CN104005399A - 码头工程水下振冲碎石桩复合地基施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种码头工程水下振冲碎石桩复合地基施工方法，其包括以下步骤：(1)确定复合地基施工的范围；(2)确定实际施工过程中，水下振冲碎石桩的平均桩径及其面积置换率，并按照所确定参数施工；(3)根据设计状况下的复合地基承载力标准值以及检测状况下的复合地基承载力标准值，确定复合地基承载力在满足要求的情况下施工；(4)确定复合地基的沉降值是否满足要求，并在满足要求的情况下施工。本发明使振冲碎石桩复合地基满足重力式码头地基极限承载力、整体稳定、允许偏差及沉降要求，使复合地基的各项指标满足设计要求和规范规定，为振冲桩处理海域软基的设计、施工、检测等方法创建了范例，开拓了新的领域。

Description

码头工程水下振冲碎石桩复合地基施工方法

技术领域

本发明涉及渔港码头工程技术，特别是涉及一种码头工程水下振冲碎石桩复合地基施工方法。

背景技术

我国环渤海、黄海、东海及南海漫长的临海地带修建了众多的港口码头，带动了沿海大、中、小港口城市社会与经济的发展，构成了我国对外开放的重要窗口。在我国沿海、内陆大江大河、湖泊分布着1838个渔港，其中沿海渔港有1483个，内陆渔港有355个，这些渔港码头的工程地质情况有海岸沉积、浅海沉积、湖泊沉积、河滩沉积和残积所形成的松、软土层，这些土多属含水量高、孔隙率大、呈软塑与流塑态的泥炭、淤泥、淤泥质土和极松散的粉砂类土，其强度低，稳定性差，压缩性高、沉降量大、抗震性能极弱。在其上修建港口重力式码头往往多采用大开挖换填石料的地基处理方法，既耗资巨大又费工费时。为此，很有必要对港口重力式码头工程软基处理进行研究，创建更经济、合理、有效的加固处理海域软土地基的技术与措施，对拓展我国港口工程建设技术具有重要和现实的意义。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种码头工程水下振冲碎石桩复合地基施工方法，实现经济、合理、有效的加固处理海域软土地基，以便修建港口重力式码头。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种码头工程水下振冲碎石桩复合地基施工方法，其包括以下步骤：

(1)：确定复合地基施工的范围；

(2)：确定实际施工过程中，水下振冲碎石桩的平均桩径及其面积置换率，并按照所确定参数施工；

(3)：根据设计状况下的复合地基承载力标准值以及检测状况下的复合地基承载力标准值，确定复合地基承载力在满足要求的情况下施工；

(4)：确定复合地基的沉降值是否满足要求，并在满足要求的情况下施工。

优选地，所述步骤(1)具体包括：

首先，在码头基础厚度抛石基床以下软弱地基划定复合地基的处理范围；

然后，根据划定的复合地基处理范围，设定水下振冲碎石桩的桩距、布桩形式、桩径及桩长；

最后，根据设定的桩径、桩距来确定复合地基在不同土层中碎石桩的面积置换率，所述土层包括作为持力层的粉细砂层和作为下卧层的粉质粘土层，面积置换率m的计算公式为：m＝d²/d_e ²，其中，d为碎石桩的直径，d_e为等效影响圆的直径。

优选地，所述步骤(2)具体包括：

测定复合地基不同砂土层中碎石桩桩径值、以及面积置换率，将其与步骤(1)中的预先设定值相比较，在满足施工标准的情况下进行施工。

优选地，所述步骤(3)具体包括：

首先，设计状况下的复合地基承载力标准值，单位Kpa，为：

fspk＝[1+m(n-1)]fsk   (1)

式中：fspk—复合地基承载力标准值；m—面积置换率；n—桩土应力比；fsk—加固后的桩间土承载力标准值，单位Kpa；

利用式(1)分别计算复合地基不同砂土层的复合地基承载力标准值；

其次，检测状况下的复合地基承载力标准值，单位Kpa，为：

fspk＝mfpk+(1-m)fsk   (2)

