海洋及沿岸工程加固設(shè)計(jì)的新方法

1、.海洋及沿岸工程加固設(shè)計(jì)的新方法田承行，宋 波（北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083）摘要：近年來各種海洋及沿岸工程災(zāi)害日趨增長(zhǎng),災(zāi)害的減災(zāi)對(duì)策研究愈來愈重要。海洋及沿岸工程大多均為重要工程結(jié)構(gòu),工程造價(jià)高、規(guī)模廣、修復(fù)加固難, 其安全對(duì)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)進(jìn)程有直接影響。本文在總結(jié)了目前我國(guó)海洋及沿岸工程中存在的問題的基礎(chǔ)上，對(duì)目前國(guó)內(nèi)外海洋及沿岸工程修復(fù)、加固的新方法、新提案進(jìn)行了分析和總結(jié)；同時(shí),圍繞節(jié)約自然資源與進(jìn)行持續(xù)性發(fā)展、建設(shè)循環(huán)型社會(huì)的構(gòu)想,對(duì)冶金殘?jiān)裙I(yè)廢棄物的海洋及沿岸工程有效利用等進(jìn)行了探討。關(guān)鍵詞：海洋及沿岸工程，破損，加固，新方法，循環(huán)型社會(huì)Abstract

2、: In recent years the disaster of various offshore structure increases gradually, the plan of disaster mitigation is become much more important. The offshore structures usually play a very important role in national economics for their high engineering costs and the complexity for repairing. In the

3、present paper，base on the studying of the currently situation of engineering problem in our country, analysis were carried out on the offshore engineering works，reinforcing method and new technology . And also, new proposal on offshore construction and reinforcing technology for establish circular s

4、ociety is made. Key word: offshore structure, damage, reinforce, new method， circulate society1 引言海洋及沿岸工程大多是國(guó)家重要工程結(jié)構(gòu)，它的安全影響到國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)進(jìn)程與沿岸人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。沿岸工程通常規(guī)模比較廣、工程造價(jià)比較高，由于長(zhǎng)期處于非常惡劣的海洋環(huán)境中，受自然災(zāi)害的影響非常大，在各種自然災(zāi)害和有害介質(zhì)的侵蝕等不利條件作用下，破損率很高，修復(fù)加固比較困難，有的破壞非常嚴(yán)重影響了正常使用。近年來各種海洋及沿岸工程災(zāi)害呈日趨增長(zhǎng)的趨勢(shì)，災(zāi)害的減災(zāi)對(duì)策研究愈來愈重要。隨著我國(guó)建設(shè)循環(huán)型社會(huì)建設(shè)

5、的不斷進(jìn)行，節(jié)約自然資源、有效利用冶金殘?jiān)裙I(yè)廢棄物，探討海洋及沿岸工程加固新技術(shù)具有十分重要的社會(huì)意義和經(jīng)濟(jì)效益。2 海洋及沿岸工程的現(xiàn)狀海洋及沿岸工程處于海上和海、河岸坡地段，其受力情況比較復(fù)雜，除常規(guī)荷載外，還會(huì)受到其他荷載，例如船舶荷載、水流力，水位高、低的影響，岸坡作用的影響等，有時(shí)候還受到突發(fā)的地震甚至海嘯的作用，受力情況就更為復(fù)雜。結(jié)構(gòu)在一般荷載和偶然荷載環(huán)境作用下破壞形式多種多樣，通常認(rèn)為災(zāi)害倒塌遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于非災(zāi)害倒塌，但是對(duì)于海洋及沿岸工程說來，一般荷載長(zhǎng)期作用（包括有害介質(zhì)的侵蝕等）和突發(fā)性荷載的耦合作用導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效的例子很多。據(jù)南科院等對(duì)華南地區(qū)18座碼頭調(diào)查，80%以上都

