特殊土质下沉桩方法研究.doc

特殊土质下沉桩方法研究摘要：近几年来，受到强地震、冰力以及船的碰撞的影响，对沉桩方法的需求急剧增长起来。桩一般要穿过厚土层到达新环境和较远的区域来承受大荷载。一般来说，施工前的努力经常因如下的一些原因而以失败告终：地质勘查因为方法的欠缺和资金的缺乏，经常不能完全满足需求；承包者不得不更换设备并调整施工方法等。一些工程实例记录了施工中遇到的困难以及解决措施。施工手册中提出了通过随时准备更换设备和产品的方法来使施工周期和投资达到最小化。关键词：桩 打桩 土质工况 砂 石 乱石堆引言：最近几年来对沉桩方法需求的迅速发展，主要是因为考虑到地震、船的挤压、潜在积压等作用的结果。对大跨度桥而言，即便是增加了桩的数量，也仍旧会增到每个桥墩的荷载。船越来越大，也越来越需要更大的码头和更深的吃水线。与此同时，在人们几乎没有任何经验的海域和土层中，修建了越来越多的主桥和码头结构以及近海平台。对由地震和船的碰撞引起的水平荷载需要引起人们足够的重视。这些新的荷载情况和施工环境需要更大的桩和更深的穿透深度，而这都已远远超过人们的经验范围。本文分析了大量海洋工程在不同土质下沉桩的工程案例，包括石灰砂土、泥岩粉质岩、冰川期沉积层、鹅卵石、松散砂层、和裸露的基岩。这些案例中大多数都包含了有效的样本，地质数据也受到几乎相同因素的影响而最终影响到打桩的效果。所以，不管是工程师还是承包商都不能完全准备应对后期遇到的地下土质的变化。然而，所有我们讨论的施工实例都最终顺利完成，通常都是在极端紧急情况下提出的创新解决办法，并严重延时、大幅度提高成本。工程案例：石灰质土：在澳大利亚的Bass Strait和Northwest Shelf地区近海的石油工业施工中，最令工程师吃惊的是石灰质土的表面摩擦几乎丧失殆尽，而这种土本来具有很大的内摩擦角。不幸的是在前期地质勘查中简单地以为是传统的土层而没有发现这种土的特性。令人们吃惊的事是从在Bass 浅滩的Kingfish平台施工中开始的，钻杆紧紧固定在20英寸直径的引导架上，引导架拔出时除了自重没有受到任何的阻力。这提醒了设计工程师立即对风暴中的平台主桩采取安全措施。主要的措施是对已有桩的内部进行钻孔，填塞混凝土块，对桩底部用高密度的铁砂填密。这个混凝土填塞块用于承担端部的附加重力并在积压中弥补表面摩擦的损失。为了在平台下有限的高度下清理干净每一根桩，每次只能清理一个桩。清理过程中采用组合喷气嘴和气升设备进行。组合设备由三个同心圆管在短范围内用保护线联在一起。清理完毕，用下料管填塞混凝土块。几年后在西北浅滩地区的北Rankin.A平台一个类似但更严峻的问题发生了。原始地质资料表明有高密度砂层，其内摩擦角为38度。这表明需要尽可能大的桩锤以使这些管桩到达设计需要的260米的深度。整个沉桩项目的时间表安排的非常紧密。当第一部分200米的桩吊装到位，不得不采取措施以阻止桩降到水平面以下。当第二部分连接上后，每米锤击数从1锤到5锤顺序递增。后来一根桩的总锤击数竟然仅为5锤。管桩切开土层就像且面包一样没有遇到大的阻力。为此采取了应急措施，立即把在近海的油气田上安装好甲板，并投入使用。这是在当时世界上最大的油气田。因此，工程师们用一根试验桩来研究探讨桩在轴向拉压作用下的变形，并做出进一步的地址勘探。微观分析表明在石灰质土沉淀颗粒的表面有一层薄薄的硅澡，这层硅澡在桩的剪切作用下发生变形。随后工程师们开始大范围的采取处理措施。这些措施包括冷冻土层、插入桩，锥型桩底，其中因为不能确定桩连接处的应力应变而放弃冷冻土层方法。是什么支撑起平台？看起来是钢结构构件套管周边的淤泥垫层支撑在一层薄薄的称之为石灰质土的土层上。试验和Kingfish.A的前期经验都表明石灰质土相应的具有很高的承载力。