航道整治工程水泥搅拌桩检测方法及试验设计

孙肇然

(镇江市港航事业发展中心,江苏 镇江 212000)

水泥搅拌桩施工为航道整治工程的隐蔽工程,具有施工过程控制难度较大的特点,施工单位需要重视对水泥搅拌桩施工的质量检测。传统水泥搅拌桩检测方法普遍具有操作难度较大、检测时间较长等不足,但是航道整治工程由于汛期因素对施工周期的要求较为严格,如果施工单位在水泥搅拌桩检测上消耗较多的时间,就会影响航道整治工程的完工时间,施工单位需要就水泥搅拌桩检测方法做出相应设计调整。

标准贯入试验能够通过标准贯入击数反应水泥搅拌桩强度,能够实现对于桩体质量的准确评价,得到的试验数据具有较好的代表性。目前,国内外已经有诸多学者开展了关于标准贯入试验的研究,并且在珠江三角洲等地进行了实践[1]。例如,有学者通过标准贯入试验、无侧限抗压强度试验,总结了水泥搅拌桩标贯击数、无侧限抗压强度关系[2]。

现以长江下游九江河段航道整治工程为例,进行航道整治工程水泥搅拌桩检测试验设计。本次试验选择的航道整治工程位于长江下游,地貌形态为冲积平原,土层可以分为粉质黏土、淤泥质粉质黏土、粉质黏土夹粉土、粉土四层。

1 航道整治工程水泥搅拌桩检测方法

1.1 轻便触探法

轻便触探法可以检测水泥搅拌桩顶部<4 m的桩体强度,从而明确桩体荷载范围。通常情况下,受到垂直荷载作用的影响,水泥搅拌桩顶部4 m左右的轴向应力最大,再加上顶部桩体的压力覆盖率较小,容易对水泥搅拌桩质量造成不利影响。如果航道整治工程土层为大面积回填土层、河塘湖沟土层,则工程所在地的土层均匀性、加固效果无法得到保障,此时进行水泥搅拌桩检测尤为重要,并且适合应用轻便触探法[3]。

此检测方法应用优势为可以全面掌握检测范围内水泥搅拌桩的固体质量净空。应用劣势为受力较小,转弯浅部的一般硬度较大;检测范围只有4 m,检测局限性较大;检测效果一般。

1.2 载荷试验法

载荷试验法可以检测水泥搅拌桩单桩荷载范围、标准荷载条件值。如果航道整治工程较为复杂、特殊项目较多,适合应用载荷试验法[4]。

此检测方法应用优势为检测精确程度较高,检测可靠性较高。应用劣势为检测时间一般>28 d,如果时间不足则无法判断水泥搅拌桩强度是否能够满足荷载要求;荷载传递距离较小;检测成本较高。

1.3 桩身取芯法

桩身取芯法可以检测确定存在缺陷水泥搅拌桩的具体质量问题,需要配合轻便触探法、载荷试验法共同应用。在水泥搅拌桩成型28 d后,通过钻芯取样实现单桩压力检测。

此检测方法应用优势为能够明确缺陷水泥搅拌桩的质量问题。应用劣势为只能够作为辅助检测方式应用,不能独立应用于水泥搅拌桩质量检测[5]。

1.4 开挖检查法

开挖检查法可以检测水泥搅拌桩桩身均匀程度、直径参数,需要对浅层水泥搅拌桩进行开挖作业[6]。

此检测方法应用优势为能够实现对水泥搅拌桩清晰、直观地检验;开挖作业技术难度较低。应用劣势为开挖作业对于人力资源和检测时间的消耗较多;需要严格控制开挖深度;水泥搅拌桩在空气中有一定长度和时间的暴露,或多或少会降低桩体强度,导致测量性能参数与开挖作业前实际参数存在一定差异。

2 航道整治工程水泥搅拌桩检测试验设计

2.1 工程概况

长江下游九江河段航道整治工程地貌形态为冲积平原。土层可以分为粉质黏土(天然含水率为24.89%,天然孔隙比为0.697,密度为2.02 g·cm-3)、淤泥质粉质黏土(天然含水率为37.48%,天然孔隙比为1.051,密度为1.82 g·cm-3)、粉质黏土夹粉土(天然含水率为29.82%,天然孔隙比为0.837,密度为1.94 g·cm-3)、粉土(天然含水率为28.51%,天然孔隙比为0.821,密度为1.92 g·cm-3)4层,且浅层粉土、粉砂处于松散状态,深层软土发育较为完善。

长江下游九江河段航道整治工程拟定水泥搅拌桩施工规划如下:以P·O 42.5普通硅酸盐水泥为水泥粉体,掺入量占比约为18%～20%,具体百分比需要视水泥搅拌桩检测试验结果而定。

