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【摘 要】振冲密实法具有固化快,工效高和成本低的显著优势,但因其特殊的工艺,对地基填料提出了很高要求,一般适用于处理黏粒含量小于10%的中砂、粗砂地基。疏浚吹填陆域形成过程中,填料的质量是地基处理效果关键影响因素。以科威特LNGI疏浚回填工程为例,根据高标准地基处理工艺,借助理论和实践相结合的方式,总结了一些耙吸船施工工艺下砂料质量控制和砂料改良措施,保证了地基处理效果并取得理想的成本效益。
【关键词】振冲密实法;耙吸船;回填砂料;质量控制
一、工程概况
科威特LNGI疏浚吹填工程位于波斯湾,延海岸线吹填形成约45万m3液化天然气存储灌建设用地,吹填总量约为1135万m3,地基采用无填料振冲工艺进行地基加固。工程疏浚区土层从上到下分布为钙质岩帽,贝壳类土,中粗砂层,其中吹填区表层钙质岩帽和贝壳类土清表至-11至-13.5m,然后回填至+4.5m至+7.0m,地基处理厚度15.5m至20.5m;砂源区清表至中、粗砂层,清表厚度5~8m。其中清表疏浚由绞吸船和耙吸船联合施工,表层硬质岩帽层由绞吸船开挖,接近合格砂料层由耙吸船清挖。吹填施工吃水限制深度下由中型耙吸船底抛抛填,表层由绞吸船吹填(短运距砂源区)和耙吸船接管艏吹(长运距砂源区)。
二、质量控制风险源分析
1.根据工程地质钻孔资料,砂源区表层为钙质岩帽和贝壳质土,该类钙质土即便适于振冲,但相比硅质砂土具有较大的可破碎性和可压缩性,尤其是在高压力应力状态下蠕变速率较大,会导致地基处理后产生较大的工后沉降。
2.砂源区钙质土层下为硅质砂土层,颗粒级配不均匀性好,为可用做回填料,但原状土层普遍存在10%至30%的细颗粒含量(粒径小于0.075mm)。细颗粒在取砂过程中扰动,大量进入吹填区后在水力作用下重新分布,易在静置条件下形成富集土层,该类土层振冲效果不明显。
3.砂源区表层广泛存在的钙质岩帽和下层存在砂岩,因其强度加大,疏浚开挖过程中难以破碎为细小颗粒,部分会由挖泥船回填至吹填区。该类填料强度值较高,本质为合格砂料的聚合体而对地基强度不会造成大的影响。但在振冲工艺中,大粒径颗粒富集容易造成振冲头成孔困难,从而严重影响振冲效果甚至造成设备损坏。
三、质量控制标准
该工程验收标准为:地基承载力不小于200kpa,水面以上95%压实度,水面以下要求90%压实度,且10年工后沉降不应大于25mm。
基于验收标准,无填料振冲工艺特性和工程地质资料,针对耙吸船回填施工,标准[2]如下:
1.细颗粒含量FC(小于0.075)应小于15%,振冲适合性指数SN小于50;
2.地基处理深度范围内碳酸盐平均含量低于20%;
3.不得出现大于125mm粒径颗粒富集。
四、质量控制及优化措施
(一)大粒径岩块含量控制
砂源区表层钙质岩帽破碎后难以做到全部移除,部分始终残存在海床面,同时砂层中存在膠结砂,耙吸船装舱物中,大粒径岩块占有一定比例。通过观察并结合工程经验,钙质岩帽和胶结砂因空隙存在,其平均密度小,装舱过程中,装舱物在强大水流作用下呈“沸腾”状态,静置后多遍布在泥舱入流口附近表层,易于观察。同时,通过岩块撞击管壁声音,也可判断装舱物岩帽含量。
舱内岩帽无法筛选移除处理,通过艏吹则极易造成抽仓隧道堵塞,影响吹填效率。对于舱内出现富集的岩帽块,采取底抛抛填工艺,并分散抛卸至吹填区下层,最大限度“散布”岩块,降低对振冲施工的影响。
(二)钙质土含量控制
根据钻孔资料,以不同破碎程度贝壳为代表的钙质土分散于岩帽层以下,其与砂层界限随区域变化存在差异。根据破碎程度较高,可振冲性良好的钙质砂土,基于设计文件要求进行钙质含量测定和压缩性试验,建立临界状态下标准试样,作为耙吸船清表疏浚不合格材料界定的依据,质量控制采取对照观察和抽样验证结合的方式。
开工前,根据钻孔资料划定不同分区清表底标高,清挖过程中当接近该标高时,密切关注土质变化并逐层均匀浚深。装舱过程中从分流口处实时取样,驾驶台记录取样位置和深度,可精确获得某一深度和位置土质情况(疏浚物在吸泥管运动时间通过流速和其长度估计,然后通过船舶对地航速和DTPS轨迹推算取样位置)。通过实时连续性取样分析,可精确掌握土质情况,对于浚深至合格砂料层避免走线,集中开挖不合格材料区,避免超挖。同时,满载后装舱土质取样分析,判定是否满足回填要求。可作为填料的钙质砂土,通过耙吸船装舱底抛工艺[3]抛填,集中抛卸至吹填区底层。
