海洋及沿岸工程加固设计的新方法

1、.海洋及沿岸工程加固设计的新方法田承行，宋 波（北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083）摘要：近年来各种海洋及沿岸工程灾害日趋增长,灾害的减灾对策研究愈来愈重要。海洋及沿岸工程大多均为重要工程结构,工程造价高、规模广、修复加固难, 其安全对于国民经济建设进程有直接影响。本文在总结了目前我国海洋及沿岸工程中存在的问题的基础上，对目前国内外海洋及沿岸工程修复、加固的新方法、新提案进行了分析和总结；同时,围绕节约自然资源与进行持续性发展、建设循环型社会的构想,对冶金残渣等工业废弃物的海洋及沿岸工程有效利用等进行了探讨。关键词：海洋及沿岸工程，破损，加固，新方法，循环型社会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国家重要工程结构，它的安全影响到国民经济建设进程与沿岸人民的生命财产安全。沿岸工程通常规模比较广、工程造价比较高，由于长期处于非常恶劣的海洋环境中，受自然灾害的影响非常大，在各种自然灾害和有害介质的侵蚀等不利条件作用下，破损率很高，修复加固比较困难，有的破坏非常严重影响了正常使用。近年来各种海洋及沿岸工程灾害呈日趋增长的趋势，灾害的减灾对策研究愈来愈重要。随着我国建设循环型社会建设

5、的不断进行，节约自然资源、有效利用冶金残渣等工业废弃物，探讨海洋及沿岸工程加固新技术具有十分重要的社会意义和经济效益。2 海洋及沿岸工程的现状海洋及沿岸工程处于海上和海、河岸坡地段，其受力情况比较复杂，除常规荷载外，还会受到其他荷载，例如船舶荷载、水流力，水位高、低的影响，岸坡作用的影响等，有时候还受到突发的地震甚至海啸的作用，受力情况就更为复杂。结构在一般荷载和偶然荷载环境作用下破坏形式多种多样，通常认为灾害倒塌远远大于非灾害倒塌，但是对于海洋及沿岸工程说来，一般荷载长期作用（包括有害介质的侵蚀等）和突发性荷载的耦合作用导致结构失效的例子很多。据南科院等对华南地区18座码头调查，80%以上都

6、发生了严重或较严重钢筋锈蚀破坏，有的出现锈蚀破坏的时间有的仅510年，如表1所示。另外，近年来频发的自然灾害也给沿岸工程结构造成了不同的影响，例如大连星海湾西防波堤堤头沉箱在座底后即受到1997年11号台风袭击，造成了一个2200t重的沉箱位移。海洋的冻融、风化和海水侵蚀以及船舶靠离撞击等作用也不同程度地造成了近岸工程结构的破坏，影响了其使用功能。另外，海洋及沿岸工程长期处在腐蚀环境中，一般荷载作用下与突发性荷载的耦合作用对工程结构影响非常大。图1为神户高滨码头（高桩式）震后破坏情况。1995年日本阪神大地震使位于港岛地区的高滨码头的直桩部产生了较严重的破坏，震后的残余变形达40cm，沉降10

7、cm。斜桩构造部分的顶面沉降达10cm。震后不久对该地区的部分高桩码头进行了水下潜水调查。水下调查表明，在直桩部水面下12m处，发生了不同程度的屈曲或损伤，其中一例如图2所示。水下桩体的上部在地震过程中发生了较大的变形，原本作者简介：田承行（1978.9），男，在读硕士，主要从事结构设计与工程抗震研究宋 波（1962.12），男，教授（博士生导师），主要从事工程结构防灾减灾研究表1 华南海工结构破坏状况（1996年以前建成的码头）损坏等级工程名称建成时间寿命预测损坏状况IV湛江5吨油码头连系桥1974年16年大面积剥落，钢筋外露，部分钢筋锈断。三亚港务局码头1967年14年铺前海南造船码头19

