雙軸大截面深層水泥攪拌法在某大型填海工程中的應用

■ 北京振沖工程股份有限公司 焦洋洋 劉少華

1.前言

深層水泥土攪拌樁是利用水泥漿液和土體經(jīng)過拌合形成的復合樁體，土體與水泥等固化劑發(fā)生物理化學反應，形成具有一定整體性和一定強度的水泥土加固體。深層水泥攪拌法具有適用土質(zhì)類型廣泛、加固深度大、最大限度地利用原質(zhì)土、布樁方式靈活以及噪音污染程度較低等顯著特點。本文詳細闡述了香港某大型填海工程中雙軸大截面深層水泥攪拌法的應用情況，與國內(nèi)應用較為廣泛的三軸以及五軸攪拌樁相比，雙軸大截面深層水泥攪拌法施工工效可提高約1.75倍。

2.工程概況及地質(zhì)條件

該大型填海工程為加速已形成的人工島淤泥土固結(jié)，計劃在人工島周圍進行被動土的加固。根據(jù)地質(zhì)條件分析，采用深層水泥攪拌法處理淤泥質(zhì)土，對加快土體固結(jié)，形成具有整體性和穩(wěn)定性的增強體，提高土體抗剪強度將會具有明顯效果。該工程主要工程量如表1所示：

表1 主要工程量統(tǒng)計表

該工程典型的地質(zhì)條件描述如下：

（1） 回填砂層。該層描述為：上部9m至15m為吹填砂層；

（2） 海相沉積層。該層描述為：非常軟至軟，淺灰色、灰色，局部略含砂，黏土質(zhì)淤泥，偶見貝殼。該層厚度約10m至22m；

（3） 黏土沖積層。該層描述為：堅固至堅硬，淺灰～深灰色，淤泥質(zhì)黏土，黏土質(zhì)淤泥，該層頂標高一般在-20mPD左右。中間夾中砂至粗砂，一般深度在-29mPD，厚度0.5m至2m。

3.施工設備的選定

根據(jù)49%的面積置換率要求，若采用國內(nèi)普遍應用的三軸深層水泥攪拌法進行施工，單幅樁體截面積僅為1.495m3。結(jié)合三軸樁機的日均施工工效分析，如果需要滿足項目8個月的總工期要求，需要配置10臺套樁機投入項目生產(chǎn)。但是施工現(xiàn)場條件根本無法滿足10臺套樁機同時施工的要求，因此，如何提高單幅樁的處理面積成為了研究的重點。

結(jié)合國外工程實例，決定將普通三軸樁機鉆具進行針對性設計，創(chuàng)新采用雙軸大截面深層水泥攪拌法，滿足該項目的施工要求。雙軸大截面深層水泥攪拌法單幅樁截面積可達2.62m3，單機處理理論工效可達普通三軸深層水泥攪拌法的1.75倍，僅需6臺套設備即可滿足項目的施工需求。雙軸大截面深層水泥攪拌樁配套樁機可使用國內(nèi)常規(guī)的JB180或以上型號，本樁架最大施工樁長可達60m，完全可以滿足施工樁長的需求。與樁架匹配的是ZLD220（220KW）或以上型號的動力頭。該型動力頭原始軸間距600mm。在撤除中間軸后軸間距達到1200mm。本次主要的針對性改裝是重新設計鉆頭直徑及其攪拌翼的結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)國內(nèi)外相關資料及該項目地層條件分析，選用直徑φ1300mm的鉆頭。根據(jù)鉆頭直徑及軸間距分析，在鉆頭的攪拌翼的結(jié)構(gòu)形式設計方面，重點在于使同一截面上的兩幅鉆頭攪拌翼始終處于垂直狀態(tài)，這樣才能確保在正常施工過程中，不會因為單軸直徑大于軸距而引發(fā)葉片之間相互碰撞而造成無法正產(chǎn)施工。三軸深層水泥攪拌樁以及大兩軸深層水泥攪拌樁最終形成的樁體截面形式如圖1、圖2所示。

