海上SCP工法设计及施工手册(译文).docx

海上挤密砂桩工法设计、施工手册2005年8月国土综合建设株式会社(现在的AOMI建设株式会社)海上挤密砂桩工法的设计施工手册页数1. 总论 1-1 前言 3 1-2 开发的经委 3 1-3 施工方法的定位 3 1-4 施工方法的用途 32. 设计 2-1 置换率和砂桩配置 4 2-2 以砂质地基为对象的设计 6 (1) 通常的设计方法 6 (2) 通过试验施工的设计方法 10 2-3 以粘性土地基为对象的设计 11 (1) 对于圆弧滑动的思考方法 12 (2) 对于渗压沉陷量及固结速度的思考方法 14 (3) 对于支持力思考方法 16 (4) 对于土压的思考方法 16 (5) 对于横向地基反力系数的思考方法 18 2-4 因打入砂桩而引起的地基鼓起及其对策 19 (1) 隆起土量的推测 19 (2) 隆起形状的基准 20 (3) 隆起高度的预测 213施工 3-1 施工使用的船舶 25 3-2 施工方法 26 (1) 准备工作 26 (2) 桩的定位方法 27 (3) 砂桩的打入方法 28 (4) 施工记录 31 (5) SCP的潮位管理方法 33页数 3-3 施工管理 34 (1) 材料砂的管理 34 (2) 检验钻杆(Check boring)的管理 374积算4-1 价格表制作顺序 38 4-2 挤密砂装船的规格选定 39 (1) 标准规格选定流程 39 (2) 根据地基改良前端深度的规格选定 39 4-3 标准的船队构成 40 4-4 施工工程成本 40 (1) 作业能力 40 (a) 能力计算公式 40 (b) 能力系数等 41 (c) 平均隆起土的推定公式 42 (d) 设备运行费 42 (2) 价格表 43 (a) 加固砂桩1天 43 (b) SCP船运行1套 431总论 1-1 前言 在软弱地基上面建设建筑设施前，如果没有提前采取措施的话会产生下沉、变形及不稳定的情况，建筑设施会受到严重的损坏，如果发生地震的话，会引起液体化而破坏建筑设施。地基改良技术是为了提前克服这些想象而开发的技术。 其中，挤密砂桩(以下叫SCP)是在地基中制作大口径加固的砂桩，砂桩本身拥有较大的抗剪阻力的同时发挥排水效果压紧粘土而促进粘附力，通过这两种效果增加支撑力和防止滑动破坏、抑制侧向变位等提高地基稳定性的施工方法。另外，通过砂桩的应力分担效果，能够降低地基的压紧下沉量。 本手册为了提供给进行地基改良工程的与海上SCP施工方法的设计、施工有关联的技术人员做参考，总结了设计、施工、质量管理及积算内容。 1-2 开发的经委 SCP施工方法是从1956年应用，1960年开发了振动式的施工方法，因而确立了作为陆上的软弱地基改良的施工方法。从1967年开始同时用于海上工程，到现在成为最为广泛使用的地基改良的施工方法。 1-3 施工方法的定位 地基改良的施工方法的原理有置换、压紧排水、加固、固结、加强等，SCP如前述是结合多种原理的施工方法，因此适用于砂土、粘土、有机土等几乎所有种类的土质。 1-4 施工方法的用途 图1-1是通过过去的施工事例整理的海上及陆上的SCP施工方法的主要的适用模式。在图中记录了置换率(as)的范围和改良目的。图1-1 挤密砂桩施工方法的主要适用模式(图中的海表示海上工程、陆表示陆上工程。Kh是指横向地基反力系数)2设计2-1 置换率和砂桩布置 置换率是将原地基设为1的砂桩的体积比例，是显示改良程度的常数。在前述的图1-1中显示了每种适用模式的置换范围，砂土或是陆上粘土的改良在0.3以内，海底的粘土范围多数在0.30.8。砂桩按照正方形、三角形、形布置，这时的置换率(as)按照如下公式说明。A. 