全重点实验室，广东 广州 510230）

摘 要：振冲法常被应用于码头后方堆场的地基加固，但将其用于处理重力式码头水下基槽却较为鲜见。以科特迪瓦阿比让港口扩建项目为依托，深入研究了重力式码头地基深水深层砂振冲施工中的主要技术问题。本文研究旨在对深水深层振冲工法的理论研究进行完善，为类似项目施工提供经验，为重力式码头地基处理设计提供新的思路。 关键词：深水深层；振冲施工；振冲器下沉困难；换填砂；含泥量

中图分类号：U655.54 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2018）06-0128-02

一、项目简介

科特迪瓦阿比让港口扩建项目，新建一座现代化的集装箱码头和一座滚装泊位和一座通用杂货泊位。地质情况复杂，地层在深度方向上软硬相间，在平面方向上强弱混杂，土层分布不均匀，从上到下依次为淤泥、细砂-粗砂、粘土、中粗砂，局部夹杂腐木层。在本项目的码头地基设计鉴于地质的复杂性，需将基础下的软弱层进行挖除，采用换填砂振冲处理，处理后SPT 击数不小于22。

二、深水深层换填砂振冲施工技术及研究 1．换填砂振冲施工及主要问题

在对该区域进行振冲施工时，经常遇到振冲器无法下沉到设计处理高程，无法使下部土体得到振冲密实。采用多种的振冲器均进行了多次尝试，功率高的振冲器下沉深度就稍大，但仍无法下沉到5m 以上深度。以往振冲时遇到振冲器难以下沉时，多采用增加辅助水管的方法增大振冲器的穿透能力，但采用该措施时，效果不显著。

2．振冲器下沉困难原因分析 （1）土体级配及含泥量的影响

施工过程中发现，回填砂的含泥量及级配对振冲影响很大。主要表现在两方面：1）含泥量大小影响换填砂后的水下自密实特性，含泥量越小，砂的自密实程度就越高，对应的SPT 击数就越大；2）在进行重塑含黏粒砂土的动模量和液化势研究时，黏粒在砂土颗粒之间起到“润滑作用”。这导致土体抵抗剪切变形能力降低，在激振力作用下，周围的砂更容易产生液化，土体强度迅速降低，易于振冲器下沉[1]。

振冲器下沉困难的情况在换填砂振冲施工中较为常见，然而在原位砂振冲中很少出现。原位砂是由自然沉积而成，土体中各粒径颗粒较为连续；而换填砂采用耙吸船或泥驳直抛的方法时，因水深大，砂土体中的细颗粒会随水流漂动，导致换填区域细颗粒的缺失，而某些区域细颗粒含量较大。

1）砂的级配和含泥量对水下自密实影响

Z1区和Z2区完成换填砂施工2周后，对其进行了振冲前SPT 检测，结果如图1所示。

从图1可以看出Z1区由于级配不良，且含泥量较小仅为1.02%，换填砂抛至

24m 的深水中，通过自密实其SPT 击数约为15且均大于10。而Z2区级配较好且含泥量为7.36%，其自密实后SPT 击数均小于10。由3.2节可知当下部土体密实度较大时，振冲器与土体的内摩擦角f 以及承载力系数q N 也相应增大，由3.2.3和3.2.4式可知，当振冲器的侧摩阻力和端阻力变大时，振冲器下沉时受到的阻力变大。振冲器下沉就困难。

图1 Z1和Z2区换填砂一周后SPT 击数 2）砂的级配和含泥量对于振冲液化影响

施工时发现，即使有些土体密实度很大（SPT 击数高），但是仍然可以很容易下穿。图2给出了Z1及Z3区的振冲前的SPT 曲线，从图中可以看出，虽然Z3区的SPT 击数很高，但是现场采用100kw 振冲器再次振冲该区域时，仍然可以轻松下沉；然而对于Z1区，虽然SPT 击数不超过15，但是100kw 振冲器仅能下沉3.5m 左右，并且对比本区域加固前Pre-SPT 和加固后Post-SPT1、Post-SPT2值可知，振冲器头部未能到达的区域的土体无法被加固，如图3所示。

因此砂的级配和含泥量对于振冲影响大，级配良好的砂振冲时易于穿透，并且土体密实度大大提升；而对于级配不良且含泥量较小的砂，容易发生振冲器下沉困难的情况。

第6期 潘志刚等：码头基槽深水深层无填料振冲施工技术研究 129

图2 Z1区及Z3区振冲前 图3 Z1区加固前后 SPT对比图 SPT对比图（2）水压和水量的影响

本项目选用水泵功率为75kw、扬程100m、流量为45m3。施工时水泵上压力表显示出水水压为0.8MPa左右，因水管路径太长，且存在较多的接头、转弯等，所以管道的沿程阻力和局部阻力较大，造成较大的水头损失。经过现场流量测试发现，振冲器在水面以上时流量约为550L/min；而当振冲器沉入水下的砂中时，其流量仅为350L/min。水量减小为原来的63.6%。由此可见，深水深层砂振冲时，在振冲器受到水压下，出水量大幅减小。