6、發(fā)生了嚴(yán)重或較嚴(yán)重鋼筋銹蝕破壞，有的出現(xiàn)銹蝕破壞的時(shí)間有的僅510年，如表1所示。另外，近年來頻發(fā)的自然災(zāi)害也給沿岸工程結(jié)構(gòu)造成了不同的影響，例如大連星海灣西防波堤堤頭沉箱在座底后即受到1997年11號(hào)臺(tái)風(fēng)襲擊，造成了一個(gè)2200t重的沉箱位移。海洋的凍融、風(fēng)化和海水侵蝕以及船舶靠離撞擊等作用也不同程度地造成了近岸工程結(jié)構(gòu)的破壞，影響了其使用功能。另外，海洋及沿岸工程長(zhǎng)期處在腐蝕環(huán)境中，一般荷載作用下與突發(fā)性荷載的耦合作用對(duì)工程結(jié)構(gòu)影響非常大。圖1為神戶高濱碼頭（高樁式）震后破壞情況。1995年日本阪神大地震使位于港島地區(qū)的高濱碼頭的直樁部產(chǎn)生了較嚴(yán)重的破壞，震后的殘余變形達(dá)40cm，沉降10

7、cm。斜樁構(gòu)造部分的頂面沉降達(dá)10cm。震后不久對(duì)該地區(qū)的部分高樁碼頭進(jìn)行了水下潛水調(diào)查。水下調(diào)查表明，在直樁部水面下12m處，發(fā)生了不同程度的屈曲或損傷，其中一例如圖2所示。水下樁體的上部在地震過程中發(fā)生了較大的變形，原本作者簡(jiǎn)介：田承行（1978.9），男，在讀碩士，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工程抗震研究宋 波（1962.12），男，教授（博士生導(dǎo)師），主要從事工程結(jié)構(gòu)防災(zāi)減災(zāi)研究表1 華南海工結(jié)構(gòu)破壞狀況（1996年以前建成的碼頭）損壞等級(jí)工程名稱建成時(shí)間壽命預(yù)測(cè)損壞狀況IV湛江5噸油碼頭連系橋1974年16年大面積剝落，鋼筋外露，部分鋼筋銹斷。三亞港務(wù)局碼頭1967年14年鋪前海南造船碼頭19

8、69年16年湛江港2.5噸油碼頭1958年23年湛江一區(qū)老碼頭1956年25年白馬井漁業(yè)公司碼頭三座1966年15年IIIIV海南八所港引橋東棧橋西棧橋40年代10年左右20年左右30年左右基本完好，部分有損壞。西棧橋有破壞現(xiàn)象，IV級(jí)67.8%的梁大面積砼脫落，鋼筋外露，有的鋼筋銹斷或?yàn)镮II級(jí)程度。附著在基樁上的海生植物由于樁基的變形已經(jīng)脫落，上部樁身處發(fā)生了較大的屈曲變形破壞?；鶚抖嘣谒?米，與水平呈100度角處發(fā)生侵蝕破壞，鋼管壁上的附著物連同被腐蝕的鋼管壁在地震作用下一同脫落，樁群中的部分直樁產(chǎn)生了較大的位移。 圖1 高樁碼頭直樁部震后殘余變形 圖2 高樁碼頭樁頭部破壞狀況此外，在

9、這次地震中，大部分沉箱式港口碼頭和防波堤也都都遭到了不同程度的破壞。震后據(jù)調(diào)查，沉箱破壞后頂部水平位移達(dá)3-5米，平均3.5米，殘余沉降達(dá)1-2m，平均1.5米，向海側(cè)傾斜角度達(dá)3-4度。碼頭的破壞使補(bǔ)給救助船舶無法停靠，直接對(duì)后續(xù)的恢復(fù)重建工作帶來了嚴(yán)重影響。最近的2004年12月26日的印度洋海嘯，使人們意識(shí)到保證重要防護(hù)工程結(jié)構(gòu)的正常使用性能具有極其重要的意義，也使海洋及沿岸工程的防災(zāi)建設(shè)愈來愈受到人們的重視。 3、目前我國(guó)海洋及沿岸工程加固的主要方法我國(guó)海洋工程及沿岸工程的自然條件差別很大，建設(shè)要求和物資資源也不盡相同，因此各地區(qū)、各工程的加固方法也是各種各樣。經(jīng)過四五十年的發(fā)展，地基

10、加固的常用方法主要有：排水固結(jié)法、強(qiáng)夯法、深層水泥攪拌法、振動(dòng)擠實(shí)法等。1）排水固結(jié)法 排水固結(jié)法在港口建設(shè)中是大量持續(xù)應(yīng)用的方法。排水固結(jié)法即指給地基預(yù)先施加荷載，為加速地基中水分的排出速率，同時(shí)在地基中設(shè)置豎向和橫向的排水通道，使得土體中的水分及時(shí)排出，逐步固結(jié)，以達(dá)到提高地基承載力和穩(wěn)定性、減小沉降量目的的一種地基處理方法。目前塑料排水板、袋裝砂井是普遍采用的方法。排水固結(jié)法主要適用于處理淤泥、淤泥質(zhì)土和沖填土等飽和粘性土地基。2）強(qiáng)夯法 強(qiáng)夯法是法國(guó)梅那(Menard)技術(shù)公司于1969年首創(chuàng)的一種地基加固方法，我國(guó)自20世紀(jì)70年代末引進(jìn)此法后迅速在全國(guó)推廣應(yīng)用。這種方法就是反復(fù)將夯

