CSM工法在深厚飽和砂土地基的現(xiàn)場試驗研究

李漢龍，李學(xué)軍，曾開華，崔 猛，劉海林

(1.南昌工程學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院，江西 南昌 330099；2.中國瑞林工程技術(shù)股份有限公司，江西 南昌 330031)

近年來，隨著地下工程的開發(fā)與利用步伐加快，越來越多深度深、規(guī)模大、條件苛刻的基坑工程呈現(xiàn)。針對地下水豐富，周邊建(構(gòu))筑物種類繁多、道路和地下管線縱橫交錯分布的城市內(nèi)進(jìn)行深基坑施工，如何保證基坑工程圍護(hù)、止水結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境安全和穩(wěn)定。德國寶峨公司2003年研發(fā)了深層攪拌技術(shù)，畢元順[1]詳細(xì)論述了深層攪拌技術(shù)的基本原理、雙輪銑深攪工藝和施工流程，并將其運(yùn)用于基礎(chǔ)工程中；深攪技術(shù)引入中國后在基坑及地下工程得到廣泛應(yīng)用，霍鏡[2]等對雙輪銑深攪工藝進(jìn)行深入的探討和研究，結(jié)合國內(nèi)外實(shí)際工程和應(yīng)用情況，歸納總結(jié)了CSM工法的特點(diǎn)和優(yōu)勢；祝紫燕[3]等對CSM工法應(yīng)用于武漢地區(qū)設(shè)計方法、實(shí)施情況和止水效果進(jìn)行總結(jié)分析；易娟[4]對CSM工法在砂卵石特殊地層成墻效率低、成墻質(zhì)量差提出了改進(jìn)措施，有效的提高成墻質(zhì)量；李成魏[5]等介紹了在軟土地區(qū)深厚承壓水含水層地質(zhì)條件下，運(yùn)用CSM等厚度水泥土攪拌墻做止水帷幕，通過基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)驗證了CSM在軟土地區(qū)承壓含水層止水效果良好；吳國明，章兆熊[6]等通過非原位試成墻試驗，驗證TRD工法在超深砂質(zhì)地層施工止水帷幕是可行和可靠的；吳海艷，林森斌[7]通過實(shí)際工程結(jié)果計算分析，CSM工法墻內(nèi)插型鋼施工效率高，可代替?zhèn)鹘y(tǒng)工藝，值得推廣。目前針對CSM工法在工程應(yīng)用雖開展了一些研究，但CSM工法在深厚飽和砂土地基中運(yùn)用研究相對較少。

本文以江西南昌蘇寧廣場深基坑工程項目為背景，為解決深厚飽和砂土地基隔水問題，開展了CSM工法等厚度水泥土攪拌墻試成墻試驗研究，為后續(xù)工程止水墻施工提供依據(jù)。

1 場地條件

根據(jù)地質(zhì)勘察資料[8]，場區(qū)內(nèi)的地層分布：人工填土(Qml)、第四系上更新統(tǒng)湖積層(Q4l)、第四系上更新統(tǒng)沖積層(Q3al)、下部為第三系新余群(Exn)基巖。按其基巖及其工程特性，自上而下依次分為①雜填土(Qml)實(shí)測標(biāo)貫錘擊數(shù)為2～5擊；②淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土(Q4l)；③粉質(zhì)粘土(Q3al)實(shí)測標(biāo)貫錘擊數(shù)為9～15擊；④中砂(Q3al)實(shí)測標(biāo)貫錘擊數(shù)為12～18擊；⑤礫砂(Q3al)實(shí)測標(biāo)貫錘擊數(shù)為25～32擊；⑥強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖(Exn)實(shí)測標(biāo)貫錘擊數(shù)為38～42擊；⑦中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖(Exn)單軸飽和抗壓強(qiáng)度5.19Mpa及⑦-1鈣質(zhì)泥巖單軸飽和抗壓強(qiáng)度2.14～4.94MPa。場地范圍內(nèi)地層呈現(xiàn)“上軟下硬”的特點(diǎn)，淺層主要以雜填土和粉質(zhì)粘土為主，中部為較厚的砂層，下部則為強(qiáng)風(fēng)化及中風(fēng)化巖層，各土層物理力學(xué)參數(shù)見表1。表中γ為重度；C為粘聚力；φ內(nèi)摩擦角；H為地層深度；Kv為滲透系數(shù)；Ps為極限摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值。

