海上SCP工法设计及施工手册(译文)

1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)2海上挤密砂桩工法的设计施工手册页数1.总论1-1前言31-2开发的经委31-3施工方法的定位31-4施工方法的用途32.设计2-1置换率和砂桩配置42-2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102-3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182-4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253-2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333页数3-3施工管理34(1)材料砂的管理34(2)检验钻杆(Checkboring)的管理374．积算4-1价格表制作顺序384-2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394-3标准的船队构成404-4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4341．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。5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0.3～0.8。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/(x₁×ｘ₂)B.正三角形布置as=As/A=(√3/2)×(As/ｘ²)6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2-1SCP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4.2m～6.4m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3.14ｍ²)、1600mm(砂桩断面面积为2.01ｍ²)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)72-2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１＋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／(1＋e0)=(e0－e1)／(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0.074μｍ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β｛⊿N／⊿N’＝（N₁－N₀）／（N₁’―N₀）｝。细粒化增加时β＜１，在STEP-4中计算的N₁’大于N₁，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：e1＝e0-Rc・（１＋e0）・asRc＝1.05-0.46・logFc8图2-3SCP的砂质地基的设计方法9a.原地基N値N0与桩間N値N1的关系ｂ.原地基N値N0与桩中心N値Nｐ的关系ｃ粒径・粒度与emax,emin的关系ｄN-Dr-e的关系图図２－４SCP砂质地基的设计图表10図２－５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。（２）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２－４、图２－６和图２－７。可以根据表示细粒成分多的砂时的e―Dr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N～Dr～σv’的关系，可以使用如下所示的maiyahofu的建议公式。11図２－６对于粉砂以下含有量的改良后的砂桩中间N值的影响図２－７粉粒含有率Fc与ｅmax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N～Dr～σv’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。２－３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。12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σsと和粘土应力σc。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（ｎ＝σs／σc），根据现场数据的逆解析结果看应在大约1~5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：as≦0.4ｎ＝３φｓ＝３０°0.4≦as≦0.７ｎ＝２φｓ＝３０°as≧0.７ｎ＝１φｓ＝３５°大多在as≧0.７时完全排除应力分担，评价为与φ＝３０°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２－８复合地基的基本概念（１）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。13而且，根据公式（3.9）可以将复合地基作为有C和φ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（as≦0.4）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0.4≦as≦0.７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as≧0.７，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μｓ和应力低减系数μｃ之中。设定砂桩强度为砂桩的内部摩擦角φｓ，压实产生的强度增加⊿ｃ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フェレニウス法。用修正フェレニウス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⊿σｚ，这种适用于修正フェレニウス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1~3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２－２圆弧滑动计算时的SCP改良地基的评价法14（２）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。ａ）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。Ｓ₀＝ΣＨi・ｍｖi・σiここにＳ₀：原地基的压实沉降量,Hi：i层的压实层压ｍｖi：i层的体积压缩系数,σi：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σi减低，考虑对砂桩的应力集中，为μｃσi。所以改良地基的压实沉降量为以下公式