利用这种承载能力是通过在桩端建造喇叭型结构而实现的，喇叭结构也同时提高了上浮能力。在每一根桩的端部喇叭的下面建造直径5米的锥形体。在土中注入环氧材料以保证在钻孔和扩锥过程中“喇叭”周边的稳定性。这个基本直径4.5米的“喇叭”，是通过Wirth 桩顶机钻出来并水下灌注高强度混凝土而形成的。这种混凝土配合材料的特殊组成包括粒径不超过10毫米的骨料、粉煤灰、硅粉和高比例的抗冲刷的添加剂。通过注入液氮使混凝土的温度降低到5度。试验得到核心处的高压缩强度和剪切强度。在工程完工2个月后经历了一场1000年一遇的风暴潮。这些承受轴向拉压荷载的桩没有一根倾倒或破坏。另一个更能表明石灰土特性的工程是在地中海东岸的一个煤炭进口码头。端部开敞的管桩在初始推进遇到了很低的阻力。在尝试用全封闭的桩帽沉桩时，遇到了超乎寻常的阻力。所以工程师采用了半封闭的桩帽，就是在锥形体桩帽的中间开洞以保证在桩达到设计深度时有足够的承载面来承担轴向压力。云母砂在Bangladesh的Jamuna河大桥的沉桩工程中，遇到了类似表面摩擦降低的情况，但是原因不同（如图1所示）。因为地质勘探前期资金的匮乏，所以仅仅对标准漂选法规定的测点进行了云母砂情况的测定。勘探结果表明仅有5的云母砂含量。当开始在邻近河岸的桥墩沉桩时，表面摩擦承载力远远低于预期的承载力。为此进行了更复杂更全面的地质勘探，勘探结果表明实际的云母砂含量为26。这说明，桩还需要增长2030米，这比原来的2.53.15米直径、5060毫米的壁厚和80米的桩长要追加很多资金，大大增加了工程成本。命运是变化无常的，但是她经常给人以互相补充的惊喜。同样的资金短缺也避免了在河内钻孔，他们只需要在相距10公里的裸露的河滩上进行勘探。勘探结果表明在主航道下80米处有一层5米厚的砂砾岩层，所以大部分桩在设计的标高上有了超出想象的高承载力。云母高含量导致了在挖掘和回填过程中的很多问题，但是也使得沉桩能够并且已经按照设计规划进行。泥岩粉砂岩近期在太平洋沿岸的很多工程中越来越需要大直径的桩以穿透松软的岩石层。设计为了钢套管有坚固的穿透力，就在桩端安装了一个“牙槽”。钢套管的沉桩需要连续进行。在旧金山海岸第三座Carquinez大桥的水下工程的南主塔下，岩石层的斜度为70度。大部分岩石在主平面和第二平面上破碎。在用淡水或者淡水泥浆平衡水头的钻孔中，这些岩石层迅速破坏。为此，工程师采用盐水混和泥浆来延长井壁泥土的站立时间，因为这些粉砂岩在就是在地质时代的盐水的环境下形成的。在钻进第一个牙槽时，几乎没怎么引导就有了很明显陷落，阻止了牙槽的顺利进入。为此，人们进行了全面的检查发现，无论受压还是受拉的3米直径竖桩都承受了很大的荷载。当50毫米壁厚的管桩连续钻孔和沉桩，在下面有软弱岩层这个特殊工况下依然能够保证更大穿透时，粉砂岩没有提高阻力但却持续降低。虽然考虑了护壁泥浆的作用，但落入井中的土并稀释成泥浆，要求人们提高井壁土体剪切强度。最后选择的方法是在钻进中等深度（57米）后，有开孔器增大内径0.5米，然后通过导管灌注混凝土，所有这些工作要在井壁直立的16小时内完成。混凝土混和材料中掺加硅粉以提高其前期强度。接着，穿透混凝土使牙槽到达新的深度。重复以上这个过程直到牙槽到达35米深度。这是一个很慢而且很费人工的过程，但是在同时进行了几个桩的施工后，工程师们总结出了比较合理的施工程序（如图3图6所示）。从一定意义上来说，正式应用这个方法是在圣.迪格的南入海口海湾的工程中成功地完成了4米直径地桩后开始的，在这里因为暴露于盐水而使泥岩稠度降低过大。类似的问题也出现在阿拉斯加的Cook Inlet工程中，在这个工程中遇到的问题是泥沙石按照密度分层。在2米到4米直径钢管桩的沉桩过程中，密度层大大增大了沉桩的阻力。