式中：fspk—复合地基承载力标准值，单位Kpa；fpk—碎石桩承载力标准值，单位Kpa；fsk—桩间土承载力标准值，单位Kpa；m—面积置换率；

利用式(2)分别计算复合地基不同砂土层的复合地基承载力标准值；

判断粉质粘土层复合地基承载力标准值大于粉细砂层底面最大应力的情况下进行施工。

优选地，复合地基承载力应满足下式要求：

Pd≤fspk/rc

式中：Pd—基础底面处竖向应力设计值(Kpa)；

f_spk—复合地基承载力标准值；

rc—分项系数，当f_spk由载荷试验确定时rc取1.0；

该判断标准的作用是确保复合地基承载力大于基础底面处竖向应力，保证复合地基承载力满足结构设计要求；

不同土层的f_spk均需满足上式要求。

优选地，所述碎石桩的布桩形式为等边三角形、正方形或矩形。

(三)有益效果

上述技术方案所提供的码头工程水下振冲碎石桩复合地基施工方法，使振冲碎石桩复合地基满足重力式码头地基极限承载力、整体稳定、允许偏差及沉降要求，使复合地基的各项指标满足设计要求和规范规定，为振冲桩处理海域软基的设计、施工、检测等方法创建了范例，开拓了新的领域。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本实施例以振冲桩复合地基技术在山东石岛中心渔港码头工程软弱地基处理中的应用为例进行描述，提出振冲桩处理软基的适用条件、施工工艺及振冲桩主要设计参数(留振时间、振密电流、充盈系数等)；桩体质量检测与评价方法、桩体及桩间土层承载力检测与评价方法、复合地基承载力标准值检验与评价，使振冲碎石桩复合地基满足重力式码头地基极限承载力、整体稳定、允许偏差及沉降要求，实现振冲桩处理我国重力式码头工程软弱地基零的突破，达到国内领先水平。

本实施例所采用的技术路线如下：

通过试验对桩体采用重型动力触探，进行桩体密实度检测，分析计算确定桩体承载力。

对桩间土采用标准贯入、十字板剪切进行原位试验，并结合室内试验，确定桩间土承载力。

首先分析计算确定满足复合地基承载力要求的设计及施工参数，进行实验段施工，在施工过程中随时采用动力触探对桩体进行检测，采用十字板进行原位剪切试验，分析桩间土承载力，随时进行碎石桩复合地基承载力计算及分析，适时调整设计与施工相关参数，使经加固处理的地基都满足设计承载力要求。

选取FG段渔业码头总体工程的一个自然段(长19.8米)，做为工程试验段，结合工程自下而上逐级施工的工序，进行原型载荷试验，同时观测沉降与位移。最终确定工程加固方案和施工载荷的施工顺序和要求，指导全部工程段的实施。

本实施例工程概况描述如下：

1、项目地理位置及承建单位

拟建山东省石岛中心渔港位于山东半岛东南端荣成市石岛湾内，地理坐标北纬36°53′、东经122°25′。

2、项目建设内容及规模

渔业码头231米，综合码头234米，渔业码头162米与综合码头234米软弱地基采用振冲碎石桩施工法进行处理，形成复合地基。

3、码头结构与尺度

码头采用带卸荷板的重力式混凝土方块结构，软基处理采用水下振冲碎石桩复合地基。码头面前沿高程+4.0m，港池底标高－6.0m。墙身为带卸荷板的预制砼实心方块，墙后为10～100㎏抛石棱体，墙底宽4.0m，墙身宽3.3m,由于淤泥较厚，为减少抛石基床工程量及考虑未来兼靠大型船舶，基床顶高程为-6.0m。码头泊位采用顺岸式布置，渔业码头前方作业宽度为30m。

工艺荷载

1、堆货荷载：堆货荷载标准值q＝20Kpa。

2、汽车荷载：10T汽车荷载标准值为100KN。

3、波浪作用

(1)设计波浪要素：设计波浪重现期取50年一遇，极端高水位，H1％＝2.0，H5％＝1.66，H13％＝1.36m，T＝10.0s，L＝98.0m；设计高水位H1％＝1.96m，H5％＝1.61m，H13％＝1.30m，T＝10.0s，L＝98.0m。