8、69年16年湛江港2.5吨油码头1958年23年湛江一区老码头1956年25年白马井渔业公司码头三座1966年15年IIIIV海南八所港引桥东栈桥西栈桥40年代10年左右20年左右30年左右基本完好，部分有损坏。西栈桥有破坏现象，IV级67.8%的梁大面积砼脱落，钢筋外露，有的钢筋锈断或为III级程度。附着在基桩上的海生植物由于桩基的变形已经脱落，上部桩身处发生了较大的屈曲变形破坏。基桩多在水下6米，与水平呈100度角处发生侵蚀破坏，钢管壁上的附着物连同被腐蚀的钢管壁在地震作用下一同脱落，桩群中的部分直桩产生了较大的位移。 图1 高桩码头直桩部震后残余变形 图2 高桩码头桩头部破坏状况此外，在

9、这次地震中，大部分沉箱式港口码头和防波堤也都都遭到了不同程度的破坏。震后据调查，沉箱破坏后顶部水平位移达3-5米，平均3.5米，残余沉降达1-2m，平均1.5米，向海侧倾斜角度达3-4度。码头的破坏使补给救助船舶无法停靠，直接对后续的恢复重建工作带来了严重影响。最近的2004年12月26日的印度洋海啸，使人们意识到保证重要防护工程结构的正常使用性能具有极其重要的意义，也使海洋及沿岸工程的防灾建设愈来愈受到人们的重视。 3、目前我国海洋及沿岸工程加固的主要方法我国海洋工程及沿岸工程的自然条件差别很大，建设要求和物资资源也不尽相同，因此各地区、各工程的加固方法也是各种各样。经过四五十年的发展，地基

10、加固的常用方法主要有：排水固结法、强夯法、深层水泥搅拌法、振动挤实法等。1）排水固结法 排水固结法在港口建设中是大量持续应用的方法。排水固结法即指给地基预先施加荷载，为加速地基中水分的排出速率，同时在地基中设置竖向和横向的排水通道，使得土体中的水分及时排出，逐步固结，以达到提高地基承载力和稳定性、减小沉降量目的的一种地基处理方法。目前塑料排水板、袋装砂井是普遍采用的方法。排水固结法主要适用于处理淤泥、淤泥质土和冲填土等饱和粘性土地基。2）强夯法 强夯法是法国梅那(Menard)技术公司于1969年首创的一种地基加固方法，我国自20世纪70年代末引进此法后迅速在全国推广应用。这种方法就是反复将夯

11、锤(质量一般为1040t)提到一定高度使其自由落下(落距一般为1040m)，给地基以冲击和振动能量，从而提高地基的承载力并降低其压缩性,改善地基性能。强夯法是港口建设中用于改良松散地基的主要方法。无论是针对回填的山皮土、积砂石、粉砂、还是城市弃土、粉煤灰等都是有效的。我国的上海、烟台、日照、大连、秦皇岛、广州等港口大面积应用。3）深层水泥搅拌法 深层水泥搅拌法（Cement Deep Mixing 简称CDM）是近期我国在港口建设中引进开发的一种软基加固方法。深层水泥搅拌法是上个世纪80年代在日本发展起来的。它采用水泥作为稳定剂，在现场与软粘土进行搅拌混合，从而得到一种比原土强度高得多的水泥土

12、。主要优点是适用于那些缺乏砂石料的工地，可以较快地大幅度改善地基的强度，从而加快了施工速度。该法加固软基可缩短工期，加固后的软基变形很小，对上部结构无有害影响，施工过程中挖泥、弃土量极少，施工噪音低，对周围环境无不良影响，直接用地基土作为材料，可节省大量资源，在陆上和海上得到了广泛的应用。但是随着码头的大型化，用此方法加固的地基越来越大，水泥、砂、石料等原材料的用量也是越来越多。4）振实砂桩法 振实砂桩法（Sand compaction pile 简称SCP）是利用振动将砂灌注进软弱地基的施工方法。该法从1955年进行开发研究，1960年使用振动机的振动式SCP加固法确立。密实的砂桩在软弱粘性