正方形、形布置as=As/A=As/ x² 或是 As/( x×)B. 正三角形布置as=As/A=(3/2)×(As/²)这里的As是砂桩断面面积、A是1根砂桩分担的面积(分担面积)。图2-1 SCP的桩布置 砂桩断面面积以海上工程的粘土为对象时是从100到200cm(标准是160-200cm)，海上工程的砂土为对象时是从80到120cm左右。这是施工机械的能力和地基的硬度等用经验规定的数值。另外，海上工程一般配备3连的套管，为了能够同时施工3个砂桩，砂桩的间距按照套管的沉管间隔而定。每个作业船的套管的沉管间隔都不同，但是通常都在4.2m6.4m之间以10cm间距移动。因此，砂桩的间距应该是将这些数据按照整数除去的值(1.6m、1.7m、1.8m、1.9m、2.0m等)。 表-2是砂桩径为2000mm(砂桩断面面积为3.14²)、1600mm(砂桩断面面积为2.01²)时的布置例。表2-1 海上施工中砂桩布置的例子(以粘土为对象)2-2 以砂质地基为对象的设计 图2-2是用SCP施工方法改良砂质地基时基本的思考方法。从这里可以理解是向e0(e0是原地基间隔比)体积的地基中振动压入相当于e的砂而进行改良的。因此，置换率如下。 as=e(1e0)=(e0e1)(1+e0) 这里的e1是改良后地基的间隔比 对于砂质地基的SCP的改良效果通常用标准压入试验值(N值)表示。 改良后的N值主要受改良前的原地基的N值(N0)和置换率as的支配，除此之外还受原地基土质的颗粒大小的分布、上覆压力的影响。这些受影响的程度还没有确定的评价方法，但是如果砂粒在0.074以下的含量高的话，会降低改良效果，需要注意。图2-2 对于砂质地基的SCP的改良原理(1) 通常的设计方法 图2-3表示SCP施工方法的设计顺序。提示的顺序中，部分陆上小规模的工程无法充分调查土质，这时可以参考按照既往施工业绩而设计的A、B方案，对于海上工程现在主要采用C的设计方案。方法C的特征是导入了通过细粒化改良效果的降低率NN（NN）（NN）。细粒化增加时，在STEP-4中计算的N大于 N，因此需要大置换率。但是最近地集中的细粒含有率增加的话，加固效果会降低，压入砂桩时地基会隆起，因此个别细粒含有量高的地基，有可能会发生不妥当的数值。方法D如在图2-5中提示，考虑到打入砂桩后的地基变化，相连了体积变化率与细粒含有率Fc。这样就能够正确评价e1及Dr1。图2-5中的Rc是有效加固系数，将这个数据设定为细粒化体积变化的参数，改良后的间隔比e1是： e1e0-Rc（e0）asRc1.05-0.46logFc图2-3 SCP的砂质地基的设计方法a.原地基N値N0与桩間N値N1的关系 .原地基N値N0与桩中心N値N的关系粒径粒度与emax,emin的关系N-Dr-e的关系图図SCP砂质地基的设计图表図有效挤密系数Rc的想法 因此，今后在进行以砂质地基为对象的SCP的设计时，应当以方法D为主流。（）通过试验施工的设计方法 但是，如果土质中含有大量的（不明确，粉砂的含有量约为50%以上）粉砂时，最好根据试验施工进行设计。试验施工的计划应在研究间隙比的挤密度并综合判断实际业绩的基础上制定。关于以细粒含有量多的砂为对象进行加固时的砂桩的配置等的推测法，可参考图、图和图。可以根据表示细粒成分多的砂时的eDr关系的图2-6所显示的实际数据以及图2-4的C图、D图进行推定。作为NDrv的关系，可以使用如下所示的maiyahofu的建议公式。図对于粉砂以下含有量的改良后的砂桩中间N值的影响図粉粒含有率Fc与max和emin的关系使用以上关系可以计算出对改良目标N值需要的压入率。