塑料排水板在復雜地層施工中的研究

郭 東，邢榮亮，王 瑞

（天津深基工程有限公司，天津 300222）

引 言

塑料排水板預壓法是淺層地基加固常見的方法[1]。塑料排水板可在淤泥、淤質土、沖填土等飽和粘性及雜填土運用排水固結法進行軟基處理的良好垂直通道，大大縮短軟土固結時間[2]，是配合加快提高地基承載力的有效措施。但在中國海監(jiān)某地區(qū)基地建設項目地層較為復雜，如地質硬層（①粉細砂）、②1淤泥質粉質粘土地層，且淤泥質粉質粘土地層產生回帶現(xiàn)象嚴重，無法滿足規(guī)范要求的“回帶長度不得超過500 mm，且回帶的根數(shù)不宜超過總根數(shù)的5%”[3]，施工難以寸進。

該項目靠近外海，先后三次遭受風暴潮襲擊和破壞，工期節(jié)點嚴重滯后，亟需一套滿足本工程的塑料排水板施工工藝，以滿足總進度要求。若不能解決，將更換其他施工成本較高的施工方案以達到同樣的地基處理效果。

1 工程概況

中國海監(jiān)某地區(qū)基地建設項目位于渤海灣內側漁碼頭附近，計劃建設8個海監(jiān)船泊位。為滿足碼頭主體結構施工及碼頭后方陸域使用要求，須對地基土進行處理。

根據地基土的地質情況不同，地基處理方法分別采用地基強夯處理（塑料排水板施打與強夯相結合）、地基振沖密實處理（塑料排水板施打與振沖密實相結合）兩種地基處理方案；待地基土固結度達到95%后，再進行碼頭主體結構施工。

2 現(xiàn)狀調查

在實際現(xiàn)狀調查過程中，我們選取了該項目后方陸域作為試驗區(qū)域。該地區(qū)臨近渤海灣，長期受海浪沖刷和淤積影響，地層較為復雜，通過查看該工程的地質勘察報告，發(fā)現(xiàn)地層自上而下為：①粉細砂、②1淤泥質粉質粘土、②2粉質粘土、③1細砂、③2細砂、③3粉質粘土。

塑料排水板施打過程中其套管要穿透兩個地質硬層（粉細砂）和一個復雜地層（淤泥質黏土層）。在塑料排水板正式施工前，我們在施工區(qū)域內選取了20 m×20 m的試驗區(qū)，試打前通過標貫檢測發(fā)現(xiàn)此區(qū)域擊數(shù)普遍為40～50擊以上。

在試驗區(qū)試打過程中采用常規(guī)軌道式插板機配2 t液壓振動錘，施工順序按橫向每排進行，一排一排縱向推進[4]，施工時需要較多的擊數(shù)才能穿透地質硬層和復雜地層，甚至無法穿透地層，同時在插板機振動下沉套管過程中，硬層砂擠入套管內，塑料排水板被砂和淤泥堵塞卡在管口，導致塑料排水板進入淤泥層后，打開口門，上提塑料排水板時自動帶出，造成塑料排水板嚴重回帶。經組織人員對現(xiàn)場試驗區(qū)進行了調查分析，其結果見表1。

表1 塑料排水板未打設成功原因統(tǒng)計

由統(tǒng)計表數(shù)據繪成餅狀圖，更能形象地反映出其原因，見圖1。

圖1 塑料排水板未打設成功原因分析

由現(xiàn)場情況調查、統(tǒng)計表和餅狀圖可以看出影響塑料排水板施工的主要原因是地質因素、施工工藝和設備選擇不匹配等，地質原因屬于外界不可控因素，我們只有改進施工工藝、方法和機械設備。

3 原因分析

針對塑料排水板施工過程中產生的部分回帶和整根回帶問題，具體分析如下。

3.1 插管內壁粘結，導致全程回帶

由于地下淤泥層承受一定的土壓力，流動性極強，塑料排水板插管在伸入淤泥土層過程中，淤泥被擠進插管中，塑料排水板與插管內壁產生粘結，而粘結力遠遠大于塑料排水板自重與土體對塑料排水板的摩擦力的合力，塑料排水板無法留在土體中，造成錯全程回帶。

3.2 樁靴無法彈開，導致整根回帶

由于土體自身的摩擦力比較小，當插管打設至既定深度上提時，因為樁靴和塑料排水板的重力不足以滿足樁靴彈開的摩擦力，樁靴無法彈開，造成整根塑料排水板回帶。

3.3 存在干硬土層，產生部分回帶

在較淺且較為干硬的土層中打設塑料排水板時，因土體缺乏流動性，插管成孔上提后，土體中便直接形成了一個孔道，塑料排水板無法被土體夾住。只有當插管提至軟塑性土層時，塑料排水板才能被土體夾住，最終導致塑料排水板發(fā)生部分回帶。

4 對策制定和實施

根據上述存在的問題，為能將塑料排水板成功打設，主要從以下幾個方面采取措施。

4.1 增設液壓振動引孔專用設備

1）使用大直徑引孔鉆桿

針對施工區(qū)域地層存在的硬土層的問題，增加引孔工序。

在選擇鉆桿時，對不同鉆桿直徑進行了方案比選。對于φ100鉆桿，優(yōu)點是可穿透土層形成孔道，并可協(xié)助插板機完成施工。但插板施工時，套管與硬層間有摩擦阻力，不能順利插入，套管需再次順孔，施工不暢。同時，硬層穿透孔較小，成孔后淤泥不能及時將斷層填充連通，排水效果差；采用φ150大直徑鉆桿引孔，可穿透土層形成孔道，協(xié)助插板機完成施工，硬層穿透孔較合適，成孔后淤泥能及時將斷層填充連通，排水效果好，同時，插板機施工順暢，設備間施工相匹配，空閑時間少。