13、土中取代了同体积的软弱粘性土，形成“复合地基”，使承载力提高，地基沉降变小。砂桩可以像砂井一样起排水作用，从而加快地基的固结沉降速率。在港湾工程中，为了增强砂桩自身的支撑力和抗剪强度，一般采用置换率为70的高置换率，出现了施工的经济性和砂土不足。5）振冲砂石桩法 振冲砂石桩法也是比较常见的一种加固方法。振冲法系用振冲器加固处理软土地基的方法，于本世纪30年代在德国发展起来。在港口工程中，常用于振密回填的粒状砂、碎石等,提高地基承载力，其施工简便,且经济有效。对大型港口码头工程，无论重力式方块结构、沉箱结构或是扶壁结构，其基础处理一般为抛石水下夯实、整平。此方法不仅增加了密实度，提高了承载力，而

14、且减小基础的沉降量，增强抗液化能力。另外，爆破夯实法、振冲碎石桩法、喷射拌合法、真空预压法、挤淤法、开挖置换法等也是比较常用的方法。4 国内外海洋及沿岸工程加固新技术近年来，我国正努力发展循环型经济，构建循环型社会，走可持续发展道路，但是随着经济和港口码头的迅速发展，自然资源日趋匮乏，港口地基的土质条件不断恶化，地基承载力不足、资源浪费。船舶大型化，码头大水深化，码头的安定性要求也越来越高。同时大量工业废弃物如碳渣、钢渣的处理一直没有很好的解决，存在着一些问题。废弃物的利用率很低,大部分弃置堆积,占用土地,污染环境。如何提高自然资源的使用率和有效地利用废弃物是当今社会一个非常重要的课题。本文参

15、考外国港口工程修复加固的工程实例，结合国内现状，介绍几种新的加固方法。4.1改良SCP工法振实砂桩法（Sand compaction pile，简称SCP），SCP工法主要以粘性土基为对象，使振实砂桩与原地基形成复合地基的施工法而被广泛采用。在实际工程中，一般采用的置换率比较高，需求的砂石量非常大。近年来，随着污染得加剧，港口地质条件不断恶化，地基承载力出现不足，另外我国港口以淤泥质为多，为了保障码头的稳定性，采用了SCP工法加固地基，为了得到足够得砂桩自身的支撑力和抗剪强度， 图3 SCP工法示意图 图4 消波块图一般采用置换率为70的高置换率SCP工法。许多港口需要加固修复，同时也引起了施

16、工成本增加以及砂土不足等问题。针对这类问题，日本一些码头采用了一种新方法，一种改进的SCP工法，用煤渣、海蛎皮、混凝土渣按一定的比例掺合代替砂土打桩，这样可以增强桩自身的支撑力和抗剪强度，节省了砂土，有效地利用了废弃物，更好的加固了地基，是值得推广的加固方法（见图3）。钢渣在天津港东突堤矿建泊位建设中得到应用，大量地钢渣被填充到沉箱内和沉箱后，来代替砂和石料。4.2防波堤消波块我国是世界上海浪灾害最严重的国家之一，海浪造成的损失仅次于内陆的洪涝和风沙等灾害。它能够冲击摧毁沿岸的堤岸、码头和各种建筑物，并海浪所致的泥沙运动使海港和航道淤塞，它已成为我国海洋开发和海洋经济发展的重要制约因素。在日本

17、、马尔代夫、我国台湾的沿海，消波块是比较常见的一种防浪结构。消波块是各种奇形怪状的水泥块结构，它们有很大的功用，不仅能阻挡垃圾保护水源，更能消波阻浪保护河岸、海边的安全，能吸收、分散波浪水流的能量；整齐美观；稳定性好；重心低，抗倾覆能力强（见图4）。它们的消波阻浪效果与排列顺序、形状、孔隙率、稳定性等因素有关。孔隙率越大，阻浪的效果越好。海浪会使砂石移动，改变海岸的地形，破坏海岸上的建筑，倘若在防波堤前放一些消波块，会大大提高防波堤的能力。消波块大多为混凝土预制，它们的主要成分是砂、碎石、水泥等。为了有效地消波阻浪，防止被海浪冲走,消波块的重量一般比较大，有的重达3吨。 为此每年的花费不小，水