(2)波浪力：E向浪经绕射后波向线与码头轴线夹角较小，为顺浪，根据大连理工大学所做波浪分析计算报告中的建议折减系数及海港工程设计手册中有关斜向波作用的折减公式，按立波作用计算时，取折减系数为0.7。顺浪波高折减后按立波作用计算，作用效应为：

极端高水位，波吸力110.7KN/m，

设计高水位，波吸力97.16KN/m；

4、船舶荷载

(1)设计代表船：1600Hp远洋鱿钓船(渔船长度74.31m，船宽11.3米，艉吃水4.2米)。

(2)系缆力：系缆力取N＝170KN。则系缆力横向分力Nx＝82.1KN，系缆力竖向分力Nz＝44.0KN。

码头稳定性验算

码头抗滑、抗倾稳定性控制情况结果见表一

表一

码头基床承载力验算

计算控制情况为极端低水位，作用效应组合：永久作用+堆载。

基床顶面应力σ_max＝321.29Kpa，σ_min＝96.38Kpa

工程地质

1、岩土分布特征

根据2005年5月青岛海洋地质工程勘察院编写的《山东省荣成市石岛中心渔港码头工程地质勘察报告》，拟建工区海域海底较平坦，勘探深度内岩土空间分布较复杂。拟建工区海域勘察深度内岩土自上而下可分为8层，各地层的有关岩土工程性能评述如下：

①层淤泥质粉质粘土：灰色～灰黑色，饱和～过饱和，流塑，成分不均匀，含有机质，有腥臭味，含有较多贝壳碎片，局部夹有粉砂、粉土薄层。其天然含水量平均值为44.6％，属高压塑性海相淤泥质土，承载力低，未经处理不能作为地基基础持力层。

②层粉细砂：黄褐色，饱和，中密～密实状态；分选、磨圆较好，无粘感；主要矿物成分为石英、长石，含较多贝壳碎片及卵石。标准贯入度试验击数平均为26.6击，地基容许承载力f＝200Kpa。可作为一般水工建筑物地基持力层。

③层粉细砂：灰色，饱和，松散～稍密状态，分选、磨圆较好；主要矿物成分为石英、长石，含贝壳碎片，粘粒含量不均匀。该层在工区分布较为广泛，层厚变化较大，且局部地段缺失。标准贯入度试验击数平均为8.2击，地基容许承载力f＝100Kpa，工程力学性质较差，未经处理不宜作为地基基础持力层。

④层粉质粘土：灰色～灰黑色，饱和，流塑～软塑状态；含有机质，污手现象较严重，不均匀，含贝壳碎片、砂等，局部粉粒含量较高，呈粉质粘土状。其天然含水量平均值为34.3％，属高压塑性海相软土，工程力学性质差，地基容许承载力f＝70Kpa，未经处理不能作为地基基础持力层。

⑤层粉细砂：灰褐色～黄褐色，饱和，松散～稍密状态；分选、磨圆较好；成分不均，含少量粘粒及贝壳碎片。标准贯入度试验击数平均为13击，地基容许承载力f＝150Kpa。

⑥层粉质粘土：深褐色～黄褐色，饱和，可塑状态，成分不均，含砂不均，局部含砂较高，有铁、锰质浸染痕迹。该层工程力学性质较好，地基容许承载力f＝210Kpa。可作为一般水工建筑物地基持力层。

⑦层中粗砂：黄褐色，饱和，稍密～密实，以中密状态为主，随深度增加密实程度增加；磨圆一般，以次圆状～次棱角状为主；分选不好，级配较差，以中粗砂为主，一般下部砾石、碎石含量增加。标准贯入度试验击数平均为21.6击，地基容许承载力f＝260Kpa,工程力学性质较好,强度较高，为良好的水工建(构)筑物地基基础持力层。

⑧层强风化基岩：风化强烈，岩芯呈致密砂土状或碎块状，冲击钻及干钻较困难。强风化基岩结构致密，强度高，是良好的水工建(构)筑物地基基础持力层。

2、不良地质现象：

第③层灰色～灰黑色粉细砂强度低、压缩性高且空间分布不连续，与第④层高压缩性软弱海相灰色～灰黑色粉质粘土构成的厚度较大的软弱下卧层为影响本工程建设的主要不良地质现象。在进行基础持力层选择时应引起重视，如选择其上覆岩土层作为基础持力层，要根据地质勘察报告提供的有关数据进行详细的软弱下卧层验算后确定。并且，在进行基础施工方案设计时要充分考虑其高压缩性、低强度的特点，采取可靠、有效的工程措施。