钻孔这样的机械手段是没有效果的。最后证实这些泥岩摩擦力非常大。在这些泥岩中喷射出很多小孔，使其这些孔直接与水接触，导致泥岩迅速分解，保证桩到达密实砂层和砂砾岩层。这个问题很快被勘探孔也会导致泥岩分解成淤泥或者泥浆这一现象所掩盖。因此我们把这种材料分类为淤泥或者软泥沙。所以，承包者在开始的时候没有装备甚至没有准备高压喷射和打桩设备。同样的现象也出现在阿拉斯加的内陆湖泊中和北极地区，高压喷射的沉桩方法也获得很大的成功。为了使34米的大直径钢管桩进入密砂和泥沙中，可以在桩的周长上每1米设一个高压喷射管，喷射管设置到离管嘴200毫米处。多个支管使得喷射水同时充满全部或者部分选定的管路。通过预先安装喷射管使其可以与桩锤同时操作，只不过喷射过程必须联系以避免堵塞（如图7所示）。冰川沉积层在阿拉斯加的海湾如Whittier等以及Inland Passage等地区，存在着深深的大小尺寸基本一致的砂砾和鹅卵石层。远非预期的高打桩阻力，钢桩、H桩和4英尺直径开口钢管桩的沉桩过程中的表面摩擦阻力却出奇的低。这些标准的圆圆的石头表现的象滚轴一样。为了在预期深度获得足够的承载力，也为保证工期而采取了紧急措施，不得不把桩改为端承桩。在管桩端部已经有端部平盘或者混凝土插头的前提下，H桩端还经常通过焊接和螺栓做成球形。修改后的桩看起来更能符合这种土体。裸露岩床在几个大的海岸码头和桥梁基础中，很有必要将钢套管和桩嵌入水下的岩床中，而这些岩床经常倾斜，且承受很小多余荷载或者直接没有多余荷载。沉桩过程中最关键的因素是在岩石表面处桩口加以密封，以保证泥岩或者砂子不会进入桩井中或者保证岩石面下桩周水或泥浆不会溢出。在British Columbia的Prince Rupert地区的Ridley Island码头，钢管桩端部安装了铝合金桩靴。桩穿过模板就位后，在桩锤的作用下通过力度递减的数次锤击后进入到未风化的岩床中几英寸。利用星型钻进入并粉碎1米深的岩床。管桩也就可以通过喷射和气动提升而重新定位和冲洗。导管内水泥浆流入到桩底进入到周围被钢靴粉碎的环壁内。等水泥浆强度增长起来的2天后，用旋转钻机钻开水泥浆块。承包商没有在重复施工或争论讨论处理措施中受到损失。在风化的岩床上，密封起来更容易，只要相应地重复轻轻锤击就可以了，但应注意不要扭曲桩头。在有粘土覆盖层的地方，密封就更容易了，但有宽松沙子随水流移动呈分层荷载的地方,为光秃岩石采取详尽的方法就必要了。乱石堆中沉桩在洛杉矶和Long Beach码头地区，因为不停的采油和抽取地下水后沉降导致了海岸线的乱石保护墙降至海平面以下，因此桥墩桩和小旋轮只能穿过乱石堆实现沉桩。所有大面积的石板或者石块都将先被移走或者用钢铲敲碎。然而，当尝试继续用钢铲穿透下部的岩石时问题出现，因为钢铲在取岩石时落入孔内，甚至更糟糕的被吸力吸入到孔内。在从Long Beach到Terminal Island的大桥中，特别研制使用了端部带有盔甲的很重的钢H桩。这些桩被用来穿透码头地区沉降到海平面下的旧乱石海墙。但是这些桩很快就受到了很大的阻力，打桩变得很不稳定，也仅仅才打入几米深。把桩拔出后发现了很惊人的破坏，在端部盔甲的上边缘处，有的桩扭曲呈螺丝状，有的边缘卷曲，有的象手风琴一样紧紧的扣在一起。工程师们在邻近San Pedro的洛杉矶Outer Terminal 码头得到了更好的结论，在这里人们用预应力混凝土桩穿过沉陷的乱石堆。在桩实现初始定位后就开始打桩了。在打入了几英尺后，人们并没有尝试去支撑或纠正桩列的位置，而桩锤与桩依然保持在一条线上。桩通过将周围的乱石积压到邻近的区域上而逐级穿透乱石堆。几百根预应力桩成功的打入到设计位置，只有几根破坏。偏差也都在12英寸范围内（这个数字是考虑到设计桩帽一起得到的）。