（3）振冲器的激振力的影响

在换填砂振冲施工时，发现75kw振冲器下沉到一定深度后就无法继续进行下沉。而采用100kw和132kw振冲器时，振冲器下沉深度稍大，但仍然无法继续下沉。试验结果显示，振冲器的功率越大，激振力越大，对周围土体的液化作用越明显，其下穿能力越强，振冲器下沉深度相对就大。

三、振冲施工下沉困难解决的措施

基于前述可知，砂的级配和含泥量、水压和水量、振冲器功率等是影响振冲器一次振冲厚度的重要因素。施工时，首先选择合格的砂源，确保砂的级配和含泥量满足设计和规范要求。但现实中，很难大量找到上述研究中提及的具有最佳含泥量和颗粒级配的砂，只好从现场施工工序的调整和目前国产振冲设备改进方面加以考虑。通过采取以下有效措施，基本解决了项目的深水深层振冲加固地基的问题。

1．分层振冲

振冲器所受的侧摩阻力和端阻力是影响下沉的关键因素，在无法使回填砂的颗粒级配及含泥量达到最优时，减小层厚，就可以相对减小振冲器所受的侧摩阻力和端阻力，振捣器就可以穿透该层，振冲处理结果达到设计要求。本项目的回填砂深度大，现有国产的振冲器无法一次下沉到设计处理高程。最佳分层厚度为6m，振冲器可以穿透此厚度，每层振冲施工完成后，均进行SPT自检，合格后再进行下一层回填、振冲。实践证明，采用分层回填和振冲施工方法，虽然效率稍低，但却能很好地解决振冲器下沉困难的问题。

2．采用高压水泵

根据现场振冲试验，因受深水压力及管路阻力的影响，振冲器配备的常规水泵无法满足深水深层砂振冲的需要。采用高压水泵增大水压和水量方式，来辅助振冲器下穿是非常必要的，通过现场多次试验，证明此方法具有一定效果。。

目前，大部分国产的振冲器出水口均位于振冲头末端，仅能向下冲水。建议后续遇到类似本项目的深水深层砂振冲施工时，在设备选用方面，可以跟振冲器生产厂家联合开发专用供水设施，可以从以下4个方面加以考虑：

（1）采用高扬程和大流量的水泵；（2）最好将供水管道集中在振冲杆内腔，减小振冲器的侧摩阻力；（3）综合考虑水泵扬程、流量、管道接口和出水口数量的适配性，减少不必要的水头损失；（4）调整振冲器头部出水口的分布，除了现有的振冲头底部出水口外，在振冲器头部四周增设水平出水口，以水平向切削土体，可以增大振冲器下沉能力。

3．采用大功率振冲器

建筑地基处理规范指出，不加填料振冲加密宜采用大功率振冲器[2]。通过本项目振冲实施中发现，振冲器功率越大越有助于其下穿。笔者了解到目前世界上著名振冲厂家Keller在进行科威特某地基处理项目时采用功率为290kw 的振冲器，其陆地振冲深度为20m左右。该项目中除少部分区域振冲器无法下沉至设计高程外，其他均可以顺利振冲。

由于国内设备的局限性，大功率振冲器往往受工艺制造等原因，配套的减震器作用不明显，且上部振冲杆刚度太小，无法承受大功率振冲器的剧烈振动，导致振冲器稳定性较差、设备故障率高。因此，在采用大功率振冲器振冲施工时，需要充分考虑振冲器本身及其配套设备的制造工艺[3]，特别是振冲杆和振冲器头部之间的减震措施必须予以重点考虑。

四、结论

本文通过理论及试验，研究结果可归结为以下几点：

对于级配良好含泥量8%左右的砂水下振冲，采用100kw振冲器，2.5m间距，上提间距0.5m，留振时间30s 进行振冲，效果最好。

对于含泥量为3%左右的水下换填砂，采用132kw及以下功率的振冲器，振冲时普遍存在振冲器下沉困难的情况，振冲器穿过的土体密实度可达到设计要求，振冲器未到达区域的土体无法被加固。

通过对振冲器进行受力分析可知，振冲器所受的侧摩阻力和端部阻力是影响振冲器下沉的主要因素，保证振冲器周围土体的液化程度和范围是振冲器顺利下沉的前提。

土体颗粒级配和含泥量对振冲影响较大，100kw振冲器在细颗粒缺失且含泥量为1.02%的回填砂中仅能下穿3.5m 左右，而在级配较均匀且含泥量为7.36%的回填砂中却可以轻松下穿8m。

参考文献

[1] 宋钢贤.振冲挤密法在深层回填砂地基处理中的改进应用

研究[J].珠江水运，2014，（11）：86-88.

[2] 吴建平，吴世明.重塑含粘粒砂土的动模量和液化势[J].

浙江大学学报（自然科学版）1988，22（6）：13-19. [3] J GJ79-2012.建筑地基处理技术规范[S].