圖1 三軸深層水泥攪拌樁

圖2 大兩軸深層水泥攪拌樁

4.施工應用

綜合地質(zhì)條件進行分析，該項目的施工難點在于需穿透多達15m厚的回填砂層以及樁端需進入黏土沖積層3m以上。根據(jù)標貫擊數(shù)以及CPT勘察資料分析，該黏土沖積層普遍的擊數(shù)在10~20擊左右，對應的Qc值在2.0MPa以上。根據(jù)前期在施工現(xiàn)場取原質(zhì)土進行的水泥摻入比實驗數(shù)據(jù)，選用P.0 42.5普通硅酸鹽水泥，在不摻入外加劑的前提下采用300kg/m3的水泥摻入量，攪漿用水使用海水，水膠比1:1。攪拌完成后的土體在同條件養(yǎng)護7天后的無側(cè)限抗壓強度值可達1.0MPa以上，完全可以滿足土體固結(jié)強度及固結(jié)時間等要求。

該項目采用“兩噴兩攪”雙軸大截面深層水泥攪拌法進行施工，鉆頭穿透速率不得大于0.5m/min，提升速率不得大于1.0m/min。在穿透時使用下噴漿口進行噴漿作業(yè)，提升時使用上部噴漿口作業(yè)，以保證攪拌效果。以30m樁長為例，單樁的成樁時間約為1.5h，24h的理論產(chǎn)量可達1200m3以上，因此，投入6臺套樁機，完全可以滿足項目的施工進度要求。

該項目的主要目的是提高將近20m厚、處于流塑狀態(tài)的淤泥質(zhì)土的強度，參照勘察資料，在施工前該土層的UCS值只有0.10MPa左右。通過國內(nèi)外的相關資料分析，在其他條件不變的前提下，如土體的含水量降低10%，則水泥土樁體的強度可以提高30%以上。針對此情況，項目團隊選擇通過調(diào)低水膠比的形式間接減少土體的含水量。在進行淤泥層施工時將水膠比調(diào)整為0.7。為加強在淤泥層中的處理效果，還可以在該層施工時增加一次復攪，以保證水泥漿液與土體攪拌的均勻程度。

樁端持力層處理的重點是如何確定黏土層的位置。常規(guī)做法是采用常規(guī)的鉆孔取芯或者CPT等方式進行檢驗，但成本較高且無法滿足工期需求。通過現(xiàn)場驗證以及與咨詢工程師進行溝通，可采用通過監(jiān)測電流變化的方式間接確認黏土層的層高。在淤泥質(zhì)土層中進行穿透作業(yè)時，動力頭電流一般保持在100A以內(nèi)，當進入黏土層時，動力頭電流調(diào)至120A以上（圖3）。經(jīng)過現(xiàn)場測試以及對比前的期勘察點資料，使用此種方式進行驗證的準確率在99%以上。

在項目施工完畢后，項目團隊按照英標對樁體進行了成樁質(zhì)量檢驗，檢驗方式為鉆芯取樣，檢驗樁體的無側(cè)限抗壓強度UCS≥1.0MPa，檢測結(jié)果顯示，成樁質(zhì)量完全滿足要求。部分檢測結(jié)果如表2所示。

表2 J-29垂直鉆孔取芯UCS測試結(jié)果

圖3 持力層電流判斷流程

5.結(jié)語

本次設備的成功改裝及創(chuàng)新應用，為深層水泥攪拌工法設備提供了新的思路。雙軸大截面深層水泥攪拌法除具有普通深層水泥攪拌法的優(yōu)點之外，還具有施工工效更高、設備通用性強、成樁質(zhì)量有保證等特點。施工單位只需在現(xiàn)有設備基礎上進行改造即可實現(xiàn)，簡單易行。采用本方法可在保證施工質(zhì)量的前提下節(jié)省施工成本、縮短工期，為項目的順利實施打下堅實的基礎。