水泥搅拌桩成桩28 d后开始进行检测试验,检测试验质量标准如下:7 d龄期水泥搅拌桩桩体强度≥设计值的30%;28 d龄期水泥搅拌桩桩体强度≥设计值的70%;90 d龄期水泥搅拌桩桩体强度≥1.25 MPa[7]。

2.2 试验设计

(1)确定检测桩。

根据长江下游九江河段航道整治工程施工现场实际情况,选择将水泥搅拌桩成桩龄期划分为7 d、14 d、28 d、60 d、90 d 5个阶段,在各个龄期中分别选择6根桩长约为8 m的水泥搅拌桩,共计选择30根水泥搅拌桩开展检测试验。

(2)钻孔取芯。

开展标准贯入试验之前,需要先对水泥搅拌桩进行钻孔取芯。

钻孔取芯操作流程如下:通过钻机(钻头直径为10.8 cm,转速≥790 r/min,转速调节档数≥4档,额定工作压力≥1.5 MPa)及芯样管回转钻进技术在距离水泥搅拌桩桩心10 cm左右位置处进行钻孔取芯;注意控制回次进尺,每回次进尺≤1.5 m;钻孔至孔底后,需要通过适合方式检测水泥搅拌桩端部持力层岩性;钻孔过程中需要拧紧扩孔器和钻头,禁止敲打和损坏芯样;钻孔结束后,对水泥搅拌桩、钻机、检测单位、孔洞进行拍照取样,并且需要涵盖孔洞深度、水泥搅拌桩长度及桩号、钻机型号、检测单位资质等基本数据;如果发现异常钻孔,则需要封闭钻孔,具体应用压力在0.55～1.05 MPa的水泥浆从孔底自下而上回灌,留待后续处理。

如果在钻孔过程中发现孔底存在浮泥、残留芯样,需要进行清孔处理,确保浮泥、残留芯样厚度≤5 cm,从而确保后续标准贯入试验继续进行[8]。

(3)标准贯入试验。

水泥搅拌桩桩身方向每150 cm需要进行一次标准贯入试验,每根水泥搅拌桩均采集5组检测试验数据,取其平均值。

标准贯入试验操作流程如下:当钻孔至试验高程以上15 cm时,开始标准贯入试验;选择回转钻进技术,并且确保孔壁钻进的稳定水平;陆地区域钻孔水位需要略高于地下水位,水内区域钻孔水位需要不低于水域水位;水内区域钻孔选择浮式平台,确保平台晃动不会对标准贯入试验结果造成影响;选择能够自动脱钩的自由落锤方式进行锤击,确保导向杆、探杆、贯入器之间的紧密连接,锤击过程中需要尽量保持垂直落锤,避免出现锤击重心偏移及晃动等情况,锤击速率≤30次/min;当贯入器进入土层1.5 m后,每进入10 cm便需要纪录1次锤击次数,并且将打入土层相应深度处的锤击次数作为标准试验锤击次数(简称标贯次数)。

(4)无侧限抗压强度试验。

对水泥搅拌桩钻孔取芯得到的芯样进行相应加工,随后进行无侧限抗压强度试验,每根水泥搅拌桩均采集5组检测试验数据,取其平均值。

无侧限抗压强度试验操作流程如下:准备轴向位移计(量程为1 cm,能够精确到0.001 cm,搭配量程为0.2%的位移传感器)、天平(量程为1 kg,能够精确到0.000 01 kg)、卡尺、直尺、钢丝锯、重塑筒(高度为8 cm,内径为4 cm)、垫板、秒表、应变控制式无侧限压缩仪(需要结合航道整治工程土层分布及土质特性选择)、压力试验机等试验仪器及工具;按照2∶1的高径比将芯样制作成标准试件,将试件直径误差、高度误差控制在0.1 cm之内;通过压力试验机加载试件,加载速率为0.25～0.55 MPa/s,一直到试件出现被破坏迹象;一旦出现破坏迹象,需要立即停止压力试验机,描述破损试件的破损后形状,测量试件破损角度,从而准确纪录破坏时的荷载(精确到小数点后两位),根据破坏荷载计算出试件的无侧限抗压强度。

各个龄期中分别选择3根水泥搅拌桩(分别位于上、中、下3个位置)进行无侧限抗压强度试验,如果检测结果未达到航道整治工程施工标准,或者芯样不成型,判定水泥搅拌桩为不合格桩,该桩试验数据不纳入最终试验结果。

