基于施工數(shù)據(jù)的水下深層水泥攪拌樁成樁質(zhì)量影響因素分析

滕 超，劉志軍，王雪剛

(1.中交四航工程研究院有限公司，廣東 廣州 510230;2.中交交通基礎(chǔ)工程環(huán)保與安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510230；3.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(珠海)，廣東 珠海 519000)

水下深層水泥攪拌法(deep cement mixing，DCM)常用于近海地區(qū)的軟土加固，具有短期可獲取較高的地基強(qiáng)度、加固后地基變形小、對(duì)環(huán)境影響小等優(yōu)勢(shì)，在日本和北歐已廣泛應(yīng)用[1]。國(guó)內(nèi)將DCM技術(shù)應(yīng)用于水運(yùn)工程，是在1989年加固完成的天津港東突堤北側(cè)碼頭工程[2]。隨著沿海城市圍海造陸工程大量出現(xiàn)，環(huán)保要求越來(lái)越高，工期越來(lái)越緊張，DCM施工以其環(huán)保、沉降小、耗材少、工期短等優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越受到重視。

寧華宇[3]以香港機(jī)場(chǎng)擴(kuò)建工程為例，介紹水下DCM施工工藝及其試驗(yàn)檢測(cè)，包括水泥、水原材料選擇及檢驗(yàn)、水泥漿比重測(cè)試及試件成型、鉆芯取樣及芯樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試等；吳加武[4]結(jié)合深中通道項(xiàng)目實(shí)踐闡明：采用大型設(shè)備施工的水下DCM樁施工質(zhì)量明顯優(yōu)于陸上水泥攪拌樁，其對(duì)海上工程軟土地基加固是可行有效的；劉志軍等[5]在調(diào)研分析水下深層水泥攪拌法復(fù)合地基工程設(shè)計(jì)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對(duì)鉆孔取芯、振動(dòng)取樣、濕抓取樣、靜力觸探、鉆孔徑向加壓試驗(yàn)、平板載荷試驗(yàn)等潛在可行的水下深層水泥攪拌法復(fù)合地基檢測(cè)方法進(jìn)行系統(tǒng)性分析；S.Horpibulsuk等[6]研究發(fā)現(xiàn)水灰比對(duì)固化土的強(qiáng)度和變形特性均起到控制性作用。

本文基于香港三跑水下DCM的勘察、施工、檢測(cè)成果，首先對(duì)大量的施工原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，統(tǒng)計(jì)得到不同DCM樁在各深度的主要施工參數(shù)(如噴漿量、噴水量、BRN等)。然后，結(jié)合DCM樁臨近勘察孔的土工試驗(yàn)成果，按不同土類(lèi)、不同深度進(jìn)行分類(lèi)，統(tǒng)計(jì)主要施工參數(shù)與DCM樁無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的Pearson相關(guān)系數(shù)。最后，確定不同土層在不同深度施工時(shí)起控制作用的施工參數(shù)，為水下DCM樁施工工藝優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐。

1 工程概況

香港機(jī)場(chǎng)管理局在現(xiàn)有機(jī)場(chǎng)北部實(shí)施圍海造地以將機(jī)場(chǎng)跑道由2條擴(kuò)建至3條。在現(xiàn)有機(jī)場(chǎng)以北填海拓地約650萬(wàn)m2,并在周邊建造長(zhǎng)約13.4 km的海堤。其中約300萬(wàn)m2的海床采用深層水泥攪拌法等免挖法進(jìn)行基礎(chǔ)加固。水下DCM處理其中局部造陸海域，包括C4區(qū)及C1、C2、C5護(hù)岸區(qū)(圖1)，DCM樁總計(jì)27 339根，總工程量約200萬(wàn)m3,樁長(zhǎng)5.0～29.0 m，為4軸梅花形，尺寸2.3 m×2.3 m，截面面積4.63 m2。

圖1 香港三跑施工平面布置

1.1 地質(zhì)

香港三跑DCM施工區(qū)域地質(zhì)情況復(fù)雜，主要包括污染淤泥土、海相淤泥和沖積土(圖2)。

1)污染淤泥土。香港機(jī)場(chǎng)三跑DCM施工區(qū)域自1992年底被作為香港疏浚填土工程中產(chǎn)生的大量污染淤泥的卸置場(chǎng)地，開(kāi)挖了數(shù)個(gè)淤泥坑，利用海洋的自我凈化能力來(lái)凈化處理這些污染土。污染土淤泥的厚度在海床面以下10～30 m，天然含水率40%～60%，與土的液限非常接近；塑限20%～40%，塑性指數(shù)14～30；細(xì)粒含量高達(dá)80%～90%，其余為粉細(xì)砂、砂礫等，土體的有機(jī)質(zhì)含量小于3%。

2)海相淤泥。海相淤泥為自然形成的的原狀海洋沉積物，主要由粉質(zhì)黏土構(gòu)成，含有少量細(xì)沙及貝殼類(lèi)物質(zhì)，厚10～35 m。其天然含水率在40%～60%，塑限20%～40%，塑性指數(shù)15～30。海相淤泥土細(xì)粒含量高達(dá)80%～95%，其余為粉質(zhì)黏土、砂礫等，土體的有機(jī)質(zhì)含量小于3%。