11、錘(質(zhì)量一般為1040t)提到一定高度使其自由落下(落距一般為1040m)，給地基以沖擊和振動(dòng)能量，從而提高地基的承載力并降低其壓縮性,改善地基性能。強(qiáng)夯法是港口建設(shè)中用于改良松散地基的主要方法。無論是針對(duì)回填的山皮土、積砂石、粉砂、還是城市棄土、粉煤灰等都是有效的。我國(guó)的上海、煙臺(tái)、日照、大連、秦皇島、廣州等港口大面積應(yīng)用。3）深層水泥攪拌法 深層水泥攪拌法（Cement Deep Mixing 簡(jiǎn)稱CDM）是近期我國(guó)在港口建設(shè)中引進(jìn)開發(fā)的一種軟基加固方法。深層水泥攪拌法是上個(gè)世紀(jì)80年代在日本發(fā)展起來的。它采用水泥作為穩(wěn)定劑，在現(xiàn)場(chǎng)與軟粘土進(jìn)行攪拌混合，從而得到一種比原土強(qiáng)度高得多的水泥土

12、。主要優(yōu)點(diǎn)是適用于那些缺乏砂石料的工地，可以較快地大幅度改善地基的強(qiáng)度，從而加快了施工速度。該法加固軟基可縮短工期，加固后的軟基變形很小，對(duì)上部結(jié)構(gòu)無有害影響，施工過程中挖泥、棄土量極少，施工噪音低，對(duì)周圍環(huán)境無不良影響，直接用地基土作為材料，可節(jié)省大量資源，在陸上和海上得到了廣泛的應(yīng)用。但是隨著碼頭的大型化，用此方法加固的地基越來越大，水泥、砂、石料等原材料的用量也是越來越多。4）振實(shí)砂樁法 振實(shí)砂樁法（Sand compaction pile 簡(jiǎn)稱SCP）是利用振動(dòng)將砂灌注進(jìn)軟弱地基的施工方法。該法從1955年進(jìn)行開發(fā)研究，1960年使用振動(dòng)機(jī)的振動(dòng)式SCP加固法確立。密實(shí)的砂樁在軟弱粘性

13、土中取代了同體積的軟弱粘性土，形成“復(fù)合地基”，使承載力提高，地基沉降變小。砂樁可以像砂井一樣起排水作用，從而加快地基的固結(jié)沉降速率。在港灣工程中，為了增強(qiáng)砂樁自身的支撐力和抗剪強(qiáng)度，一般采用置換率為70的高置換率，出現(xiàn)了施工的經(jīng)濟(jì)性和砂土不足。5）振沖砂石樁法 振沖砂石樁法也是比較常見的一種加固方法。振沖法系用振沖器加固處理軟土地基的方法，于本世紀(jì)30年代在德國(guó)發(fā)展起來。在港口工程中，常用于振密回填的粒狀砂、碎石等,提高地基承載力，其施工簡(jiǎn)便,且經(jīng)濟(jì)有效。對(duì)大型港口碼頭工程，無論重力式方塊結(jié)構(gòu)、沉箱結(jié)構(gòu)或是扶壁結(jié)構(gòu)，其基礎(chǔ)處理一般為拋石水下夯實(shí)、整平。此方法不僅增加了密實(shí)度，提高了承載力，而