(三)细颗粒含量控制
基于设计文件要求,采用 Brown [4]的可振冲性指数对回填料进行初步的判定。可振冲性指数 SN 计算公式如下所示:
其中D50 、D20、D20根据振冲级配曲线获取。不同 SN 值代表回填料可振冲性容易程度不一样,SN值越小,代表回填料越容易振冲,且越容易满足振冲密实度要求。基于SN值的可振冲评价表如表1。
通过取样样品上述方法用于细颗粒含量及可振冲性控制,耙吸船取砂吹填过程中,进行取样级配试验评定砂料质量。细颗粒含量一般可直接测得,可振冲性系数通过计算获取。
耙吸船挖砂装舱过程,土体扰动吸入装舱,舱内土体混合重组,溢流静置,形成新的土体分布,在抛或吹填的过程中再次混合,进入吹填区再次形成新的土体分布。利用上述特性,施工过程中通过对细颗粒含量监控,一方面评定砂料是否合格,另一方面通过调整抛或吹填位置,让土体实现均匀分布。
1.砂料取样评估。
耙吸船装舱过程,通过入流-溢流水力作用,不同粒径在舱内分布规律不同,一般在入流口(分流门)至溢流口间,水平方向上砂颗粒随着水流依次减小,并在溢流口附近易形成细颗粒富集,竖直方向底层砂颗粒粗,表层砂颗粒偏细。施工过程中取样,根据舱内颗粒分部程度,在舱内不同位置提取6个代表性砂样,充分混合后进行砂料级配试验。根据试验级配结果进行分类和评估,对于级配曲线落在A、B区的评定为优质砂料,落在C区的评定为一般砂料,落在D区的评定为不合格砂料。优质填料可定点抛填填或艏吹吹填,一般砂料分散抛填且避免抛卸至底层,不合格材料不用作填料而外抛处理。 由于上述级配试验耗时较长,通常通过级配试验建立标准试样,取样对照观察。
2.耙吸船工艺下减小细颗粒含量措施。
(1)分区分层开挖
疏浚取砂过程中,耙吸船开挖砂源区宜采用分区逐层浚深开挖,确保施工效率不受限制的前提下,小范围开挖取砂。砂源区小范围内砂质特性变动一般相对较小,分层分区开挖有利于相同类土的集中处理。
(2)逐级调整溢流
耙吸船装舱过程中,随着舱内水面漫过溢流口,粗颗粒沉淀,粉、黏粒随溢流部分溢出。开始装舱时,将溢流口设置在较低高度,尽快实现溢流,减少开始溢流前细颗粒的沉淀。随着装载量增加,逐级提升溢流口高度,装舱过程中和满载后降低溢流释放浊液。通过装舱过程中溢流位置调节,增加溢流损失,粉黏颗粒最大限度的排出。取样试验结果测得,溢流口处样品细颗粒平均含量约为7%,远低于控制标准。
(3)优化抛填顺序
回填过程中,土体抛填过程实现土体第二次混合,细颗粒在水力作用下重新分布在吹填区静水区域形成回淤层。回淤多集中在圍堰边角、有掩护区域或水深较大区域。首先吹填边角等无法实现底抛抛填的区域,抛填顺序宜由内向开敞水域推进逐层抛卸,抛卸形成浅区尽量平整。对于一般砂料,宜在中上层散抛,避免富集。
五、质量控制效果及效益分析
钙质砂土的精确监控,避免了超挖造成合格材料的流失,缩短了清表工期、节约了船机使用成本和砂料。
细颗粒含量监控及降低措施,细颗粒(粒径小于0.075mm)含量均低于5%(见表2),耙吸船吹填相比绞吸船吹填造成吹填区回淤强度大大降低,清淤频率仅为绞吸船的1/3, 船机使用成本节约明显。
根据振冲前CPT试验检验结果,未出现细颗粒夹层和不适于振冲类土层,振冲施工未出现大颗粒岩块造成的成孔困难,地基处理效果满足该项目技术标准要求。
六、结束语
通过一系列质量监控措施,为耙吸船抛(吹)填施工提供指导,使偏差砂料和优质砂料的有机混合,实现填料的改良,经济效益显著。
耙吸船在疏浚吹填料细颗粒控制方面特别具备优越性,并能通过溢流调节等措施实现砂料进一步改良。
耙吸船施工的实时取样监控,实时掌握砂源区土质随层变化情况,对不合格材料清表移除超挖控制有利。
参考文献:
[1] 龚晓南,地基处理手册(第三版),北京:中国建筑工业出版社,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] 王谷谦,疏浚工程手册,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.