18、泥、砂、石材料的消耗量也是惊人。为了节省砂石材料，合理利用废弃物，一些国家采用废弃地碳渣代替砂石，来制作消波块。由于碳渣本身比较粗糙，消波防浪地作用更加明显，造价低廉，而且合理的利用了废弃物，是值得推广地一种技术。4.3 T型SCP工法SCP工法就是软弱地基粘性土中强制压入砂桩来增加地基地稳定性，这样可以在早期完成地基沉降,通过砂桩来增加了地基承载力。随着经济的不断发展,码头逐渐向大水深化发展,地基改良的范围越来越大，耗费的砂石也越来越多。目前一种经济的SCP工法T型SCP工法，如图所示，就是用T型断面代替原来的矩形断面，它所需改良的范围缩小了，适应性强，建设成本大大缩小，日本神户港第八防波堤

19、采用改良的SCP工法,建设成本节省8.3。T型SCP工法下部支撑面积小，开始时会比矩形SCP工法沉降量大。可以在结构上面多放一层混凝土结构,来弥补T型SCP工法的沉降。两者的比较见如图5，6。 图5 现有SCP工法改良范围示意图 图6 T型SCP工法改良范围示意图4.4 SGM轻量土工法随着船舶大型化趋势的加速，航道水深也变得越来越重要。但由于码头水深较大，为满足稳定和地基承载力要求，码头断面宽度相应加大，这将影响码头的工程造价，尤其在高烈度地区，沉箱结构本身与地基处理费用都会成倍增高，导致结构断面不断增大，大量的砂、石材被耗费，出现供应不足等问题。为了减轻对地基的负荷，抑制地基的沉降，节约资

20、源，合理利用废弃物，日本一些码头用碳渣等工业废弃物作为回填料，来代替部分砂和石料，来改善地基的性能，减轻结构的自重，提高结构的强度，称为SGM（Super Geo-Material）轻量土工法，见图7。SGM轻量土工法可以很大程度上减轻软弱地基的负荷，有效地防止砂土液化，合理地利用材料。它可以通过调节材料的混合量，来调整结构的密度；通过调节材料的添加量，可以调节结构的强度；通过调节含水比，可以控制材料的流动性；可以合理地利用再生资源；地震时，可以有效地防止液化，从而降低施工成本，缩短工期。这种方法在日本应用的比较广泛，特别是在1995年阪神大地震以后，如酒田港就采用了这种方法，如图，掺加20的

21、碳渣，碳渣本来就是轻量性材料，它的密度为1.5g/m3，强度为100KN/m3，这样就降低了结构的自重，提高了结构的强度，减小了结构的断面，缩短了工期，降低了施工成本。 图7 SGM轻量土工法 图8 补强桩法4.5 补强桩法重力式码头式我国港口建设中一种比较常见的传统结构形式，虽然它的耐久性和抗震性能好，但是重力式码头的工作环境非常恶劣，经常遭受到海浪和台风，有时由于操作失误，发生被船舶撞击的情况，沉箱也经常发生倾斜和滑移，严重影响港口的正常的使用。日本采用了一种新技术就是在沉箱前趾处下方设置补强桩，这根桩穿过置换层，插入坚硬地土层，见图8。它可以一定程度上防止结构的前顷、滑移、较小结构的变形，提高结构的安定性。4.6 EWIS 工法海洋及沿岸工程所处环境恶劣，大多常年处于海洋环境下，海水和海雾中含有大量的氯离子，它在融解氧和水分的参与下，产生电化学反应，促使钢筋锈蚀，体积增加，使结构和耐久性和承载力随着钢筋锈蚀率的增加而逐步丧失，腐蚀破坏成为这些结构破损的