3)沖積土層。位于海相淤泥土層下部的土層材料包括砂、礫石、黏土，主要為硬塑黏土，壓縮性較小。

圖2 香港三跑DCM施工區(qū)域地質(zhì)三維剖面圖

1.2 施工工藝

水下DCM現(xiàn)場(chǎng)施工主要分為定位、貫入、引拔切土處理、底部噴漿處理、上部噴漿處理、清洗等步驟(圖3)。水下DCM施工主要控制參數(shù)有水泥摻量、噴水量、每米攪拌次數(shù)(BRN)。施工過(guò)程中，系統(tǒng)會(huì)對(duì)施工電流、注水量、注漿量、上拔速度、下貫速度、高程、噴漿壓力等大量施工工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄，記錄頻率為5 s/次。

圖3 水下DCM施工工藝

2 數(shù)據(jù)處理

結(jié)合檢測(cè)結(jié)果，對(duì)檢測(cè)樁的施工數(shù)據(jù)按1 m為單位統(tǒng)計(jì)其實(shí)際水泥摻量、BRN、噴水量，并以其最近的勘察孔作為土層劃分依據(jù)，以土工試驗(yàn)成果作為其土層參數(shù)，建立起勘察-施工-檢測(cè)的因果關(guān)系。

2.1 施工數(shù)據(jù)處理

通常BRN計(jì)算公式如式(1)所示。該公式應(yīng)用的前提是運(yùn)行速率平穩(wěn)、鉆速恒定，同時(shí)攪拌頭葉片須全部穿過(guò)土層。但在底層施工時(shí)，攪拌葉片并不能全部通過(guò)底層土(圖4)。

BRN=∑M(Nu/Vu+Nd/Vd)

(1)

式中：BRN為每米被加固土體攪拌切割轉(zhuǎn)動(dòng)數(shù)(r/m)；∑M為單根鉆桿攪拌葉片總數(shù)；Nu為攪拌機(jī)提升轉(zhuǎn)動(dòng)速度(r/min)；Vu為攪拌機(jī)的提升速度(m/min)；Nd為攪拌機(jī)貫入轉(zhuǎn)動(dòng)速度(r/min)；Vd為攪拌機(jī)的貫入速度(m/min)。

圖4 攪拌頭觸底時(shí)有效攪拌葉片

為統(tǒng)計(jì)實(shí)際有效BRN值，首先提取噴漿后的原始記錄(BRN只計(jì)入噴漿后的攪拌次數(shù))，再統(tǒng)計(jì)有效攪拌葉片在土層中的停留時(shí)間內(nèi)的攪拌次數(shù)并進(jìn)行累加，按式(2)計(jì)算。

(2)

式中：BRNh=i為高程i處的BRN值(r/m)；vdh=i為高程i處的鉆桿鉆速(r/min)；t為數(shù)據(jù)記錄間隔時(shí)間(s)；n為攪拌頭葉片總數(shù)；L為攪拌頭長(zhǎng)度，取整數(shù)(m)。

由于底部噴漿階段采用下噴漿口噴漿，而上拔階段采用上噴漿口噴漿，所以，噴漿量分2部分統(tǒng)計(jì)，再將2個(gè)階段的高程調(diào)整后相加，水泥摻量按式(3)計(jì)算。

(3)

施工階段的噴水以下噴漿口為主，噴水量無(wú)需特殊處理，按式(4)計(jì)算。

(4)

式中：wh=i為高程i處的每米噴水量(kg/m3)；ρw為水的密度(kg/L)；Vwh=i為高程i處的噴水流速(L/min)。

2.2 勘察數(shù)據(jù)處理

根據(jù)香港三跑項(xiàng)目勘察資料，不同施工區(qū)域的DCM樁參考該區(qū)域最臨近的鉆孔，以該鉆孔的主要土工參數(shù)作為不同深度的土層參數(shù)。部分施工區(qū)域主要土工參數(shù)如表1所示。

表1 部分施工區(qū)域主要土工參數(shù)

3 相關(guān)性分析

根據(jù)室內(nèi)土工試驗(yàn)報(bào)告，分析區(qū)域內(nèi)地層中的土主要有淤泥、淤泥質(zhì)黏土、黏土3種。其中淤泥主要分布在1～11 m，但由于表層成樁質(zhì)量與其他深度的成樁質(zhì)量有明顯區(qū)別，故本次分析中將其分為淺表層淤泥(主要深度范圍1～7 m)，以及中層淤泥(主要深度范圍6～11 m)。淤泥質(zhì)黏土在3～27 m均有分布，黏土主要深度范圍為10～19 m。故按土層參數(shù)簡(jiǎn)化為3類(lèi)，并針對(duì)其進(jìn)行分析。各類(lèi)土的主要參數(shù)如表2所示。

