提高深层水泥搅拌桩取芯质量的技术方法

2022-03-12唐正浩马秋柱贺迎喜

中国港湾建设 2022年2期

唐正浩，马秋柱，贺迎喜

（1.中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东广州 510230；2.中交四航局第二工程有限公司，广东广州 510230）

0 引言

深层水泥搅拌法Deep Cement Mixing Method（简称DCM 工法），是采用水泥浆液或者粉体与原土进行搅拌，增强原土的强度，提高原土承载能力的一种地基处理方法。DCM 适用于处理正常固结的淤泥、淤泥质土、素填土、黏性土（软塑、可塑）、粉土（稍密、中密）、粉细砂（松散、中密）、中粗砂（松散、稍密）、饱和黄土等地层[1]。DCM处理的地基具备良好的防渗性和承载能力，在大型填海项目的软基处理中，具备良好的适用性[2]。

深层水泥搅拌桩的强度与桩体的各类材料参数配比有关[3]，桩体的长期强度与变形破坏机理也是学者研究的重点[4]。同时，在深层水泥搅拌桩施工过程中，特别是在黏性土中施工，由于水泥的用量受限，搅拌不均匀、返浆量大等因素，会造成桩体强度低、桩底标高不足等问题[5]。因而需要采用合适的DCM 桩基检测方法，来验证DCM 桩的成桩质量和桩体强度。DCM 桩基的检测方法有钻探取芯、振动取样、静力触探、湿抓取样、平板载荷试验等[6-7]。目前，钻探取芯，把采取的芯样制作成无侧限抗压强度试样，进行无侧限抗压强度测试，是DCM 桩质量检测的重要方法之一。

本文以香港国际机场第三跑道填海工程（简称香港三跑工程）为依托，分析了影响DCM 取芯质量的关键因素。通过优化取芯工艺，改进取芯器等措施，达到提高取芯质量，制作合格测试试样的目的。研究成果可为同类取芯检测提供借鉴。

1 工程概况

香港三跑工程是在现有机场北部填海拓地约650 hm2。填海区域地层分布为污染淤泥土、海相淤泥、冲积土层。其中污染淤泥土厚度约10～30 m，海相淤泥厚度约10～35 m，冲积层位于海相淤泥下部，包括砂、硬塑黏土、砾石等[8]。DCM 桩需要对污染淤泥土、海相淤泥进行搅拌加固，提高其承载力和强度。

DCM 地基处理工程包括海上DCM 桩和陆地DCM 桩，其中陆地桩施工面积约209 万m2，约7万根水泥搅拌桩。

香港机场管理局制定了严格的DCM 取芯检测标准：1）钻孔取芯从地面到桩顶部分采用冲孔方式，从DCM 桩顶到桩底采用全断面取芯，取芯深度延伸至桩底加1 m 位置；2）单个取芯回次采取率不能低于80%；3）桩整体的采取率不能低于95%；4）每根桩需要采取10 个样品进行无侧限抗压强度测试，测试结果需要满足设计要求。

2 香港钻探取芯规范

香港地质勘探行业主要使用英国地质勘察规范BS 5930《Code of practice for site investigations》[9]，在此基础上，香港土木工程拓展署制定了适合本地的现场勘察规范《Guide to Site Investigation》[10]，相对于国内常用的取芯规范JGJ/T 87—2012《建筑工程地质勘探与取样技术规程》[11]，香港的取芯规范要求更详细，推荐的取芯器规格种类多。《建筑工程地质勘探与取样技术规程》推荐取芯检测采用二、三重管回转取土器钻进。《Guide to Site Investigation》推荐了详细规格的取土器，见表1。

表1 香港常用的取芯器/套管/钻杆型号Table 1 Sizes of commonly-used corebarrels,casings and drill rods in HK

3 钻探取芯难点分析

由于香港三跑工程工期紧，DCM 搅拌桩数量多。机场管理局要求DCM 桩成桩23 d 后，就要开展取芯检测工作。此时桩体的强度较低，增加了取芯检测的难度。

香港三跑工程有7 万多根陆地DCM 桩，30多台DCM 搅拌机，根据施工工艺、水泥掺量的不同，现场将进行多次试桩试验。试桩的强度存在较大差异，部分桩体强度过高，部分桩体存在搅拌不均匀的问题，这些都给取芯检测带来困难。