但是，由于所用的NDrv关系未考虑细粒的影响，因此，用此方法常常得不到使用预测改良后的N值那样的效果，所以把用此方法得到的N值作为大致的标准，进行多次的试验施工后再决定技术规格。以粘土地基为对象的设计 以粘性土地基为对象的SCP施工方法，是在粘性土地基中按一定的间隔和固定的深度打入套管，把砂从套管中排到地下的同时加固做成砂桩。如此做好的砂桩与原地基粘性土所形成的地基称为复合地基。图2-6表示了这个基本的概念。复合地基的特征是在打入的砂桩上，集中了从周围的未改良地基来的上方的应力。将此称为砂桩的应力集中功能。同时还具有砂桩自身所有的剪断强度的给予和因排水产生的砂桩间粘性土的压密促进等功能。如图2-8中（a）的公式所示，从垂直方向的力的平衡将应力分担比n和置换率as作为参数可以计算出砂桩应力s和粘土应力c 。这是考虑复合地基的稳定及沉降等情况时的根本。关于应力分担比（sc），根据现场数据的逆解析结果看应在大约15的范围内。从以往的施工案例进行逆解析，得出的标准的应力分担比和内部摩擦角如下：as0.4 ° 0.4as0. °as0. °大多在as0.时完全排除应力分担，评价为与°相同的砂质地基。在改良粘性土地基时，由于在施工中在地基里打入了大量的砂桩，使原地基的土被强行地向横方向及上方移动，因此破坏了施工范围及周边的地基，就有可能使这部分地基的强度降低。所以，需要在事先研究原地基的土层的移动是否会影响到现有的与之相邻的构造物。図复合地基的基本概念（） 对于圆弧滑动的思考方法 包括改良区域的地基结构物类的稳定问题可以通过圆弧滑动计算进行研究，用SCP改良的复合地基的剪断强度的评价方法在设计的各个有关部门略有不同，目前有时会分别使用。这也与SCP施工法在大范围的置换率使用，而且惯用设计方法本身就有许多经验方面的原因有关。 表2-2表示了圆弧滑动计算时复合地基剪断强度的各种评价法。表中的公式（3.7）是根据砂桩的强度与粘性土的强度合成后的剪断抗力理论，且使改良地基上的荷载分散消除的使用最多的方法。而且，根据公式（3.9）可以将复合地基作为有C和的砂质地基进行计算，as适用于0.3以上的复合地基。另外，公式（3.10）、公式（3.11）在as在0.7以上的高置换率时的改良地基的设计中采用。在以往的设计案例中即使是低置换率时（as0.4）也多采用公式（3.7）进行设计，只有极少的情况下采用公式（3.9）。即使是在0.4as0.的情况下大多也都采用公式（3.7），采用公式（3.11）的案例有1/5左右。如果为as0.，适用公式（3.10）、公式（3.11）。 另外，上述的应力分担比n包含在应力集中系数和应力低减系数之中。设定砂桩强度为砂桩的内部摩擦角，压实产生的强度增加包含在表2-2中。 使用SCP施工法的改良地基的稳定计算中，圆弧滑动计算时大部分使用修正法。用修正法的圆弧滑动计算时，将地基和上部结构物分割为几块，忽略分割片之间的超静定力，计算滑动面上的垂直应力。即，只有作用于包含在分割片内的原地基上的外力，才作用于通过分割片的滑动面的垂直应力。此计算方法称为切片法。另一方面，在实际的地基中外力在某种程度上是分散的。为了将此分散效果反映到滑动计算中，使用计算地下应力的布辛涅斯克的解求出滑动面上的任意位置的垂直应力增加部分，这种适用于修正法的方法称为应力分散法。SCP施工法的圆弧滑动计算中使用这个切片法和应力分散法进行计算。前面虽已谈到在SCP施工法中的粘性土地基在施工时的粘性土的运动，但是写到这里为止的通常的设计大都没有将其考虑进去。这是由于伴随粘性土运动的强度降低在SCP施工后13个月左右即可以恢复。 但是，如果在打入砂桩后立刻建造构造物，在设计时就需要考虑到强度的降低。