振冲法最初由德国工程师Steuerman提出^[1], 在德国应用于砂土地基加固并取得显著成效后逐渐推广到美国、英国、德国、日本、中国等国^[2,3]。在工艺演变过程中, 振冲法处理对象逐渐由砂土地基扩展到黏土地基, 并对地震破坏体现显著的预防作用, 在一般道路、桥梁、港口, 甚至埃及阿斯旺大坝、卡尔隆原子能电站等大型项目地基处理中均得到广泛应用^[4,5,6,7]。

振冲法可分为有回填料和无回填料2种, 有回填料振冲法称为振冲置换法, 多用于处理软土、粉细砂、黏土等地基;无回填料振冲法主要用于处理中粗砂地基, 也有学者提出, 无回填料振冲法可用于处理粉细砂地基^[8]。科特迪瓦项目采用无回填料振冲法。

在科特迪瓦项目中, 振冲法需处理最深底标高-39.000m、最大厚度14.5m的超深超厚换填砂地基。最初, 现场施工无法一次性振冲到底, 尝试多种改进措施后, 最终找到有效的解决方案。

科特迪瓦阿比让港口扩建项目包含1座新建现代化集装箱码头 (泊位岸线长1 312m) 及1座岸线总长500m的滚装码头, 二者均采用重力式沉箱结构。集装箱码头所在区域地质条件复杂, 土层分布不均匀, 深度方向上软硬相间, 水平方向上强弱混杂。为保证建成后码头上方结构稳定, 必须对软弱土进行置换处理, 然后进行振冲加固。施工中换填砂含泥量要求≤5%, 振后SPT检测验收要求N≥22。

项目首个换填砂区域底标高-32.000m、顶标高-24.500m, 实际回填至-23.000～-23.500m。开挖换填情况如图1所示。

为明确施工参数, 探明正式施工中可能出现的问题, 现场布置振冲试验区。布置在回填区中部、基槽中心线上部, 如图2所示。试验区尺寸为30m×40 m, 分为8个小试验区, 尺寸均为15m×10 m, 编号依次为S1～S8, 如图3所示。

现场采用3种振冲器开展试验, 功率分别为75, 100, 132kW。设备参数如表1所示。根据现场情况, 将132kW振冲器分配于S1, S2, S3区, 100kW振冲器分配于S4, S5, S6区, 75kW振冲器分配于S7, S8区。根据项目已积累的留振时间、下沉速率、上提速率经验, 控制留振时间20～30s、振冲器下沉速率约6m/min、振冲器上提速率5.0～7.5m/min, 可保证振冲质量, 试验区主要用于明确振冲点位的水平间距、上提间距。试验区设计参数如表2所示。

1) 一次性振冲处理出现的问题

在试验区施工过程中, 振冲器无法一次性下插至设计深度。在S1, S2区振冲器能下沉至标高-28.000m;在S3, S4, S6区能下沉至标高-29.000～-30.000m;在S5部分区域、S7, S8区能下沉至标高-32.000m。

2) 土性试验检测及分析

现场对回填砂展开土性分析。首先对砂土进行振前SPT检测, 探明各试验区砂振前的密实度, 同时取样开展室内颗分及含泥量试验, 分析砂土级配、含泥量结果。

S1～S8试验分区的SPT和含泥量结果如表3所示。

根据SPT检测结果, 最北侧S1, S2区SPT平均击数为15.65击;S3～S4, S5～S6区分别为13.95, 11.40击;最南侧S7, S8区仅为7.65击。由此可知, 试验区密实度由北向南逐渐递减, 北侧回填砂振前最为密实。北侧回填砂在振前已具备较高密实度是振冲器难以下沉至设计标高的原因之一。

另外, 根据表3所示的含泥量试验结果, 试验区平均含泥量由北向南逐渐增加, 由S1, S2区的2.9%增加到S7, S8区的9.1%。在不考虑造孔能力 (水压) 的前提下, 振冲器下沉完全依赖于自重, 当振冲器所受浮力与振冲器、砂土表面摩擦力之和等于振冲器重力时, 振冲器会在该深度停止, 无法下沉。但当砂土中存在一定含泥量时, 能在振冲器、砂土表面形成润滑作用, 减小摩擦阻力, 因此, 含泥量稍高可能是振冲器在试验区南侧更易下沉的原因。各试验区砂土级配分布情况差别不大。