表2 土層深度及主要土工參數(shù)

針對(duì)3類(lèi)土按不同深度分別統(tǒng)計(jì)主要參數(shù)與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度(unconfined compressive strength，簡(jiǎn)稱(chēng)UCS)之間的Pearson相關(guān)系數(shù)。Pearson相關(guān)系數(shù)r適用于測(cè)度兩數(shù)值變量的相關(guān)性，按式(5)計(jì)算。

(5)

X=(x1,x2,…xn)

(6)

Y=(x1,x2,…xn)

(7)

式中：X，Y為2個(gè)隨機(jī)變量。xi為X中第i個(gè)變量，yi為Y中第i個(gè)變量，-1≤r≤1描述了2個(gè)變量線性相關(guān)的方向和程度：r> 0時(shí)，2個(gè)變量之間為正相關(guān)；r< 0時(shí)，2個(gè)變量之間為負(fù)相關(guān)；r=±1時(shí)，2個(gè)變量完全相關(guān)；r=0時(shí)，2個(gè)變量之間不存在線性相關(guān)關(guān)系。計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 不同土層主要參數(shù)與UCS的Pearson相關(guān)系數(shù)

由表3可知，對(duì)于淤泥，淺表層淤泥(1～6 m)由于含水率高、液性指數(shù)高、流動(dòng)性強(qiáng)，施工時(shí)易攪拌均勻、水泥漿易散失，成樁質(zhì)量較差，不合格率達(dá)13.3%，水泥摻量及BRN與UCS不顯著正相關(guān)，因此加大水泥摻量及提高BRN，對(duì)提高水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的效果均不明顯；土壓力與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈顯著正相關(guān)(圖5)。因此，提高淺層淤泥成樁質(zhì)量，主要通過(guò)鋪砂提高土壓力的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于中層淤泥，水泥摻量、BRN均與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈顯著正相關(guān)關(guān)系，同時(shí)該土層成樁質(zhì)量好，不合格率最低達(dá)0.7%。

圖5 淤泥(1～6 m)深度與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度散點(diǎn)圖

對(duì)于淤泥質(zhì)黏土，淺層淤泥質(zhì)黏土液性指數(shù)相對(duì)較低，流動(dòng)性一般，施工時(shí)易攪勻，水泥漿不易散失，土壓力與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈顯著正相關(guān)性，而噴水量與之呈顯著負(fù)相關(guān)性；中層淤泥質(zhì)黏土與噴水量呈顯著負(fù)相關(guān)性，與土壓力呈顯著負(fù)相關(guān)；深層淤泥質(zhì)黏土與水泥摻量呈顯著正相關(guān)，與噴水量、土壓力呈顯著負(fù)相關(guān)。因此，提高淤泥質(zhì)黏土成樁質(zhì)量，無(wú)論深淺均可采取降低噴水量的方式。

同時(shí)，深層淤泥質(zhì)黏土(≥20 m)成樁質(zhì)量最差，不合格率達(dá)21.5%。當(dāng)噴水量超過(guò)300 kg/m3時(shí)其UCS明顯降低(圖6)，因此，在深層淤泥質(zhì)黏土施工時(shí)噴水量應(yīng)控制在300 kg/m3以?xún)?nèi)。

圖6 淤泥質(zhì)黏土(≥20 m)噴水量與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度散點(diǎn)圖

對(duì)于黏土，其自身強(qiáng)度較高，易粘住攪拌頭，攪拌均勻性是影響?zhàn)ね翆映蓸稛o(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度最主要的因素，BRN與成樁無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈顯著正相關(guān)性，且深度越大，相關(guān)性越顯著。同時(shí)，不合格樣本均出現(xiàn)在BRN< 1 200 r/m內(nèi)(圖7)。因此，提高黏土層成樁質(zhì)量，主要通過(guò)提高BRN的方式，建議提高BRN至1 200 r/m。

圖7 黏土(10～19 m)每米攪拌次數(shù)與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

4 結(jié)論

1)水下DCM成樁質(zhì)量較差的部位主要集中在淺表層淤泥(1～6 m)及深層淤泥質(zhì)黏土(≥20 m)，是水下DCM施工的難點(diǎn)。

2)對(duì)于淺表層淤泥(1～6 m)，UCS與土壓力呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與水泥摻量、BRN、噴水量等相關(guān)性不明顯，提高其成樁質(zhì)量主要采取鋪墊砂層提高土壓力的方式。

3)對(duì)于淤泥質(zhì)黏土，噴水量與樁體強(qiáng)度呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，施工中應(yīng)采取降低噴水量的措施，同時(shí)，對(duì)于深層淤泥質(zhì)黏土(≥20 m)，應(yīng)將噴水量控制在低于300 kg/m3。

4)對(duì)于黏土，BRN與樁體強(qiáng)度呈顯著正相關(guān)關(guān)系，所有不合格樣本BRN< 1 200 r/m，因此，提高黏土層成樁質(zhì)量應(yīng)采取提高BRN的措施，建議提高至1 200 r/m。