工程地質(zhì)分層對深層攪拌防滲墻質(zhì)量的影響

張 羽，張志虎，周 夢

(華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045)

深層攪拌防滲墻是利用樁機鉆頭葉片強制攪拌原土與水泥類漿液形成的具有防滲作用的墻體［1］．防滲墻能有效地加固原位土體，對高滲透性的地下空洞、地下滲漏通道都有很好的填充加固作用，能有效防止堤壩管涌、流土等滲透性破壞，并且能減少水資源流失［2］．與其他形式的防滲墻相比，深層攪拌防滲墻最大限度地利用了原位土，施工效率高，造價低，施工時振動小，無噪音污染，對周邊環(huán)境影響較?。?］．該防滲墻適用于粉土、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)土以及砂土層．目前深層攪拌防滲墻在水利工程、基坑支護等工程中得到了廣泛的應(yīng)用［4］．

以往在設(shè)計、施工中常把深層攪拌防滲墻視為均質(zhì)水泥土墻體，但在實際施工過程及試驗檢測中發(fā)現(xiàn)地質(zhì)土層對深層攪拌防滲墻體的質(zhì)量有很大的影響，主要體現(xiàn)在不同土質(zhì)與水泥的反應(yīng)及土層對施工過程的影響上．由于地層的不均勻性，導(dǎo)致施工控制難度加大，很難保證水泥土防滲墻發(fā)揮出最優(yōu)的防滲效果．

鑒于此，筆者以大同市文瀛湖水庫防滲改造工程項目為依托，分析其典型地質(zhì)分層情況，研究地質(zhì)分層對深層攪拌防滲墻質(zhì)量的影響．

1 工程地質(zhì)條件及施工工藝參數(shù)

1．1 工程地質(zhì)條件

文瀛湖水庫位于大同市城東石家寨村北．近年來隨著大同市工業(yè)的發(fā)展，對地下水的開采過度，導(dǎo)致地下水位嚴重降低，文瀛湖水庫滲漏嚴重，庫區(qū)已干枯，庫區(qū)周邊地區(qū)生態(tài)環(huán)境較差．為重新發(fā)揮文瀛湖對該市生態(tài)環(huán)境及生活用水的作用，需要對文瀛湖庫區(qū)進行防滲改造、引水渠改建及環(huán)境美化等綜合治理．在水庫圍堤上高滲漏區(qū)建造深層攪拌防滲墻能有效地減少滲流損失．

根據(jù)地質(zhì)勘查資料，圍堤土層上部為壩體現(xiàn)代人工素填土，其下為第四系全新統(tǒng)(Q4)和上更新統(tǒng)(Q3)沖、洪積堆積的粉土、粉質(zhì)黏土、砂類土等． 地質(zhì)分層及物理參數(shù)見表1． 由表1 可以看出主要滲漏區(qū)為:③層粗砂，厚度0．5 ～6．7 m;⑤層礫砂，厚度1．5 ～5．2 m． 這兩層屬強透水層． ②層粉土層較薄甚至局部缺失，大部分處于庫底以上高程，在圍堤下起不到防滲效果，造成庫水往下滲漏．④層粉質(zhì)黏土厚0．5 ～2．3 m，屬微透水性，但該層依然較薄甚至局部缺失，防滲效果也不是很好．⑥層粉質(zhì)黏土厚度較大，防滲效果良好．所以防滲墻要穿過⑤層并進入⑥層一定深度，這樣可以截斷圍堤的強透水層，達到防滲和減少滲流損失、保護水資源的效果．根據(jù)設(shè)計要求，防滲墻需進入⑥層1．0 m．

表1 地質(zhì)分層及物理參數(shù)

1．2 成墻過程

該工程采用BJS 多頭小直徑深層攪拌防滲樁機進行施工．作業(yè)工序如下:

1)樁機就位并調(diào)試，安裝水泥漿液制備系統(tǒng)．

2)樁機調(diào)平，制漿系統(tǒng)同時拌制水泥漿．

3)啟動樁機，使多鉆頭同時轉(zhuǎn)動并向下鉆進，同時開啟輸漿系統(tǒng)，邊攪拌鉆進邊噴漿直至達到設(shè)計深度．

4)反轉(zhuǎn)提升并攪拌噴漿到地面，完成第Ⅰ序墻的施工，樁機向前移動160 mm 施工第Ⅱ序，完成一個單元的施工，如圖1 所示．

圖1 施工兩序成墻平面示意圖(單位:mm)