4 影响取芯质量的因素

4.1 桩体质量

质量不合格的DCM 桩存在搅拌不均匀、胶结差、裂隙多、桩端未能达到指定深度等问题，这些会影响钻探取芯的质量。

目前，相比于对压力超负荷大量的研究，人们对容量超负荷的研究深度和广度却明显受限。压力超负荷诱导心力衰竭通常采用主动脉缩窄诱导压力超负荷致心力衰竭模型。然而容量超负荷诱导心力衰竭的模型却并不广为人所知。对于人类而言，容量超负荷引发左心心功能不全的病理、生理机制存在伦理问题，以及从最初容量超负荷到最后引发左心功能不全需时过长，所以利用动物实验构建了容量超负荷模型模拟人类疾病，进而了解其潜在的诱导心力衰竭的病理、生理机制。容量超负荷动物模型可以分为2类：低压力型和高压力型。

4.2 钻具的影响

常见的钻具包括：单管钻具、双管单动钻具、三管钻具、孔底反循环钻具和绳索取芯钻具等。单管钻具，主要用于完整岩层和对取芯质量要求低的地层。双管单动钻具，取芯器有两个管子，在钻探过程中，外管转动取芯，内管把芯样包裹起来，这样可以防止冲洗液直接冲刷芯样，避免钻具转动对芯样的破坏。三管钻具，是在双管的基础上，增加了一个内管，一般是PVC 管或者开边的铁管，采取的芯样包裹在PVC 管或者铁管里，这样对样品的保护就多了一层。孔底反循环钻具，适用于大直径的钻孔，冲洗介质从钻杆内返回，流速较高，携带泥渣的能力强。绳索取芯钻具适用于深孔钻探，用绳索取芯钻具可以不用提出钻杆，而直接用钢丝绳将装有芯样的内管取出，大大提高了取芯效率。

实际工程中，需要根据业主的要求、取芯的目的、地层的特点，并考虑效率成本等因素，综合选择合适的取芯器。

4.3 冲洗介质的影响

冲洗介质主要有：清水、泥浆、空气泡沫等。冲洗介质具有降低钻头温度、携带岩屑、保护孔壁和润滑钻具的作用。

冲洗介质是钻探必不可少的材料，但冲洗介质对芯样的冲刷作用是影响取芯质量的重要因素。单管钻具中，通过增加分水帽起到隔水作用，避免冲洗介质对芯样进行冲刷。双管和三管钻具中，让冲洗介质由两层管之间流向孔底，芯样则留在最里面的一层管中，避免了被冲洗介质影响，因而降低冲洗介质的冲刷作用，是提高取芯质量的重要一步。

4.4 钻孔垂直度的影响

钻探取芯过程中，若钻孔发生了倾斜，会导致钻具偏出桩身之外，影响取芯质量。导致钻孔倾斜的因素有：1）钻机在钻探过程中，立轴发生倾斜；2）钻头钻进过程中，遇到软硬夹层，并且夹层表面倾斜，钻头会带着钻具往软的地层倾斜；3）钻杆在轴压作用下弯曲。因此钻探过程中，需要采取相应的措施避免钻孔倾斜。

4.5 钻机钻进参数的影响

钻探取芯中的施工参数主要有：钻进的轴压、转速、水泵的泵量。当岩层均匀，较高的转速可以保证进尺快、岩芯在钻头停留的时间短，被冲刷的时间短。相反在软弱破碎岩层，则需要选择低钻压和低转速，防止岩样被破坏。泵量的大小决定了冲刷的强弱，因此在保证冷却钻头和排除岩屑的基础上，尽量选择低泵量，以减少冲刷，提高取芯质量。

5 提升取芯质量的方法

5.1 Mazier 取芯器

取芯器是取芯质量的关键因素之一。针对DCM 桩取芯，业主要求采取率达到95%以上。成桩后23 d 进行取芯，取芯时，桩体强度整体偏低。三套管的Mazier 取芯器是可缩入式旋转的三套管（外管、内管、PVC 管）取芯器，是用于风化岩层和堆积土层高质量取芯的工具（见图1），三套管的Mazier 取芯器适用于该类DCM 桩的取芯。

图1 Mazier 取芯器示意图Fig.1 Schematic diagram of Mazier core barrel

Mazier 取芯器有以下特点：

1）下部切割嘴可伸缩。取芯器内管上部悬挂了弹簧装置，下部有一个长度为100～150 mm 的切割嘴。外管转动时，内管不会转动。当遇到较硬土层时，轴压会让内管弹簧缩短，让内管和切割嘴缩入，同时切割嘴会因为弹簧不同程度的伸缩变形产生不同的切割压力。这样在较软的土层，弹簧压缩变形小，切割嘴用于切割的压力小，对芯样的扰动小；而在较硬的地层，切割嘴会因为弹簧的压缩变形大，产生较大的切割力，提高切割的效率。示意图见图2。