表1 土層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)指標(biāo)

基坑地下水類型可分為上層滯水、松散巖類孔隙水、基巖裂隙水3種類型，上層滯水水位埋深1.00～3.00 m，標(biāo)高18.55～20.23 m。松散巖類孔隙水初見水位埋深7.00～11.20 m，初見水位標(biāo)高12.98～14.45 m；穩(wěn)定水位埋深7.60～12.30 m，穩(wěn)定水位標(biāo)高13.30～13.46 m；本項目地下水位標(biāo)高在10.46～12.5 m間，地下水為潛水。地下水主要接受贛江的側(cè)向補(bǔ)給及降雨入滲補(bǔ)給，水位隨季節(jié)變化大，枯水及平水期地下水向贛江排泄，水位下降，豐水期接受贛江側(cè)向補(bǔ)給，地下水位上升?；娱_挖深度范圍內(nèi)分布有深厚砂層，與贛江直接連通、水量豐富、滲透性較強(qiáng)，對基坑安全及環(huán)境安全有嚴(yán)重影響[9]。

2 工程概況及試驗設(shè)計

2.1 工程概況

南昌蘇寧廣場項目位于南昌市原省政府大院，北鄰省府北二路，東鄰省府西二路，南鄰北京西路，西鄰廣場北路，典型剖面圖如圖1。項目由地上6～7層商業(yè)與地下3層商業(yè)和車庫組成，總建筑面積230 147.29 m2，基坑開挖面積34 200 m2，開挖深度14.3～15.5 m，采用順作法施工，基坑安全等級屬一級。

本工程圍護(hù)體有灌注樁排樁結(jié)合CSM工法等厚度隔水帷幕和CSM工法等厚度型鋼水泥土攪拌墻兩種可行方案，通過經(jīng)濟(jì)對比分析，采用灌注樁排樁結(jié)合CSM工法等厚度隔水帷幕比CSM工法等厚度型鋼水泥土攪拌墻更適用本項目。因此，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用灌注樁排樁結(jié)合CSM工法等厚度水泥土攪拌隔水墻。

圖1 典型剖面圖

2.2 CSM工法施工重難點(diǎn)及擬采取措施

2.2.1 重難點(diǎn)分析

(1)雙輪銑水泥土攪拌墻施工深度達(dá)25.5 m，如何保證成墻垂直度？

(2)厚度達(dá)16 m左右的細(xì)砂、圓礫、砂礫層，如何克服成墻后銑削頭上提阻力？

(3)深厚飽和砂層(粉砂、細(xì)砂、砂礫)空隙率較大，如何保證水泥土攪拌墻的密實(shí)度？

(4)砂礫層中含有少量粒徑大于100 mm的礫卵石以及嵌入中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層，如何克服攪拌阻力？

2.2.2 擬采取對策

(1)針對第1條：①在雙輪銑銑頭安裝垂直度采集傳感器，在銑、削過程實(shí)時跟蹤糾偏，發(fā)現(xiàn)偏離及時調(diào)整；②嚴(yán)格控制銑頭下降速度；③利用全站儀正側(cè)兩方向?qū)崟r檢查校正。

(2)針對第2條：①下鉆過程摻入適量膨潤土泥漿護(hù)壁，保證攪拌過程墻壁不出現(xiàn)坍塌；②在砂層下鉆銑削攪拌時摻入膨潤土，并確保泥漿粘度≥40s，下鉆過程同時保持噴氣，并且下沉過程每下沉5m上下復(fù)攪1m，確保在土體均勻攪拌同時將易沉淀的顆粒夾帶在泥漿中，從而保證銑頭順利提升。