5)主機整機沿預(yù)定方向前移800 mm，進行第二個單元墻的施工．兩單元起始樁搭接160 mm．重復(fù)步驟2—4，如此連續(xù)作業(yè)，最終形成具有一定強度、穩(wěn)定性和抗?jié)B性的水泥土防滲墻，如圖2 所示．

圖2 地質(zhì)分層及成墻立面圖

1．3 施工工藝參數(shù)

1)防滲墻施工采用樁徑350 mm．單元內(nèi)及單元間樁搭接160 mm，最小墻厚310 mm，單元長度為960 mm．樁長根據(jù)施工位置的地質(zhì)情況確定． 防滲墻入隔水層1．0 m．

2)根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件及抗?jié)B要求，水泥采用P·O42．5級水泥． 水泥摻入比為12%． 水灰比根據(jù)圍井試驗綜合比較，采用1．8∶1．0，施工時應(yīng)根據(jù)不同地層的返漿情況，進行調(diào)整．

3)根據(jù)樁機性能及土層情況，鉆進速度保持在0．3 ～1．3 m/min，提升速度0．8 ～1．2 m/min，噴漿速度80 ～100 L/min．

4)樁的垂直度偏差不大于0．2%．

5)樁位偏差在±10 mm 以內(nèi)．

6)輸漿泵工作壓力為0．3 ～0．5 MPa．

2 防滲墻墻體的檢測與分析

主要采用探坑開挖和鉆孔取芯2 種檢測手段對該工程防滲墻墻體的外觀及內(nèi)在進行綜合質(zhì)量檢測與評定［5－6］．

2．1 開挖檢驗

施工完的防滲墻達到14 d 齡期后，每隔200 m設(shè)置一個開挖探坑．沿防滲墻軸線方向，要求開挖探坑長度不小于3．5 m，深度不小于4．0 m．開挖后測量墻體中樁的垂直度偏差、樁位偏差、樁頂標高，觀察樁與樁之間的搭接狀態(tài)、攪拌的均勻度、滲透水情況、裂縫、缺損等．

開挖后，經(jīng)檢驗發(fā)現(xiàn)素填土、粉土、砂土層墻體搭接狀態(tài)良好，水泥與土基本攪拌均勻，粗砂層孔隙率較大，黏土層局部樁徑小于設(shè)計樁徑，水泥含量不足，取塊觀察發(fā)現(xiàn)水泥土內(nèi)夾雜未能充分攪拌的黏土生塊．

2．2 取芯檢驗

在防滲墻體施工完接近28 d 時，用地質(zhì)取芯鉆機取水泥土芯樣．要求沿防滲墻中心軸線每隔50 m進行鉆孔取芯，并在不同深度的代表層上切割水泥土芯樣，每層至少取1 塊芯樣．各芯樣放室內(nèi)養(yǎng)護至28 d，做無側(cè)限抗壓強度和滲透試驗，取得抗壓強度、滲透系數(shù)、滲透破壞比降和彈性模量等指標［7－8］．對檢測結(jié)果取均值整理后見表2．

表2 水泥土防滲墻芯樣檢驗結(jié)果

為了獲取與鉆孔取芯的對比數(shù)據(jù)，用地質(zhì)取芯鉆機在各代表土層鉆取土樣，在實驗室內(nèi)摻入12%的P·O 42．5 級水泥制成標準試塊，養(yǎng)護一定齡期后進行無側(cè)限抗壓強度試驗［9］，對試驗數(shù)據(jù)取平均值整理后列于表3． 為了更直觀地分析各土層水泥土塊抗壓強度變化趨勢，將表3 數(shù)據(jù)繪制成圖3．