【关键词】振冲密实法;耙吸船;回填砂料;质量控制
一、工程概况
科威特LNGI疏浚吹填工程位于波斯湾,延海岸线吹填形成约45万m3液化天然气存储灌建设用地,吹填总量约为1135万m3,地基采用无填料振冲工艺进行地基加固。工程疏浚区土层从上到下分布为钙质岩帽,贝壳类土,中粗砂层,其中吹填区表层钙质岩帽和贝壳类土清表至-11至-13.5m,然后回填至+4.5m至+7.0m,地基处理厚度15.5m至20.5m;砂源区清表至中、粗砂层,清表厚度5~8m。其中清表疏浚由绞吸船和耙吸船联合施工,表层硬质岩帽层由绞吸船开挖,接近合格砂料层由耙吸船清挖。吹填施工吃水限制深度下由中型耙吸船底抛抛填,表层由绞吸船吹填(短运距砂源区)和耙吸船接管艏吹(长运距砂源区)。
二、质量控制风险源分析
1.根据工程地质钻孔资料,砂源区表层为钙质岩帽和贝壳质土,该类钙质土即便适于振冲,但相比硅质砂土具有较大的可破碎性和可压缩性,尤其是在高压力应力状态下蠕变速率较大,会导致地基处理后产生较大的工后沉降。
2.砂源区钙质土层下为硅质砂土层,颗粒级配不均匀性好,为可用做回填料,但原状土层普遍存在10%至30%的细颗粒含量(粒径小于0.075mm)。细颗粒在取砂过程中扰动,大量进入吹填区后在水力作用下重新分布,易在静置条件下形成富集土层,该类土层振冲效果不明显。
3.砂源区表层广泛存在的钙质岩帽和下层存在砂岩,因其强度加大,疏浚开挖过程中难以破碎为细小颗粒,部分会由挖泥船回填至吹填区。该类填料强度值较高,本质为合格砂料的聚合体而对地基强度不会造成大的影响。但在振冲工艺中,大粒径颗粒富集容易造成振冲头成孔困难,从而严重影响振冲效果甚至造成设备损坏。
三、质量控制标准
该工程验收标准为:地基承载力不小于200kpa,水面以上95%压实度,水面以下要求90%压实度,且10年工后沉降不应大于25mm。
基于验收标准,无填料振冲工艺特性和工程地质资料,针对耙吸船回填施工,标准[2]如下:
1.细颗粒含量FC(小于0.075)应小于15%,振冲适合性指数SN小于50;
2.地基处理深度范围内碳酸盐平均含量低于20%;
3.不得出现大于125mm粒径颗粒富集。
四、质量控制及优化措施
(一)大粒径岩块含量控制
砂源区表层钙质岩帽破碎后难以做到全部移除,部分始终残存在海床面,同时砂层中存在膠结砂,耙吸船装舱物中,大粒径岩块占有一定比例。通过观察并结合工程经验,钙质岩帽和胶结砂因空隙存在,其平均密度小,装舱过程中,装舱物在强大水流作用下呈“沸腾”状态,静置后多遍布在泥舱入流口附近表层,易于观察。同时,通过岩块撞击管壁声音,也可判断装舱物岩帽含量。
舱内岩帽无法筛选移除处理,通过艏吹则极易造成抽仓隧道堵塞,影响吹填效率。对于舱内出现富集的岩帽块,采取底抛抛填工艺,并分散抛卸至吹填区下层,最大限度“散布”岩块,降低对振冲施工的影响。
(二)钙质土含量控制
根据钻孔资料,以不同破碎程度贝壳为代表的钙质土分散于岩帽层以下,其与砂层界限随区域变化存在差异。根据破碎程度较高,可振冲性良好的钙质砂土,基于设计文件要求进行钙质含量测定和压缩性试验,建立临界状态下标准试样,作为耙吸船清表疏浚不合格材料界定的依据,质量控制采取对照观察和抽样验证结合的方式。
开工前,根据钻孔资料划定不同分区清表底标高,清挖过程中当接近该标高时,密切关注土质变化并逐层均匀浚深。装舱过程中从分流口处实时取样,驾驶台记录取样位置和深度,可精确获得某一深度和位置土质情况(疏浚物在吸泥管运动时间通过流速和其长度估计,然后通过船舶对地航速和DTPS轨迹推算取样位置)。通过实时连续性取样分析,可精确掌握土质情况,对于浚深至合格砂料层避免走线,集中开挖不合格材料区,避免超挖。同时,满载后装舱土质取样分析,判定是否满足回填要求。可作为填料的钙质砂土,通过耙吸船装舱底抛工艺[3]抛填,集中抛卸至吹填区底层。
(三)细颗粒含量控制