3、岩、土物理力学性质

(1)各岩土层容许承载力

根据现场测试、土工试验，参照《港口工程地质勘察规范》并结

合本地区经验，各岩土层的容许承载力(f)建议值如下：

(2)各岩土层物理力学指标

土工试验成果表，如表二所示。

表二

码头工程水下振冲碎石桩复合地基施工过程：

(1)地基处理的范围

①231米渔业码头段(其中软弱地基段162米)

码头基础4.50米厚抛石基床以下软弱地基采用振冲碎石桩加固，形成满足地基承载力要求的复合地基。其处理范围为沿码头轴线长度162米，沿码头前沿轴线横向，前后分别为10.5米和7.8米。

②设计桩距、布桩形式、桩径及桩长

碎石桩桩距1.8米，等三角形布置，粉细砂层碎石桩桩径900mm，粉质粘土层碎石桩桩径1050mm，桩长5500～6500mm。

③面积置换率：m＝d²/d_e ²

粉细砂层：m＝0.9²/1.89²＝0.227

粉质粘土层：m＝1.05²/1.89²＝0.309

面积置换率根据设定的桩径、桩距来确定复合地基在不同土层中碎石桩，所述土层包括作为持力层的粉细砂层和作为下卧层的粉质粘土层，面积置换率中，d为碎石桩的直径，d_e为等效影响圆的直径。

(2)实际施工平均桩径及面积置换率(根据三次检测资料分析)

①桩径：粉细砂层平均桩径d为1.10米，比设计桩径0.9米增加22.22％，经分析与砂层振动液化有关。粉质粘土层平均桩径d为1.088米，比设计桩径1.05米增加3.6％。

②面积置换率：粉细砂层，碎石桩桩距1.8米，平均面积置换率m为0.3409，比设计面积置换率增加50.17％，主要原因是该层位于所处理地基的最上层，上无覆盖土层，振动引起砂层上部液化，减少了砂土对桩径的约束，形成桩顶扩大的蘑菇状，且顶部基本形成连片的碎石层，经处理可作为碎石垫层利用；

粉质粘土层，桩距1.8米，平均面积置换率m为0.3345，比设计面积置换率m＝0.309增加8.25％。

(3)复合地基承载力验算

复合地基承载力应满足下式要求：

P_d≤f_spk/r_c

式中：P_d—基础底面处竖向应力设计值(Kpa)；

f_spk—复合地基承载力标准值；

r_c—分项系数，当f_spk由载荷试验确定时rc取1.0；

该判断标准的作用是确保复合地基承载力大于基础底面处竖向应力，保证复合地基承载力满足结构设计要求；

不同土层的f_spk均需满足上式要求。

(4)设计状况下的复合地基承载力标准值(Kpa)

f_spk＝[1+m(n-1)]f_sk

式中：f_spk—复合地基承载力标准值；

m—面积置换率；

n—桩土应力比；

f_sk—加固后的桩间土承载力标准值(Kpa)。

a、粉细砂层复合地基承载力标准值(Kpa)

f_spk＝[1+0.227(3-1)]×200＝290.80Kpa

b、粉质粘土层复合地基承载力标准值(Kpa)

f_spk＝[1+0.309(4.5-1)]×70＝145.7

基床顶面应力标准值(Kpa)

计算控制情况为极端低水位，作用效应组合：永久作用+堆载。

基床厚度4.0米时，基床底面应力σ/_max＝149.67Kpa,σ/_min＝71.5Kpa。

①粉细砂层(持力层)底面应力标准值(Kpa)

计算控制情况为极端低水位，粉细砂层最小计算厚度为2.5米，粉细砂层(持力层)底面应力σ/_max＝142.3Kpa。

②粉质粘土层(下卧层)复合地基承载力标准值(Kpa)应大于粉细砂层(持力层)底面最大应力(Kpa)

(5)检测状况下的复合地基承载力标准值(Kpa)