(3)針對第3條：①摻入膨潤土將粉砂、細(xì)砂、砂礫間的空隙填充；②利用膨潤土漿液將粉砂、細(xì)砂、礫砂等顆粒與水泥土漿液混合攪拌，確保攪拌墻的密實(shí)度。

(4)針對第4條：①配備330kW動力裝置，給銑削頭提供足夠的動力；②配備切削能力與中風(fēng)化巖層強(qiáng)度匹配的銑頭；③利用導(dǎo)桿和塔架給攪拌銑頭施加豎向壓力，克服銑頭向下攪拌掘進(jìn)的阻力。

2.3 現(xiàn)場試驗設(shè)計

2.3.1 試驗?zāi)康?/p>

現(xiàn)場試成墻試驗選在不影響正式隔水帷幕、圍護(hù)樁及工程樁等圍護(hù)結(jié)構(gòu)和主體結(jié)構(gòu)施工位置。以驗證國產(chǎn)SC50型CSM水泥攪拌樁機(jī)在深厚飽和砂土地層條件下的施工能力、施工工藝及施工參數(shù)。

2.3.2 試驗方案

本次試驗采用CSM等厚度水泥土攪拌墻作為止水帷幕，現(xiàn)場開展了3次試成墻試驗；第1次、第2次試驗墻厚度為800 mm；第3次試驗墻厚底為700 mm?，F(xiàn)場試成墻工藝流程如圖2所示。

等厚度水泥土攪拌墻采用CSM雙輪銑深層攪拌設(shè)備成墻，試成墻墻段采用3幅相互搭接，試成墻平面長度為7.60 m。本項目等厚度水泥土攪拌墻需穿越深厚飽和砂礫層，墻底需嵌入第⑦層中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖不少于1.2 m。試成墻相對標(biāo)高范圍約為-0.400～-25.000(±0.000=+21.400，黃海高程)，深度約為24.6 m。

圖2 試成墻工藝流程

2.3.3 試驗設(shè)計

第1次試驗采用傳統(tǒng)單液注漿模式，即下鉆和提升過程都注入水泥漿液。施工參數(shù)參照類似項目參數(shù)進(jìn)行[10]。第1次試驗施工后進(jìn)行水泥土墻身鉆芯檢測，共對10個點(diǎn)鉆芯取樣，根據(jù)取芯試驗報告反映，芯樣在12～18m出現(xiàn)不同程度芯樣破碎，個別芯樣出現(xiàn)不完整、不成形現(xiàn)象。排除其他客觀因素，參照第1次試驗參數(shù)。第2次試驗針對施工工藝流程和施工參數(shù)進(jìn)行分析，將單液注漿模式調(diào)整為雙液注漿，即下鉆全過程噴入膨潤土挖掘液，復(fù)攪和提升過程噴入水泥漿液；將水泥摻量由22%調(diào)整為25%，水灰比由1∶0.8調(diào)整為1∶1，砂層下鉆速度由60 cm/min調(diào)整為50 cm/min，卵礫層下鉆速度由40 cm/min調(diào)整為30 cm/min。

根據(jù)第2次試驗取芯試驗報告反映，芯樣在標(biāo)高-12.00～-22.00乃出現(xiàn)少部分芯樣破碎，芯樣砂石無水泥膠結(jié)，芯樣不完整、不成形的現(xiàn)象。排除其他客觀因素，參照前兩次試驗參數(shù)，對造成不良芯樣原因進(jìn)行分析，第3次試驗將泵送挖掘液流量由87.5 L/min調(diào)整為40 L/min，第1次提升速度由20 cm/min調(diào)整為25 cm/min，復(fù)攪提升速度由20 cm/min調(diào)整為25 cm/min，復(fù)攪提升高度由10 m調(diào)整為12 m。

根據(jù)第3次試驗漿液試塊試驗和取芯試驗報告反映，芯樣連續(xù)完整，水泥膠結(jié)成形質(zhì)量良好，且試塊和芯樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均大于1.0 MPa，滿足基坑加固隔水要求。

