基于施工数据的水下深层水泥搅拌桩成桩质量影响因素分析

2020-07-25刘志军王雪刚

水运工程 2020年7期

滕超，刘志军，王雪刚

(1.中交四航工程研究院有限公司，广东广州 510230;2.中交交通基础工程环保与安全重点实验室，广东广州 510230；3.南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海)，广东珠海 519000)

水下深层水泥搅拌法(deep cement mixing，DCM)常用于近海地区的软土加固，具有短期可获取较高的地基强度、加固后地基变形小、对环境影响小等优势，在日本和北欧已广泛应用[1]。国内将DCM技术应用于水运工程，是在1989年加固完成的天津港东突堤北侧码头工程[2]。随着沿海城市围海造陆工程大量出现，环保要求越来越高，工期越来越紧张，DCM施工以其环保、沉降小、耗材少、工期短等优点越来越受到重视。

宁华宇[3]以香港机场扩建工程为例，介绍水下DCM施工工艺及其试验检测，包括水泥、水原材料选择及检验、水泥浆比重测试及试件成型、钻芯取样及芯样无侧限抗压强度测试等；吴加武[4]结合深中通道项目实践阐明：采用大型设备施工的水下DCM桩施工质量明显优于陆上水泥搅拌桩，其对海上工程软土地基加固是可行有效的；刘志军等[5]在调研分析水下深层水泥搅拌法复合地基工程设计特点的基础上，对钻孔取芯、振动取样、湿抓取样、静力触探、钻孔径向加压试验、平板载荷试验等潜在可行的水下深层水泥搅拌法复合地基检测方法进行系统性分析；S.Horpibulsuk等[6]研究发现水灰比对固化土的强度和变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、检测成果，首先对大量的施工原始数据进行处理，统计得到不同DCM桩在各深度的主要施工参数(如喷浆量、喷水量、BRN等)。然后，结合DCM桩临近勘察孔的土工试验成果，按不同土类、不同深度进行分类，统计主要施工参数与DCM桩无侧限抗压强度的Pearson相关系数。最后，确定不同土层在不同深度施工时起控制作用的施工参数，为水下DCM桩施工工艺优化提供数据支撑。

1 工程概况

香港机场管理局在现有机场北部实施围海造地以将机场跑道由2条扩建至3条。在现有机场以北填海拓地约650万m2,并在周边建造长约13.4 km的海堤。其中约300万m2的海床采用深层水泥搅拌法等免挖法进行基础加固。水下DCM处理其中局部造陆海域，包括C4区及C1、C2、C5护岸区(图1)，DCM桩总计27 339根，总工程量约200万m3,桩长5.0～29.0 m，为4轴梅花形，尺寸2.3 m×2.3 m，截面面积4.63 m2。

图1 香港三跑施工平面布置

1.1 地质

香港三跑DCM施工区域地质情况复杂，主要包括污染淤泥土、海相淤泥和冲积土(图2)。

1)污染淤泥土。香港机场三跑DCM施工区域自1992年底被作为香港疏浚填土工程中产生的大量污染淤泥的卸置场地，开挖了数个淤泥坑，利用海洋的自我净化能力来净化处理这些污染土。污染土淤泥的厚度在海床面以下10～30 m，天然含水率40%～60%，与土的液限非常接近；塑限20%～40%，塑性指数14～30；细粒含量高达80%～90%，其余为粉细砂、砂砾等，土体的有机质含量小于3%。

2)海相淤泥。海相淤泥为自然形成的的原状海洋沉积物，主要由粉质黏土构成，含有少量细沙及贝壳类物质，厚10～35 m。其天然含水率在40%～60%，塑限20%～40%，塑性指数15～30。海相淤泥土细粒含量高达80%～95%，其余为粉质黏土、砂砾等，土体的有机质含量小于3%。

3)冲积土层。位于海相淤泥土层下部的土层材料包括砂、砾石、黏土，主要为硬塑黏土，压缩性较小。

图2 香港三跑DCM施工区域地质三维剖面图

1.2 施工工艺

水下DCM现场施工主要分为定位、贯入、引拔切土处理、底部喷浆处理、上部喷浆处理、清洗等步骤(图3)。水下DCM施工主要控制参数有水泥掺量、喷水量、每米搅拌次数(BRN)。施工过程中，系统会对施工电流、注水量、注浆量、上拔速度、下贯速度、高程、喷浆压力等大量施工工艺参数进行实时记录，记录频率为5 s/次。

图3 水下DCM施工工艺

2 数据处理

结合检测结果，对检测桩的施工数据按1 m为单位统计其实际水泥掺量、BRN、喷水量，并以其最近的勘察孔作为土层划分依据，以土工试验成果作为其土层参数，建立起勘察-施工-检测的因果关系。

2.1 施工数据处理

通常BRN计算公式如式(1)所示。该公式应用的前提是运行速率平稳、钻速恒定，同时搅拌头叶片须全部穿过土层。但在底层施工时，搅拌叶片并不能全部通过底层土(图4)。

BRN=∑M(Nu/Vu+Nd/Vd)

(1)