表3 各土層不同期齡下水泥土試塊抗壓強度MPa

圖3 各土層水泥土試塊抗壓強度發(fā)展曲線

2．3 檢測結(jié)果分析

對比表1 與表2 的滲透系數(shù)發(fā)現(xiàn)，水泥土防滲墻能大幅度降低原狀土的滲透性，提高抗?jié)B能力，特別是對于砂類土效果十分明顯． 對比表2 與表3 中的28 d 水泥抗壓強度，發(fā)現(xiàn)取芯與試塊強度有明顯差別，特別是對粉質(zhì)黏土層和砂礫層，粉質(zhì)黏土層芯樣28 d抗壓強度明顯小于室內(nèi)制作的試塊．

鉆孔取芯率可直接反映出墻體的均一性和完整性．粉質(zhì)黏土層取芯率也明顯低于其他土層，砂礫層芯樣強度明顯高于實驗室試塊強度． 結(jié)合施工現(xiàn)場觀察，發(fā)現(xiàn)素填土和粉土層取出的芯樣有局部粉碎;粗砂層和礫砂層取芯率很高，基本能完整取出1 m以上長度的芯樣;粉質(zhì)黏土層取出的芯樣完整的較少，甚至有整段原狀黏土，表明在黏土層存在斷樁的現(xiàn)象，有些芯樣內(nèi)夾雜有黏土塊或者純水泥塊，表明該層攪拌不均，水泥與土沒能充分拌合與反應(yīng)．

查找原因時發(fā)現(xiàn)，在攪拌樁施工時各土層下鉆機提升速度差別很大，鉆進及提升困難時可達0．2 m/min，容易時能達到1．5 m/min;輸漿泵輸漿流量基本是均勻的，在控制提升速度時一般情況下要求與孔口返漿相匹配．濕性粉質(zhì)黏土層，本身不宜攪拌均勻并且容易鉆進和提升，對水泥漿的吸收能力也較低，所以必然造成黏土層水泥含量減少．而砂礫層鉆進和提升困難，吸收水泥漿的能力較強，所以水泥含量較大，強度高．表2 中粗砂層芯樣的滲透系數(shù)明顯大于其他土層的芯樣，該層鉆進、提升速度較快，水泥含量低于標準值，造成孔隙率較大，滲透系數(shù)大．

由圖3 可知:相同條件下砂類土與水泥反應(yīng)后，抗壓強度提升較快，最終強度也遠遠高于其他類土;粉質(zhì)黏土與水泥反應(yīng)后強度發(fā)展周期較長［10］，最終強度能與粉土相當．

深層攪拌防滲墻屬于地下隱蔽工程，由于地層的復(fù)雜性，質(zhì)量控制難度較大．施工方往往為了提高施工進度，對施工參數(shù)控制不嚴格．因為地質(zhì)土層會直接吸收水泥漿并對施工機械產(chǎn)生影響，從而影響工程質(zhì)量，所以對不同土層施工時要根據(jù)土層條件調(diào)整施工參數(shù)．特別是在黏土層，雖然鉆進和提升都比較容易，但更應(yīng)該用低流量、高轉(zhuǎn)速、慢提速的方法進行施工．對于粉土及易鉆進、提升的砂層，只要按照施工參數(shù)進行施工，就能滿足工程質(zhì)量的要求．

3 結(jié) 語

對不同地質(zhì)土層條件下深層攪拌防滲墻的試驗數(shù)據(jù)及現(xiàn)場施工過程進行分析，表明由于地質(zhì)土層的土質(zhì)、孔隙率、含水量、密度等的不均勻性，深層攪拌防滲墻的強度、抗?jié)B性能等也呈現(xiàn)出不均勻性，從而加大了施工質(zhì)量控制的難度． 對于不含礫石的砂層，鉆頭鉆進和提升速度快，水泥含量相對減少，

造成滲透系數(shù)大．黏性土層吸收水泥漿的能力較差，不易攪拌均勻，施工后很容易造成斷樁、夾雜土塊及樁徑回縮等質(zhì)量問題．通過研究，建議可以根據(jù)不同土層采用不同漿液流量、鉆頭轉(zhuǎn)速、提升速度進行施工，特別是對黏土層要采用低流量、高轉(zhuǎn)速、慢提速的方法來改善施工質(zhì)量．

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