3 現(xiàn)場試驗及結(jié)果分析

水泥土攪拌墻的墻身強(qiáng)度應(yīng)采用試塊試驗結(jié)合14 d，28 d齡期后鉆孔取芯來綜合判定。

3.1 漿液試塊強(qiáng)度分析

每次現(xiàn)場試驗時在低于現(xiàn)場試成墻有效墻頂1 m以下位置取水泥土攪拌漿液制作3組9塊70.7mm×70.7mm×70.7mm立方體試樣，置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)28 d，室內(nèi)試驗測定其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，結(jié)果見表2。結(jié)果顯示試驗強(qiáng)度均大于1.2 MPa，超過設(shè)計抗壓強(qiáng)度50%，滿足設(shè)計抗壓強(qiáng)度要求。

表2 28 d試塊抗壓試驗結(jié)果

3.2 鉆孔取芯強(qiáng)度分析

試驗墻身25.5 m，大于10 m，墻身抗壓強(qiáng)度芯樣試件每孔不少于9個，墻身三等分各取3個。在14 d和28 d齡期后分別取芯，現(xiàn)場取芯試樣如圖3所示。芯樣14 d齡期單軸抗壓強(qiáng)度如圖4所示，芯樣28 d齡期單軸抗壓強(qiáng)度如圖5所示。

從圖4可以看出，現(xiàn)場試驗等厚度水泥土攪拌墻14 d齡期單軸抗壓強(qiáng)度隨深度增加而逐漸減??；第1次試驗強(qiáng)度最小1.28 MPa，第2次試驗強(qiáng)度最小1.29 MPa，第3次試驗最小強(qiáng)度1.30 MPa；最小試驗抗壓強(qiáng)度超設(shè)計抗壓強(qiáng)度60%，滿足設(shè)計抗壓強(qiáng)度要求。

從圖5可以看出，現(xiàn)場試驗等厚度水泥土攪拌墻28 d齡期單軸抗壓強(qiáng)度變化趨勢和14 d大體一致；強(qiáng)度有所提高，第1次試驗最小強(qiáng)度1.40 MPa，第2次試驗最小強(qiáng)度1.44 MPa，第3次試驗最小試驗強(qiáng)度1.43 MPa；最小試驗抗壓強(qiáng)度超設(shè)計抗壓強(qiáng)度75%，滿足設(shè)計抗壓強(qiáng)度要求。

圖3 現(xiàn)場取芯樣品 圖4 14 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度 圖5 28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

3.3 抗?jié)B性能分析

取兩組芯樣分別進(jìn)行7 d和14 d室內(nèi)滲透試驗，試驗結(jié)果與勘察報告中原土層滲透速度對比見表3，結(jié)果表明在淺層雜填土和粉質(zhì)粘土層中滲透系數(shù)變化不大在；在深部的砂土層滲透速度中砂層由0.131 cm/s降低到4.7×10-6cm/s，礫砂層由0.133 cm/s降低到4.3×10-6cm/s；可見CSM工法等厚度水泥土攪拌墻對深厚飽和砂土層抗?jié)B性能提高較為顯著。通過芯樣室內(nèi)滲透性試驗結(jié)果，CSM工法等厚度水泥土攪拌墻成墻后沿深度方向的滲透系數(shù)分布較為均勻，滿足設(shè)計隔水要求。

表3 滲透系數(shù)對比 cm·s-1

3.4 環(huán)境影響分析

試成墻試驗過程中在成墻影響范圍內(nèi)布設(shè)地面沉降觀測點(diǎn)和側(cè)向位移監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測現(xiàn)場試成墻施工對周邊環(huán)境影響，監(jiān)測點(diǎn)布置如圖6所示。在距成墻2.0 m，7.0 m，12 m測點(diǎn)位置布置沉降監(jiān)測點(diǎn)，分別就成墻試驗結(jié)束和成墻試驗養(yǎng)護(hù)7 d進(jìn)行沉降位移監(jiān)測，結(jié)果如圖7所示；在距試驗墻2.0 m，7.0 m測點(diǎn)位置沿豎向方向布置測斜管進(jìn)行側(cè)向位移監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如圖8所示。