最終采用φ150大直徑鉆桿引孔，成功穿透兩層硬砂層，形成預設打板孔道，再進行塑料排水板打設施工時，可順利地將塑料排水板插管深入到設計底標高位置。

2）增設液壓振動引孔設備

液壓振動引孔設備的引入，成功地穿透了兩層硬質砂層，后續(xù)施工中塑料排水板可順利插入，解決了硬質地層難以穿透的施工難題，保證了塑料排水板打設質量。

圖2 液壓振動引孔設備

3）更換大功率液壓振動錘

開始塑料排水板打設施工時采用的是2 t震動錘，施工速度慢，工作效率低，常常因塑料排水板打設進度跟不上引孔施工進度，導致引孔設備施工閑置暫停，不符合機械設備配合作業(yè)協(xié)調性要求，嚴重影響了施工進度。

為提高塑料排水板工作效率，由常規(guī)的2 t振動錘更換為4 t液壓振動錘，配合大直徑鉆桿引孔，振動力大，在硬質砂層土施工時，鉆進速度快，垂直度高，大大的提高了施工效率，塑料排水板打設進度與引孔速度相匹配，縮短了機械中斷時間，降低了施工成本。

圖3 4 t液壓振動錘施工

4.2 選用重型履帶式插板機

雖然通常使用的鋼軌式插板機具有位移迅速、穩(wěn)定性好、對地基土表層擾動小等諸多優(yōu)點，其主要在軟土地基發(fā)揮它的優(yōu)勢[2]。但由于本項目排水板打設區(qū)域屬于狹長結構，換排打設時鋼軌式插板機移機浪費較多時間，且地表較為堅實，滿足履帶機械行駛條件，因此決定由重型履帶式插板機代替常規(guī)的軌道式插板機進行作業(yè)，其主要優(yōu)點在于運行靈活、拆卸方便、對樁準確、安全性高，在本工程中尤為適用。

4.3 改善施工參數(shù)

根據公式：

G插管內水自重+G樁靴及排水板自重+F土體摩擦力＞N插管上提對排水板摩阻力

從公式中的各項系數(shù)入手，通過采取措施改變已有參數(shù)，使其滿足以上公式，從而解決了塑料排水板的回帶現(xiàn)象[5]。

1）底部加墜沙袋，增加塑料排水板自重。

因塑料排水板底部含在淤泥質軟弱土層中，無法依靠此層土質夾帶。

開始打設施工時，在塑料排水板底部加墜了約1 kg重量的鋼塊，排水板完整地留在地層中，成功解決了回帶這一難題。但由于每根排水板均需加墜鋼塊，且鋼塊與塑料排水板連接的吊環(huán)需要與鋼塊焊接加工，因排水板數(shù)量較多（共12 560根），加工成本和原材料的投入將會大大提高施工成本，因此方案不可行。

為降低施工成本，經討論研究和計算，采用長度1 m直徑5 cm的沙袋代替鋼塊，增加了塑料排水板的重量，有效解決了回帶問題。

與加墜鋼塊相比加墜沙袋的優(yōu)點在于：

①與加墜鋼塊施工效果相同，解決了回帶難題。

②沙袋灌沙采用自主研發(fā)的漏斗形灌沙設備，操作簡單，工人上手速度快，不需要專業(yè)人員。

③沙袋加工基本都在移機、運板等空閑時間完成，基本不需要單獨安排制作時間。

④加墜沙袋方案大大降低了原材成本、制作成本和人工成本。

⑤從方案的便捷性和成本分析，方案可行，可大量用于施工。

圖4 塑料排水板底部加墜沙袋

2）改進插嘴型式

插嘴由扁口改為圓口，并加口門板反扣封堵，改善了樁靴與插嘴處的密封性，解決了管口堵塞問題。

5 依托工程實效

5.1 成功驗證

通過采取文中一系列的施工措施，施工完成后對本工程打設的12 560根塑料排水板進行檢查，全部穿透硬層并打至設計標高，基本上杜絕了塑料排水板打設不成功的現(xiàn)象出現(xiàn)，保證了塑料排水板的施工質量。

5.2 工期保證

通過解決塑料排水板打設不成功的施工難題，一改工程停滯不前的狀態(tài)，使塑料排水板打設得以順暢進行，為保證節(jié)點工期提供了技術支持，并通過優(yōu)選大功率的施工設備，大大提高了施工效率。通過24小時不間斷作業(yè)，最終完成了工期目標，保證了工期。

5.3 經濟效益

若塑料排水板打設不成功，勢必將修改設計方案，采用其他（如沉管砂樁等）的處置措施以達到同樣的地基處理效果。經過技術方案經濟估算，采用本方案與沉管砂樁相比較，節(jié)約投資320多萬元，縮短工期60天，經濟效益明顯。

5.4 社會效益

本文提出了多項排水板打設困難的解決措施，大都可直接進行復制用于類似工程。特別是首次提出了打設前先在樁位處進行引孔施工和打設時塑料排水板底部加墜沙袋措施，分別針對硬質地層和淤泥質地層有著顯著的效果，為塑料排水板的成功打設起到了關鍵性作用，該措施在塑料排水板軟基處理中擁有廣闊的推廣和借鑒空間。