2.3 试验结果

(1)标准贯入试验、无侧限抗压强度试验统计结果。

通过对水泥搅拌桩标准贯入试验数据、无侧限抗压强度试验数据进行分析及统计,发现不同龄期水泥搅拌桩的标贯次数与打入土层深度关系、无侧限抗压强度与打入土层深度关系基本一致。现以28 d龄期水泥搅拌桩试验结果为例,标贯次数与打入土层深度关系曲线见图1,无侧限抗压强度与打入土层深度关系曲线见图2。

图1 28 d龄期水泥搅拌桩标贯次数与打入土层深度关系曲线图

图2 28 d龄期水泥搅拌桩无侧限抗压强度与打入土层深度关系曲线图

在施工工艺和龄期相同的前提条件下,水泥搅拌桩标贯次数、无侧限抗压强度与打入土层深度均呈现为先减少后增加的关系,这与长江下游九江河段航道整治工程航道整治工程土层分布及土质特性有着密切关系。

水泥搅拌桩无侧限抗压强度与航道整治工程土层分布及土质特性关系由小到大的顺序依次为淤泥质粉质黏土、粉质黏土、粉质黏土夹粉土、粉土。导致这一结果的原因如下:淤泥质粉质黏土天然含水率、天然孔隙比较高,这会在一定程度上弱化水泥的水化反应,同时需要更多的水泥水化产物填补孔隙,因此淤泥质粉质黏土位置处的水泥搅拌桩无侧限抗压强度最低;尽管粉质黏土、粉土的天然含水率、天然孔隙比相差较小,但是粉质黏土为黏性土且内部多为裂隙状构造、絮状结构,导致其内部结构较为松散、孔隙较多、压缩性较高;粉土为无黏性土且砂粒含量较高、黏粒含量较低,导致水泥在水解反应过程中能够以砂粒作为骨架,以胶结性水化产物填补孔隙,并且砂粒的骨架作用要优于黏粒,因此粉土位置处的水泥搅拌桩无侧限抗压强度要高于粉质黏土;粉质黏土夹粉土介于粉质黏土、粉土之间,因此粉质黏土夹粉土位置处的水泥搅拌桩无侧限抗压强度要高于粉质黏土、低于粉土。

与其他水泥搅拌桩相比,6#水泥搅拌桩的无侧限抗压强度明显异常,导致这一结果的原因如下:6#水泥搅拌桩水泥搅拌均匀程度不足,导致其无侧限抗压强度普遍偏低。

(2)标贯击数、无侧限抗压强度关系分析结果。

通过对水泥搅拌桩标准贯入试验数据、无侧限抗压强度试验数据进行分析及统计,可以得到如下结论:①水泥搅拌桩标贯击数、无侧限抗压强度之间呈正相关关系,即无侧限抗压强度随着标贯击数的增加而增加。②对水泥搅拌桩标准贯入试验数据、无侧限抗压强度试验数据进行拟合,可以计算出标贯击数、无侧限抗压强度关系散点图的线性系数为0.024～0.077,具体线性系数与航道整治工程土层分布及土质特性相关,由小到大依次为粉质黏土夹粉土、粉质黏土、淤泥质粉质黏土、粉土。

(3)标贯击数、龄期关系分析结果

为了分析不同龄期下水泥搅拌桩标贯击数的关系绘制曲线,见图3,图中各项数值均为剔除异常值后的平均数值。

图3 不同龄期水泥搅拌桩标贯击数关系图

通过图3,可以得到如下试验结果:不同龄期水泥搅拌桩的标贯击数关系不同,7 d、28 d基本呈线性关系,7 d、90 d呈二次函数关系。这是因为不同龄期下,水泥的水解反应速率不同,但是前期能够保持线性增加,后期便会逐渐降低。

3 结 论

(1)轻便触探法、载荷试验法、桩身取芯法、开挖检查法为现阶段应用频率较高的航道整治工程水泥搅拌桩检测方法。

(2)在施工工艺和龄期相同的条件下,水泥搅拌桩标贯次数、无侧限抗压强度与打入土层深度均呈现为先减少后增加的关系,水泥搅拌桩无侧限抗压强度与航道整治工程土层分布及土质特性关系由小到大依次为淤泥质粉质黏土、粉质黏土、粉质黏土夹粉土、粉土。

(3)水泥搅拌均匀程度不足等水泥搅拌桩施工工艺问题,会降低水泥搅拌桩的无侧限抗压强度。

(4)水泥搅拌桩标贯击数、无侧限抗压强度之间呈正相关关系,标贯击数、无侧限抗压强度关系散点图线性系数与航道整治工程土层分布及土质特性相关由小到大依次为粉质黏土夹粉土,粉质黏土、淤泥质粉质黏土,粉土。

(5)不同龄期水泥搅拌桩的标贯击数关系不同,前期基本呈线性关系,后期呈二次函数关系。