表圆弧滑动计算时的SCP改良地基的评价法（） 对压实沉降量和压实速度的思考方法SCP施工法的复合地基的压实计算在砂井的情况下也同样进行，但是为了使置换率更加稳定且压实在通常的前期结束，对于在研究稳定时决定的置换率通常还要进行压实的研究。同时，采用SCP施工法时由于有对砂桩的应力集中，与砂井的情况相比会减低沉降量且压实速度有变化。）压实沉降量的计算 计算复合地基的压实沉降量的概算方法有几种，这里记述的是以mv法为基础的方法。未经改良的粘性土地基（原地基）的压实沉降量可用下式计算。iii：原地基的压实沉降量,Hi：i层的压实层压i：i层的体积压缩系数,i：i层的平均压实应力 改良地基时，粘性土部分所受的应力比平均应力i减低，考虑对砂桩的应力集中，为i。所以改良地基的压实沉降量为以下公式。iii这里，：改良地基的压实沉降量,Hi：i层的压实层压i：改良地基i层的体积压缩系数：改良地基i层的应力减低系数 改良地基的压实沉降量与原地基的压实沉降量的比为沉降减低系数。iiiiii 在实际设计中可被看作同一地层的粘性土地基的情况下，mv采用固定值，改良前后的体积压缩系数也不变化，并且假定在全层都一样，那么即为为小于1的值。根据上述推论，SCP改良地基可以通过砂桩的应力集中发挥沉降减低的效果，沉降量可以在原地基的压实沉降量上乘以沉降减低系数而得出。 图2-9显示的是伴随根据现场数据的SCP打入的沉降减低效果。根据图中的（a），可以显示为下式。低置換改良时（as0.5）1(n1)高置換改良时（as0.5）as 图中的（b）表示此种情况的预测精度。由此可见偏差较大，上部施工时需要用沉降管理做覆盖。 図的沉降减低效果）压实速度的计算 复合地基的压实时间经过的计算，由稳定计算的置换率决定砂桩直径、间隔、布置，用与砂井相同的的公式求得压实度U的经过时间的关系。 但是，SCP施工法的改良地基的压实速度在置换率变大时，容易比用从原地基的压实试验求出的压实系数0的预测值慢。图2-10是从实测的沉降1小时曲线逆算出的压实系数与压实试验的0 的比的置换率的图。As30时为0/2/12，比实际压实计算得出的速度慢210倍。但是，随着压实的进行应力分担比增加，原地基所受的应力会减少，所以有时SCP外表的压实也会变快。无论如何，应当考虑到伴随打入的土层运动的恢复等情况，最好在施工允许范围内放置13个月。図asvsvo的关系（） 对于支持力的思考方法SCP改良地基支持力的计算主要用支持力公式的方法进行。本公式分别计算砂和粘土的支持力，是用置换率as平均化的考虑方法。 (）对于土压的思考方法 图2-11表示的是用于土压减轻时的SCP改良范围的基本思考方法。并在图中举出了必须考虑的四个项目。 表2-3是对于SCP的土压的惯用计算公式。但是由于受到土压那样的水平力的砂桩的情况还有许多未知的部分，所以在现阶段最好注意安全方面的设计，使用置换率较大的（as0.4）的技术规格，同时应力分担比也用1比较好。 表中的和为0.4as0.7的中等的置换率，是采用了as0.7的高置换率。図用于桩土压高造物的SCP改良范围的思考方法表改良地基的土压惯用计算公式（） 对于横向地基反力系数的思考方法 SCP改良地基的Kh（横向地基反力系数）的计算方法有如下所示的二种思考方法。前面的公式（）是从各种标准等计算砂桩和粘性土的K值，用as的平均的方法。砂的K值多从标准贯入试验值求得，但此时砂桩的N值考虑为1015。 后面的公式（）是根据荷载试验作为値（）求出的。计算时通常使用K值，所以需要用以下公式进行换算。 图2-12所示为根据砂桩中的LLT试验结果的比K值。这是在前面的2个公式里后面的公式的第1项的根据。同时，同式的第2项为一轴压缩强度和比K值的关系式（5.116qu0.934）的近似式。