这表明能够在密度增大时而不破坏其结构的替换后的桩，可以解决这个问题。在另外的工程项目中，特别是新堆的乱石坝，人们发现预应力混凝土桩可以穿过24英寸厚的岩石层，因为它们可以把岩石水平推开。这时候桩端最好的形式是钝头而不是尖头，尖头容易偏移进而导致弯曲破坏。单独漂石在巴西和香港的腐烂风化的花岗岩中，人们遇到了一块块的大漂石，这些漂石加杂在里面没有腐烂风化。在北方地区也有这样的漂石，它们是在前地质时代通过冰河或者冰筏运过来的。后一种情况目前在阿拉斯加依然存在。此类的漂石沉淀也偶尔在Puget Sound发生。当遇到这种情况时，人们很难区别遇到的是一块孤石还是岩床的一个尖。这时候很必要对岩心取样。漂石被伸进桩孔的锤子敲破，或者被旋冲钻或星型钻钻开。比起其他两种方式而言，旋冲钻的优点是桩尖钻出漂石就不会走原来的方向，也就会扩大桩孔。更换打桩和钻桩的方法是更为有效的方法。鹅卵石鹅卵石一般层状分布，也就是说均布于特殊的土层中或者零散分布着。后一种情况下，鹅卵石经常不引人注意的通过喷射或钻孔过程而集中在人工形成的土层中。攫挖机是粉碎或移开鹅卵石最好的工具。如果桩是预应力混凝土桩等其他替代桩，问题就很不一样了。在加州南部Orange县的Garden City Interchange，很多很多的预应力桩用于San Gabriel 河的流水中。喷射冲刷了砂子但是却使鹅卵石落入桩孔内并几种起来。工程师们采用螺丝钻先钻孔的尝试几乎没有什么效果。这就需要具有较大翼缘的更有力的螺丝钻来胜任这个任务。在洛杉矶盆地，这种钻用来有效的推开相似环境下的鹅卵石。然而，即使这样也有鹅卵石陷落并集中的可能。在Garden City Interchange，工程师们用钢H型桩代替原来的桩，打入过程非常顺利。深层软泥浆已经被人们所公认的可以利用重锤打击实现坚硬区域的打桩的预应力混凝土桩，能够保证桩头和桩尖边缘的完整，以及保证混凝土有足够的抗压强度。然而，很多人对在软土地基中的回弹拉应力现象进行了记载。松软土壤或者坚实土层下的洞穴的影响却没有得到人们足够的认识。由于过于简化的假设，人们原本认为锤击沉桩过程不会遇到什么大的阻力，结果桩身周边的摩阻力却阻止了桩的沉入。结果不同的应变导致了严重的裂纹。因为这一切都发生在很深的土层中，工程师们很难发现这个问题。连续的锤击在裂纹处产生疲劳破碎，最终使部分或全部的预应力钢筋束疲劳破坏，最后导致桩突然破裂。在Escambia 海湾铁路支架上, 破坏只是沿着初始裂纹展开的。当桩快要达到设计的最后桩端承载力时，锤击数会突然降到零，这说明桩已经破坏。在这个问题的调查中，对钻探记录和打桩记录进行的调查表明在穿越4060英尺时遇到了软弱土层，在这里产生了初始的裂纹。采取的措施是，在沉桩时将上部的砂子喷射到软弱土层下阻力明显增大的深度处。在混凝土桩顶用14英寸厚压实的软木（南方松木）代替原来的胶合板垫。每一个桩顶都换成这种新垫子。结果是很成功的降低了回弹拉应力峰值。在洛杉矶机场，在将桩穿越厚厚的密实的回填土层进入到海岸淤泥中的时候，也出现了类似的问题。在这里工程师们采用了在回填土中预钻的方法。在波斯湾，科威特和沙特阿拉伯的码头，遇到了尤其严峻的问题。当地称为“蜡饼”的顶板岩石给予很大的阻力，而其下层的松散泥沙却几乎没有阻力。利用厚桩垫块的方法获得了成功，而且这层垫块在浸水后迅速软化。学习体会指导和建议当怀疑地下有不利情况存在时，尤其是在偏远或国际的项目中，承包商有必要准备一批设备以解决沉桩过程中不可预见的障碍。理所当然，一般通过尝试在错误中摸索得到有效的处理办法。如果原有的经验不令人满意，就应该立即实施早期的纠正措施，而不是继续无效的或者错误的施工程序。虽然地质科学发展使土样的可