式中：BRN为每米被加固土体搅拌切割转动数(r/m)；∑M为单根钻杆搅拌叶片总数；Nu为搅拌机提升转动速度(r/min)；Vu为搅拌机的提升速度(m/min)；Nd为搅拌机贯入转动速度(r/min)；Vd为搅拌机的贯入速度(m/min)。

图4 搅拌头触底时有效搅拌叶片

为统计实际有效BRN值，首先提取喷浆后的原始记录(BRN只计入喷浆后的搅拌次数)，再统计有效搅拌叶片在土层中的停留时间内的搅拌次数并进行累加，按式(2)计算。

(2)

式中：BRNh=i为高程i处的BRN值(r/m)；vdh=i为高程i处的钻杆钻速(r/min)；t为数据记录间隔时间(s)；n为搅拌头叶片总数；L为搅拌头长度，取整数(m)。

由于底部喷浆阶段采用下喷浆口喷浆，而上拔阶段采用上喷浆口喷浆，所以，喷浆量分2部分统计，再将2个阶段的高程调整后相加，水泥掺量按式(3)计算。

(3)

施工阶段的喷水以下喷浆口为主，喷水量无需特殊处理，按式(4)计算。

(4)

式中：wh=i为高程i处的每米喷水量(kg/m3)；ρw为水的密度(kg/L)；Vwh=i为高程i处的喷水流速(L/min)。

2.2 勘察数据处理

根据香港三跑项目勘察资料，不同施工区域的DCM桩参考该区域最临近的钻孔，以该钻孔的主要土工参数作为不同深度的土层参数。部分施工区域主要土工参数如表1所示。

表1 部分施工区域主要土工参数

3 相关性分析

根据室内土工试验报告，分析区域内地层中的土主要有淤泥、淤泥质黏土、黏土3种。其中淤泥主要分布在1～11 m，但由于表层成桩质量与其他深度的成桩质量有明显区别，故本次分析中将其分为浅表层淤泥(主要深度范围1～7 m)，以及中层淤泥(主要深度范围6～11 m)。淤泥质黏土在3～27 m均有分布，黏土主要深度范围为10～19 m。故按土层参数简化为3类，并针对其进行分析。各类土的主要参数如表2所示。

表2 土层深度及主要土工参数

针对3类土按不同深度分别统计主要参数与无侧限抗压强度(unconfined compressive strength，简称UCS)之间的Pearson相关系数。Pearson相关系数r适用于测度两数值变量的相关性，按式(5)计算。

(5)

X=(x1,x2,…xn)

(6)

Y=(x1,x2,…xn)

(7)

式中：X，Y为2个随机变量。xi为X中第i个变量，yi为Y中第i个变量，-1≤r≤1描述了2个变量线性相关的方向和程度：r> 0时，2个变量之间为正相关；r< 0时，2个变量之间为负相关；r=±1时，2个变量完全相关；r=0时，2个变量之间不存在线性相关关系。计算结果如表3所示。

表3 不同土层主要参数与UCS的Pearson相关系数

由表3可知，对于淤泥，浅表层淤泥(1～6 m)由于含水率高、液性指数高、流动性强，施工时易搅拌均匀、水泥浆易散失，成桩质量较差，不合格率达13.3%，水泥掺量及BRN与UCS不显著正相关，因此加大水泥掺量及提高BRN，对提高水泥土无侧限抗压强度的效果均不明显；土压力与无侧限抗压强度呈显著正相关(图5)。因此，提高浅层淤泥成桩质量，主要通过铺砂提高土压力的方式来实现。对于中层淤泥，水泥掺量、BRN均与无侧限抗压强度呈显著正相关关系，同时该土层成桩质量好，不合格率最低达0.7%。

图5 淤泥(1～6 m)深度与无侧限抗压强度散点图

对于淤泥质黏土，浅层淤泥质黏土液性指数相对较低，流动性一般，施工时易搅匀，水泥浆不易散失，土压力与无侧限抗压强度呈显著正相关性，而喷水量与之呈显著负相关性；中层淤泥质黏土与喷水量呈显著负相关性，与土压力呈显著负相关；深层淤泥质黏土与水泥掺量呈显著正相关，与喷水量、土压力呈显著负相关。因此，提高淤泥质黏土成桩质量，无论深浅均可采取降低喷水量的方式。

同时，深层淤泥质黏土(≥20 m)成桩质量最差，不合格率达21.5%。当喷水量超过300 kg/m3时其UCS明显降低(图6)，因此，在深层淤泥质黏土施工时喷水量应控制在300 kg/m3以内。

图6 淤泥质黏土(≥20 m)喷水量与无侧限抗压强度散点图

对于黏土，其自身强度较高，易粘住搅拌头，搅拌均匀性是影响黏土层成桩无侧限抗压强度最主要的因素，BRN与成桩无侧限抗压强度呈显著正相关性，且深度越大，相关性越显著。同时，不合格样本均出现在BRN< 1 200 r/m内(图7)。因此，提高黏土层成桩质量，主要通过提高BRN的方式，建议提高BRN至1 200 r/m。