根据多次外业检测结果的分析：

a、粉细砂层(持力层)复合地基承载力标准值(Kpa)

f_spk＝mf_pk+(1-m)f_sk

式中：f_spk—复合地基承载力标准值；

f_pk—碎石桩承载力标准值；

f_sk—桩间土承载力标准值；

m—面积置换率

f_spk＝mf_pk+(1-m)f_sk

＝0.321×541.81+(1-0.321)×207.42

＝314.76Kpa

b、粉质粘土层(下卧层)复合地基承载力标准值(Kpa)

f_spk＝mf_pk+(1-m)f_sk

＝0.351×341.48+(1-0.351)×70

＝165.29Kpa

⑤复合地基承载力验算

复合地基承载力验算结果表，见表三所示。

表三

(6)沉降

本项目计算断面最大沉降量为15.20cm。

根据试验段沉降位移观测结果(观测时间1个半月)，码头前沿累计沉降量为4.0cm，码头后沿累计沉降量为6.9cm，满足规范沉降要求。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种码头工程水下振冲碎石桩复合地基施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)：确定复合地基施工的范围；

(2)：确定实际施工过程中，水下振冲碎石桩的平均桩径及其面积置换率，并按照所确定参数施工；

(3)：根据设计状况下的复合地基承载力标准值以及检测状况下的复合地基承载力标准值，确定复合地基承载力在满足要求的情况下施工；

(4)：确定复合地基的沉降值是否满足要求，并在满足要求的情况下施工。

2.如权利要求1所述的码头工程水下振冲碎石桩复合地基施工方法，其特征在于，所述步骤(1)具体包括：

首先，在码头基础厚度抛石基床以下软弱地基划定复合地基的处理范围；

然后，根据划定的复合地基处理范围，设定水下振冲碎石桩的桩距、布桩形式、桩径及桩长；

最后，根据设定的桩径、桩距来确定复合地基在不同土层中碎石桩的面积置换率，所述土层包括作为持力层的粉细砂层和作为下卧层的粉质粘土层，面积置换率m的计算公式为：m＝d²/d_e ²，其中，d为碎石桩的直径，d_e为等效影响圆的直径。

3.如权利要求2所述的码头工程水下振冲碎石桩复合地基施工方法，其特征在于，所述步骤(2)具体包括：

测定复合地基不同砂土层中碎石桩桩径值、以及面积置换率，将其与步骤(1)中的预先设定值相比较，在满足施工标准的情况下进行施工。

4.如权利要求3所述的码头工程水下振冲碎石桩复合地基施工方法，其特征在于，所述步骤(3)具体包括：

首先，设计状况下的复合地基承载力标准值，单位Kpa，为：

fspk＝[1+m(n-1)]fsk   (1)

式中：fspk—复合地基承载力标准值；m—面积置换率；n—桩土应力比；fsk—加固后的桩间土承载力标准值，单位Kpa；

利用式(1)分别计算复合地基不同砂土层的复合地基承载力标准值；

其次，检测状况下的复合地基承载力标准值，单位Kpa，为：

fspk＝mfpk+(1-m)fsk   (2)

式中：fspk—复合地基承载力标准值，单位Kpa；fpk—碎石桩承载力标准值，单位Kpa；fsk—桩间土承载力标准值，单位Kpa；m—面积置换率；

利用式(2)分别计算复合地基不同砂土层的复合地基承载力标准值；

判断粉质粘土层复合地基承载力标准值大于粉细砂层底面最大应力的情况下进行施工。

5.如权利要求4所述的码头工程水下振冲碎石桩复合地基施工方法，其特征在于，

复合地基承载力应满足下式要求：

Pd≤fspk/rc

式中：Pd—基础底面处竖向应力设计值(Kpa)；

f_spk—复合地基承载力标准值；

rc—分项系数，当f_spk由载荷试验确定时rc取1.0；

该判断标准的作用是确保复合地基承载力大于基础底面处竖向应力，保证复合地基承载力满足结构设计要求；

不同土层的f_spk均需满足上式要求。

6.如权利要求2所述的码头工程水下振冲碎石桩复合地基施工方法，其特征在于，所述碎石桩的布桩形式为等边三角形、正方形或矩形。