14、且減小基礎(chǔ)的沉降量，增強(qiáng)抗液化能力。另外，爆破夯實(shí)法、振沖碎石樁法、噴射拌合法、真空預(yù)壓法、擠淤法、開挖置換法等也是比較常用的方法。4 國(guó)內(nèi)外海洋及沿岸工程加固新技術(shù)近年來，我國(guó)正努力發(fā)展循環(huán)型經(jīng)濟(jì)，構(gòu)建循環(huán)型社會(huì)，走可持續(xù)發(fā)展道路，但是隨著經(jīng)濟(jì)和港口碼頭的迅速發(fā)展，自然資源日趨匱乏，港口地基的土質(zhì)條件不斷惡化，地基承載力不足、資源浪費(fèi)。船舶大型化，碼頭大水深化，碼頭的安定性要求也越來越高。同時(shí)大量工業(yè)廢棄物如碳渣、鋼渣的處理一直沒有很好的解決，存在著一些問題。廢棄物的利用率很低,大部分棄置堆積,占用土地,污染環(huán)境。如何提高自然資源的使用率和有效地利用廢棄物是當(dāng)今社會(huì)一個(gè)非常重要的課題。本文參

15、考外國(guó)港口工程修復(fù)加固的工程實(shí)例，結(jié)合國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀，介紹幾種新的加固方法。4.1改良SCP工法振實(shí)砂樁法（Sand compaction pile，簡(jiǎn)稱SCP），SCP工法主要以粘性土基為對(duì)象，使振實(shí)砂樁與原地基形成復(fù)合地基的施工法而被廣泛采用。在實(shí)際工程中，一般采用的置換率比較高，需求的砂石量非常大。近年來，隨著污染得加劇，港口地質(zhì)條件不斷惡化，地基承載力出現(xiàn)不足，另外我國(guó)港口以淤泥質(zhì)為多，為了保障碼頭的穩(wěn)定性，采用了SCP工法加固地基，為了得到足夠得砂樁自身的支撐力和抗剪強(qiáng)度， 圖3 SCP工法示意圖 圖4 消波塊圖一般采用置換率為70的高置換率SCP工法。許多港口需要加固修復(fù)，同時(shí)也引起了施

16、工成本增加以及砂土不足等問題。針對(duì)這類問題，日本一些碼頭采用了一種新方法，一種改進(jìn)的SCP工法，用煤渣、海蠣皮、混凝土渣按一定的比例摻合代替砂土打樁，這樣可以增強(qiáng)樁自身的支撐力和抗剪強(qiáng)度，節(jié)省了砂土，有效地利用了廢棄物，更好的加固了地基，是值得推廣的加固方法（見圖3）。鋼渣在天津港東突堤礦建泊位建設(shè)中得到應(yīng)用，大量地鋼渣被填充到沉箱內(nèi)和沉箱后，來代替砂和石料。4.2防波堤消波塊我國(guó)是世界上海浪災(zāi)害最嚴(yán)重的國(guó)家之一，海浪造成的損失僅次于內(nèi)陸的洪澇和風(fēng)沙等災(zāi)害。它能夠沖擊摧毀沿岸的堤岸、碼頭和各種建筑物，并海浪所致的泥沙運(yùn)動(dòng)使海港和航道淤塞，它已成為我國(guó)海洋開發(fā)和海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要制約因素。在日本

17、、馬爾代夫、我國(guó)臺(tái)灣的沿海，消波塊是比較常見的一種防浪結(jié)構(gòu)。消波塊是各種奇形怪狀的水泥塊結(jié)構(gòu)，它們有很大的功用，不僅能阻擋垃圾保護(hù)水源，更能消波阻浪保護(hù)河岸、海邊的安全，能吸收、分散波浪水流的能量；整齊美觀；穩(wěn)定性好；重心低，抗傾覆能力強(qiáng)（見圖4）。它們的消波阻浪效果與排列順序、形狀、孔隙率、穩(wěn)定性等因素有關(guān)?？紫堵试酱螅枥说男Ч胶?。海浪會(huì)使砂石移動(dòng)，改變海岸的地形，破壞海岸上的建筑，倘若在防波堤前放一些消波塊，會(huì)大大提高防波堤的能力。消波塊大多為混凝土預(yù)制，它們的主要成分是砂、碎石、水泥等。為了有效地消波阻浪，防止被海浪沖走,消波塊的重量一般比較大，有的重達(dá)3噸。 為此每年的花費(fèi)不小，水