根据试验结果分析, 高密实度、低含泥量可能是振冲器无法一次性振冲到底的重要原因。

3) 改进方案

除土性因素, 振冲下沉深度还受振冲器功率、水泵水压、水管出水量等因素影响, 现场采取如下改进措施: (1) 采用不同功率的振冲器 (75, 100, 132kW) ; (2) 振冲器边侧增加气管; (3) 振冲器边侧增加水管; (4) 更换高压水泵。根据试验结果, 以上改进措施均不能有效解决振冲器下沉问题。

采用分层振冲法时首先布置试验区。具体实施步骤为:首先开挖上部一定厚度回填砂, 振冲下部回填砂;再回填、振冲上部回填砂;最后进行检测。试验区P1位置如图4所示。

上层回填时, 回填料为含泥量≤5%的中粗砂, 采用耙吸抛填或驳船定位、泥驳抛填的工艺。上下层振冲施工搭接1～1.5m, 以保证振冲施工质量。

各种改进措施实施后均进行SPT检测, 以验证结果是否满足验收要求并与其他方法形成对比。改进措施区域汇总如图4阴影部分所示, 实施情况及结果如表4所示。根据表4 SPT是否满足验收标准, 得出以下结论。

1) 只有振冲器下沉至设计标高, 才有机会使得每个深度SPT检测结果满足N≥22的验收要求。在S1, S2, S6区振冲器无法下沉至设计标高, 在振冲深度范围内满足N≥22的要求, 但未振到的深度无法满足该要求;而在S7区振冲器达到设计标高, 所有深度检测结果均满足N≥22的验收要求。

2) 比较S5～S8区检测结果, 振冲点位水平间距为2.0m较为合适。在S8区当振冲点位水平间距增加至2.5m时, SPT结果不满足N≥22的验收要求。

根据分析结论, 在分层振冲试验区P1选用2.0m的振冲间距。现场实施时, 开挖上部4m砂层后, 振冲器能穿透下部5m厚砂层, 下沉至-32.000m设计标高进行振冲作业。经振后SPT检测, N平均值>30。因此, 在试验区范围内现场施工的一次性振冲问题得到解决。

在试验区成功实施后, 现场将分层振冲法推广应用到整个回填区。整体施工顺序为: (1) 开挖上部4m砂层; (2) 振冲底部砂层; (3) 底层振后SPT自检; (4) 回填上部4m砂层; (5) 振冲上部砂层; (6) 振后SPT自检; (7) 正式验收。

正式施工所采用的振冲参数由项目经验参数及试验区确定, 选用100kW振冲器, 取振冲点位水平间距2.0m、上提间距0.5m、下沉速率6.0m/min、上提速率5.0～7.5m/min、留振时间30s。

每层振后的SPT检测点位如图5所示。1-1, 1-2, 1-3, 1-4点位位于底层, 检测深度为-28.0～-32.0 m;2-1, 2-2点位位于上层, 2-1底部在开挖断面斜坡上, 检测深度为-26.0～-30.0m, 2-2底部在基槽底, 检测深度为-26.0～-32.0m。所有点位SPT自检结果如表5所示, 均满足N≥22的验收要求, 顺利通过验收。

实践证明, 对于深厚换填砂地基, 分层振冲法有效解决振冲器无法一次性下沉至设计标高的问题。

本文介绍科特迪瓦阿比让港口扩建项目的换填砂振冲技术, 对于超深超厚换填砂地基, 振冲器无法一次性下沉至设计标高, 导致SPT检测结果无法满足验收要求。通过不同改进措施的实施对比, 分层振冲法最为有效。在正式施工中采用了分层振冲法后, 顺利完成振冲并满足验收要求。

1) 在超深超厚砂层地基振冲工艺中, 土性、振冲器功率、水泵功率均可能影响振冲器下沉深度。

2) 在对超深超厚砂层地基进行处理时, 当回填料为中粗砂、含泥量≤5%、振冲深度>5m、振冲前砂已密实时, 可能出现振冲器无法一次性振冲到底的问题。

3) 振冲法现场工艺实施参数依赖于当地经验数据和现场试验结果, 本项目施工条件下, 100kW振冲器采用2.0m的振冲间距较为合适。

4) 分层振冲法在处理振冲器无法下沉至设计标高的问题上经试验证实有效, 可推广到其他遇到类似问题的工程中。