图2 Mazier 取芯器切割嘴示意图Fig.2 Schematic diagram of cutting shoe for Mazier core barrel

2）内管有PVC 管保护芯样。Mazier 取芯器的内管内部有一条PVC 管，取芯过程中，芯样一直在PVC 管中，减少了扰动。

3）凸出的切割嘴隔开了冲洗介质。Mazier 取芯器外管底部是合金钻头，内管底部是切割嘴，切割嘴切入芯样中，隔绝了合金钻头底部流出的冲洗介质，避免了芯样被冲刷。

在用Mazier 取芯器进行DCM 桩取芯时，由于DCM 桩体较软，只能用低泵压的冲洗液清除孔内的岩屑。过低的泵压导致冲洗液流速过慢，部分岩屑无法被带出钻孔，转而沉在孔内，导致钻孔堵塞。采用在Mazier 取芯器顶部加一个中空套管的办法解决这个问题，此时岩屑在低流速的冲洗液带动下，只需抬升少量高度，就可以被取芯器顶部的套管收集。套管收集的岩屑，可以随取芯器一起提出地面，见图3。采用了Mazier 顶部加套管的办法，较好地收集了岩屑，提高了取芯质量。

图3 Mazier 取芯器的岩屑收集管Fig.3 Sediment tube of Mazier core barrel

5.2 T6 取芯器

当DCM 桩水泥掺量较高，或者成桩时间较长，DCM 桩体的硬度会较高。此时采用Mazier 取芯器，切割嘴可能无法切入强度高的桩体，导致取芯失败。T6 取芯器是一种采用金刚石钻头的双管取芯器，常用于坚硬岩层取芯。取芯时，内管不会转动，外管带着金刚石钻头转动。

常规的双管T6 取芯器用于DCM 桩取芯，存在芯样容易被冲洗液扰动，无法取得高质量样品的问题。因此，从以下3 方面对T6 取芯器进行了改进，见图4。

图4 T6 取芯器示意图Fig.4 Schematic diagram of T6 core barrel

1）在T6 取芯器内管里加上了一对开边的铁片，在取芯过程中，样品包裹在铁片里，减少了冲洗液对芯样的扰动。同时在地面取出芯样时，芯样可以随铁片整条一起抽出，减少了扰动。

2）在T6 取芯器顶端侧面开了一个阀门，在内管放置了一个活塞，当要取出内管的芯样时，只需要将取芯器横放，将阀门接上水管，用适当的水压推动活塞，活塞会将内管的芯样水平推出，然后把芯样包装后放在岩芯箱里。这样避免了倾倒或者吊起取芯器推出芯样的过程，减少了取样过程中的扰动，提高了取芯质量。

3）取芯器的底部加了一个扩孔器，扩孔器比钻头直径略大，它与钻孔壁的接触面积较大，对取芯器有一定的稳定作用。同时，当钻头在钻进过程中磨损变小，导致钻孔口径变小时，扩孔器有维持钻孔正常口径的作用。

5.3 钻头的选择

Mazier 取芯器的钻头为钨碳合金钻头，这种钻头是由粒状或者条状的钨碳合金，用烧焊方法镶嵌而成，这种合金的耐磨性较高。

T6 取芯器的钻头为金刚石钻头，它没有切割嘴隔开冲洗液和芯样。因此要避免钻头部位的冲洗液对芯样的扰动。常规的金刚石钻头出水口有侧开式和底开式两类。

其中侧开式出水口钻头，坑状的出水口开在钻头的顶部，并贯穿钻头的顶部，这种设计容许冲洗液流过芯样表面，不适合松散的风化层取芯。

底开式出水口钻头，出水口是孔状的，这种设计下，冲洗液从钻头底部水口排出，和芯样没有直接接触，降低了冲洗液对芯样的扰动。所以本工程中，T6 取芯器钻头采用底开式出水口钻头，见图5。

图5 T6 金刚石钻头Fig.5 Diamond bits for T6 core barrel

5.4 保证垂直度

保证垂直度通常有以下方法：1）钻孔前，把钻机放在水平平稳的平台上，并用水平尺验证钻机是否水平；2）完成一回次钻进后，用水平尺测量钻杆是否垂直；3）遇到软硬相间地层，采用低速低泵压钻进，保证钻孔垂直；4）采用粗直径的钻杆进行钻探，可以较好地保证钻孔垂直。本工程中，DCM 取芯钻孔直径约130 mm，采用了外径为115 mm 的套管作为取芯钻杆，使钻杆与钻孔间隙减少，保证了钻进过程中，钻孔的垂直度。