图2-13所示为用此公式求得的推定比K值和从实物桩的水平荷载试验逆算出的比K值，两者在°线上成线，比较好的一致了。另一方面，改良范围的深度达到，宽度从的深度对垂直线将60°的范围覆盖的程度的案例很多。図根据试验求出的砂桩的比値図推定比値和实测値的比較 上图所示为SCP的K值的思考方法，和土压问题一样，对于此问题的议论也很多，需要在适用情况下考虑安全方面的设计。因打入砂桩而引起的地基隆起即期对策 在以粘性土为对象的SCP施工中，由于在施工时向粘性土地基打入大量的砂桩，使得原地基的土层被强行推向横方向和上方向，导致施工范围和周边的地基土层运动使地基强度降低。同时，这部分原地基的土层的移动和套管内的多余的砂向地表溢出，使地表产生隆起。 近来对于此种状况的研究有所进步，可以在设计时就考虑到隆起，并将其作为护岸来使用。使用隆起部分的土层时的施工是在打每一根砂桩之前测量海底面的高度，打入砂桩时打到上端。（） 隆起土量的推测 由于打入砂桩时隆起的土量受到原地基条件、置换率、施工条件等诸多因素的影响，建议使用根据以往的实测数据统计的推测方法。设定隆起土量与砂桩的设计投入砂量的比为隆起率，如图2-14所示，可用以下的任意公式进行推测。0.316as0.028+0.036qu+0.700 (r0.69)2.803()+0.356as+0.112 (r0.69) as：置換率：从海底面到砂桩下端的深度（）u：在的深度时的原地基的一軸压缩強度（tf/m2）図对于隆起率的重回帰分析結果（）隆起形状的基准 隆起的形状因砂桩施工条件（打入方向、是否与改良区域相邻等）会受到非常不同的影响。 打入方向的影响，一般向一个方向打入砂桩的话改良范围的中央会偏于最大隆起高度的位置。用改良幅B及改良深度L向一个方向打入时的隆起土的形状，如图2-15的(a)所示，最大隆起高度以Hmax、改良范围前端的隆起高度以H1、后端的隆起高度以H2、产生最大隆起点和改良中心的距离以X、前方隆起范围以1及后方隆起范围以2表示。在这里使用作为H1及Hmax比的1或是2、X和B/2的比及隆起范围的发生角度1及2就能将隆起形状作为无次元化表现。从以往的施工结果或是现场试验结果判断，此形状的标准为1=60°、1=45°、1=0.85、1=0.40及=0.7左右。 通常被采用的施工模式除了上述的(a)之外，还有单推向2个方向反复交叉施工的(b)及从横断面中央向2个方向施工的(c)。不论是向2个方向交叉打入或是2个方向分打，只要考虑为向1个方向重复打入，同前述的关于形状的系数及后述的最大隆起高度Mmax的预测结果一起能够预测隆起形状。受打入方向的影响，砂桩向一个方向打入的话显示最大隆起高度的位置会比改良范围的中央偏离。用改良宽度B及改良深度L向一个方向打入时隆起土的形状如图2-15(a)所示，最大隆起高度以Hmax、改良范围前端的隆起高度以H1、后端的隆起高度以H2、最大隆起点和改良中心的距离以X、前方隆起范围以1及后方隆起范围以2表示。打設方向影響、砂杭一方向打設改良範囲中央最大盛上高示位置打設方向一般的。改良幅及改良深一方向打設場合盛上土形状、図（a）示、最大盛上高max改良範囲前端盛上高1後端盛上高2最大盛上生地点改良中心距離前方盛上範囲及後方盛上範囲2表。1又2max比1又2、比並盛上範囲発生角度1及2用、盛上形状無次元化表現。既往施工結果現地実験結果判断、形状関、1°2°10.8520.40及0.7程度目安。通常、採用施工、上記（a）他、片押二方向交互繰返場合同（）及横断面中央二方向打分施工場合同（）大別。二方向交互打設又二方向打分、一方向打設重考、前述形状関係数及後述最大盛上高max 予測結果併盛上形状予測。