圖6 現(xiàn)場試驗監(jiān)測平面布置點(diǎn) 圖7 地表沉降位移

從圖7可以看出，在成墻試驗結(jié)束時，距試驗墻1 m范圍內(nèi)地表沉降位移約為8.22 mm，隨著距試驗墻距離加大，地表沉降量逐漸減小，在距試驗墻12 m左右沉降量就不再明顯；在試驗墻養(yǎng)護(hù)7 d后，在1～5 m范圍地表沉降量有所增大，最大沉降位移為11.3 mm，大于5 m范圍養(yǎng)護(hù)7 d后地表沉降位移無顯著變化。

從圖8(a)可以看出，在距試驗墻水平向2.0 m監(jiān)測點(diǎn)位置，最大側(cè)向位移為24 mm，側(cè)向位移在埋深2 m范圍成線性遞減；側(cè)向位移隨著豎向埋深增大保持12 mm左右。從圖8(b)可以看出，在距試驗墻水平向7.0 m監(jiān)測點(diǎn)位置，最大側(cè)向位移為11 mm，側(cè)向位移隨豎向埋深增大逐漸減小，在22 m埋深附近側(cè)向位移趨近于0。

圖8 側(cè)向位移

3.5 現(xiàn)場試驗分析

根據(jù)等厚度水泥土攪拌墻3次現(xiàn)場試成墻試驗后墻身抗壓強(qiáng)度、抗?jié)B性能和對周邊環(huán)境影響分析，通過對3次試成墻工藝和施工參數(shù)調(diào)整，確定本項目采用雙液注漿模式，參數(shù)確定為：水泥摻量25%，膨潤土摻量按水泥摻量的3%～5%；泵送壓力和送風(fēng)壓力分別按0.5～3.0 MPa、0.7～1.0 MPa；黏土層、砂層、卵礫層、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖下鉆速度分別按80 cm/min、50 cm/min、30 cm/min、5 cm/min；泵送挖掘液流量按40 L/min；第1次提升速度按25 cm/min，高度5 m，復(fù)攪提升速度按25 cm/min，高度12 m，提升至頂速度按40 cm/min；墻底嵌入第⑦層中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖不少于1.2 m。

4 結(jié)束語

本文通過現(xiàn)場試成墻試驗，調(diào)整工藝和參數(shù)，確定了在深厚飽和砂土地質(zhì)條件下應(yīng)用CSM工法施工參數(shù)，在經(jīng)過現(xiàn)場試塊和取芯抗壓試驗、抗?jié)B性能和對周邊環(huán)境影響分析，得出以下結(jié)論：

(1)以南昌蘇寧廣場基坑工程為背景，在深厚飽和砂土地層條件下，開展現(xiàn)場試成墻試驗，試驗結(jié)果表明在深厚飽和砂土層采用CSM工法施工等厚度水泥土止水墻，能有效的阻斷基坑內(nèi)外水力聯(lián)系。

(2)現(xiàn)場試驗表明采用調(diào)整后工藝和參數(shù)的CSM工法施工止水墻，墻體28 d齡期抗壓強(qiáng)度為1.4 MPa，試驗抗壓強(qiáng)度超過設(shè)計抗壓強(qiáng)度75%；在深厚中砂和礫砂層滲透速度由0.133 cm/s降低到4.3×10-6cm/s，提高了5個數(shù)量級，滿足防滲要求。

(3)現(xiàn)場試驗表明CSM工法施工對周邊環(huán)境影響很小，地表最大沉降位移11.3 mm；最大側(cè)向位移為24 mm。

(4)通過現(xiàn)場試驗確定了該工程止水墻施工參數(shù)，為以后類似項目提供參考依據(jù)。