基于设计文件要求,采用 Brown [4]的可振冲性指数对回填料进行初步的判定。可振冲性指数 SN 计算公式如下所示:
其中D50 、D20、D20根据振冲级配曲线获取。不同 SN 值代表回填料可振冲性容易程度不一样,SN值越小,代表回填料越容易振冲,且越容易满足振冲密实度要求。基于SN值的可振冲评价表如表1。
通过取样样品上述方法用于细颗粒含量及可振冲性控制,耙吸船取砂吹填过程中,进行取样级配试验评定砂料质量。细颗粒含量一般可直接测得,可振冲性系数通过计算获取。
耙吸船挖砂装舱过程,土体扰动吸入装舱,舱内土体混合重组,溢流静置,形成新的土体分布,在抛或吹填的过程中再次混合,进入吹填区再次形成新的土体分布。利用上述特性,施工过程中通过对细颗粒含量监控,一方面评定砂料是否合格,另一方面通过调整抛或吹填位置,让土体实现均匀分布。
1.砂料取样评估。
耙吸船装舱过程,通过入流-溢流水力作用,不同粒径在舱内分布规律不同,一般在入流口(分流门)至溢流口间,水平方向上砂颗粒随着水流依次减小,并在溢流口附近易形成细颗粒富集,竖直方向底层砂颗粒粗,表层砂颗粒偏细。施工过程中取样,根据舱内颗粒分部程度,在舱内不同位置提取6个代表性砂样,充分混合后进行砂料级配试验。根据试验级配结果进行分类和评估,对于级配曲线落在A、B区的评定为优质砂料,落在C区的评定为一般砂料,落在D区的评定为不合格砂料。优质填料可定点抛填填或艏吹吹填,一般砂料分散抛填且避免抛卸至底层,不合格材料不用作填料而外抛处理。 由于上述级配试验耗时较长,通常通过级配试验建立标准试样,取样对照观察。
2.耙吸船工艺下减小细颗粒含量措施。
(1)分区分层开挖
疏浚取砂过程中,耙吸船开挖砂源区宜采用分区逐层浚深开挖,确保施工效率不受限制的前提下,小范围开挖取砂。砂源区小范围内砂质特性变动一般相对较小,分层分区开挖有利于相同类土的集中处理。
(2)逐级调整溢流
耙吸船装舱过程中,随着舱内水面漫过溢流口,粗颗粒沉淀,粉、黏粒随溢流部分溢出。开始装舱时,将溢流口设置在较低高度,尽快实现溢流,减少开始溢流前细颗粒的沉淀。随着装载量增加,逐级提升溢流口高度,装舱过程中和满载后降低溢流释放浊液。通过装舱过程中溢流位置调节,增加溢流损失,粉黏颗粒最大限度的排出。取样试验结果测得,溢流口处样品细颗粒平均含量约为7%,远低于控制标准。
(3)优化抛填顺序
回填过程中,土体抛填过程实现土体第二次混合,细颗粒在水力作用下重新分布在吹填区静水区域形成回淤层。回淤多集中在圍堰边角、有掩护区域或水深较大区域。首先吹填边角等无法实现底抛抛填的区域,抛填顺序宜由内向开敞水域推进逐层抛卸,抛卸形成浅区尽量平整。对于一般砂料,宜在中上层散抛,避免富集。
五、质量控制效果及效益分析
钙质砂土的精确监控,避免了超挖造成合格材料的流失,缩短了清表工期、节约了船机使用成本和砂料。
细颗粒含量监控及降低措施,细颗粒(粒径小于0.075mm)含量均低于5%(见表2),耙吸船吹填相比绞吸船吹填造成吹填区回淤强度大大降低,清淤频率仅为绞吸船的1/3, 船机使用成本节约明显。
根据振冲前CPT试验检验结果,未出现细颗粒夹层和不适于振冲类土层,振冲施工未出现大颗粒岩块造成的成孔困难,地基处理效果满足该项目技术标准要求。
六、结束语
通过一系列质量监控措施,为耙吸船抛(吹)填施工提供指导,使偏差砂料和优质砂料的有机混合,实现填料的改良,经济效益显著。
耙吸船在疏浚吹填料细颗粒控制方面特别具备优越性,并能通过溢流调节等措施实现砂料进一步改良。
耙吸船施工的实时取样监控,实时掌握砂源区土质随层变化情况,对不合格材料清表移除超挖控制有利。
参考文献:
[1] 龚晓南,地基处理手册(第三版),北京:中国建筑工业出版社,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] 王谷谦,疏浚工程手册,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.