图2-15 打入方式和隆起土的形状 (3) 隆起高度的预测 预测隆起高度有2种方法。1种是如在(1)中所述，隆起率的推定公式和在(2)中所述将隆起土的形状和各个部位的隆起高度或是平均隆起高度组合起来推定的方法。如果计算如用图2-16所示的隆起模式图计算隆起高度的话，如下页。図盛上模式図上記模式図盛上平均発生、実際盛上形状、図示砂杭打設方向影響均一無形状併詳細検討必要。盛上高推定方法、盛上率予測同様事例直接的統計的推定式導利用方法。図最大盛上高対重回帰分析結果示、図平均盛上高対重回帰分析結果示。図最大盛上高対重回帰分析結果図平均盛上高対重回帰分析結果、大規模SCP打設伴隆起形状左右条件SCP打設方向、SCP打設地盤周辺拘束条件考慮、実際先行施工区域隆起率観測、観測値利用、後施工区域隆起地盤形状対象三次元的形状予測方法提案。、図示SCP打設方向,打設拘束条件基本作成、重合SCP打設全体隆起地盤形状推定行方法。図隆起地盤形状検討基本（交互打設片押方式）施工海上施工法大致有种。图分别展示了几种施工方法的顺序。图中（a）为反复拔起、打下套管从而建造砂桩的施工方法。（b）的套管前端安装有水压汽缸，通过小范围的往复拔起、打下，完成砂桩的建造。（）的套管前端安装有振动器，通过振动器不断排出砂土，从而达到紧固目的。我公司在三种施工方法中都有很多业绩，在此以最常见的（a）的拔起、打下紧固式施工方法为例进行说明。图各施工法的施工顺序施工使用船舶表为施工时的一个船组的构成。表船组构成一览表船种船名规格数量备注挤密打桩船3连装1施工扬锚船30t吊1交通船D700PS1警备船15.0t级1砂供给船根据船（狭水道船）的运行情况，可能需要船（狭水道船）499699t级1运进材料拖船3,0004,000ps1进出现场阶段SEP台船10m×10m1检测钻探概略图如图所示。图船组构成图图为表中的挤密打桩船的外观图。此外，前表中砂料供给船，根据负责运砂的船（狭水道船）的运行模式必须配备。砂料供给船为带起重设备的驳船，有时也使用船（狭水道船）。图挤密打桩船外观图施工方法（）准备工作各种手续实施本工程前，应先向相关政府机构及其他相关部分进行申请并提交申请书等。 基本测量实施本工程前，设置本工程必须的测量点，进行测量点的水准测量及基准测量。另外，基准测量结果应整理并提交。设置预定测点一览测点用途GPS固定局用测点SCP船定位用(GPS固定局用系统机器设置)船体检査用测点SCP船定位系统精度确认用(经纬仪设置)船体检査用测点临时B.M潮位仪数据确认用 潮位仪的设置以基本测量设置的临时B.M为基准，设置潮位仪。砂桩的布置及使用砂量的选取施工前，制作砂桩的布置图，砂桩的布置及形状尺寸、使用砂量应得到监督员的认可。材料的确认施工前，进行筛选试验，确认小于泥砂的细砂含有率。此外，对每一个所选取的石砂地均应提交样本及实验报告，并得到监督员的认可。（）桩的定位方法使用GPS定位系统进行挤密砂桩船的定位。GPS系统应用动态精密测量GPS(7400msi)的实时功能，高密度测定挤密砂桩船的位置、方位，在挤密砂桩船的显示器上显示与计划位置的误差量，并记录打设位置。在挤密砂桩船操作室中，根据显示器上的显示远程操作卷缆机，诱导挤密砂桩船到达计划位置。图GPS作业船定位系统概略图（）砂桩的打设方法紧固砂桩的打设流程如下。下页为紧固砂桩的施工流程图。45图打设流程图通过图说明图中所述的建造原理。如图所示，拔起时用砂面计确认拔起了与相当与建成的砂桩长（l）的砂，然后，按照所设定的高度打下套管，建成砂桩。运到现场的砂量和设计中的投入砂量之比称为砂的补贴率。这包含了振动加固时产生的体积变化和施工中的损失等。砂的补贴率在少上施工中约为1.41.45