18、泥、砂、石材料的消耗量也是驚人。為了節(jié)省砂石材料，合理利用廢棄物，一些國(guó)家采用廢棄地碳渣代替砂石，來制作消波塊。由于碳渣本身比較粗糙，消波防浪地作用更加明顯，造價(jià)低廉，而且合理的利用了廢棄物，是值得推廣地一種技術(shù)。4.3 T型SCP工法SCP工法就是軟弱地基粘性土中強(qiáng)制壓入砂樁來增加地基地穩(wěn)定性，這樣可以在早期完成地基沉降,通過砂樁來增加了地基承載力。隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,碼頭逐漸向大水深化發(fā)展,地基改良的范圍越來越大，耗費(fèi)的砂石也越來越多。目前一種經(jīng)濟(jì)的SCP工法T型SCP工法，如圖所示，就是用T型斷面代替原來的矩形斷面，它所需改良的范圍縮小了，適應(yīng)性強(qiáng)，建設(shè)成本大大縮小，日本神戶港第八防波堤

19、采用改良的SCP工法,建設(shè)成本節(jié)省8.3。T型SCP工法下部支撐面積小，開始時(shí)會(huì)比矩形SCP工法沉降量大?？梢栽诮Y(jié)構(gòu)上面多放一層混凝土結(jié)構(gòu),來彌補(bǔ)T型SCP工法的沉降。兩者的比較見如圖5，6。 圖5 現(xiàn)有SCP工法改良范圍示意圖 圖6 T型SCP工法改良范圍示意圖4.4 SGM輕量土工法隨著船舶大型化趨勢(shì)的加速，航道水深也變得越來越重要。但由于碼頭水深較大，為滿足穩(wěn)定和地基承載力要求，碼頭斷面寬度相應(yīng)加大，這將影響碼頭的工程造價(jià)，尤其在高烈度地區(qū)，沉箱結(jié)構(gòu)本身與地基處理費(fèi)用都會(huì)成倍增高，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)斷面不斷增大，大量的砂、石材被耗費(fèi)，出現(xiàn)供應(yīng)不足等問題。為了減輕對(duì)地基的負(fù)荷，抑制地基的沉降，節(jié)約資

20、源，合理利用廢棄物，日本一些碼頭用碳渣等工業(yè)廢棄物作為回填料，來代替部分砂和石料，來改善地基的性能，減輕結(jié)構(gòu)的自重，提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，稱為SGM（Super Geo-Material）輕量土工法，見圖7。SGM輕量土工法可以很大程度上減輕軟弱地基的負(fù)荷，有效地防止砂土液化，合理地利用材料。它可以通過調(diào)節(jié)材料的混合量，來調(diào)整結(jié)構(gòu)的密度；通過調(diào)節(jié)材料的添加量，可以調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度；通過調(diào)節(jié)含水比，可以控制材料的流動(dòng)性；可以合理地利用再生資源；地震時(shí)，可以有效地防止液化，從而降低施工成本，縮短工期。這種方法在日本應(yīng)用的比較廣泛，特別是在1995年阪神大地震以后，如酒田港就采用了這種方法，如圖，摻加20的

21、碳渣，碳渣本來就是輕量性材料，它的密度為1.5g/m3，強(qiáng)度為100KN/m3，這樣就降低了結(jié)構(gòu)的自重，提高了結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，減小了結(jié)構(gòu)的斷面，縮短了工期，降低了施工成本。 圖7 SGM輕量土工法 圖8 補(bǔ)強(qiáng)樁法4.5 補(bǔ)強(qiáng)樁法重力式碼頭式我國(guó)港口建設(shè)中一種比較常見的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式，雖然它的耐久性和抗震性能好，但是重力式碼頭的工作環(huán)境非常惡劣，經(jīng)常遭受到海浪和臺(tái)風(fēng)，有時(shí)由于操作失誤，發(fā)生被船舶撞擊的情況，沉箱也經(jīng)常發(fā)生傾斜和滑移，嚴(yán)重影響港口的正常的使用。日本采用了一種新技術(shù)就是在沉箱前趾處下方設(shè)置補(bǔ)強(qiáng)樁，這根樁穿過置換層，插入堅(jiān)硬地土層，見圖8。它可以一定程度上防止結(jié)構(gòu)的前頃、滑移、較小結(jié)構(gòu)的變形，提高結(jié)構(gòu)的安定性。4.6 EWIS 工法海洋及沿岸工程所處環(huán)境惡劣，大多常年處于海洋環(huán)境下，海水和海霧中含有大量的氯離子，它在融解氧和水分的參與下，產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)，促使鋼筋銹蝕，體積增加，使結(jié)構(gòu)和耐久性和承載力隨著鋼筋銹蝕率的增加而逐步喪失，腐蝕破壞成為這些結(jié)構(gòu)破損的