提高深層水泥攪拌樁取芯質(zhì)量的技術(shù)方法

唐正浩，馬秋柱，賀迎喜

（1.中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510230；2.中交四航局第二工程有限公司，廣東 廣州 510230）

0 引言

深層水泥攪拌法Deep Cement Mixing Method（簡(jiǎn)稱(chēng)DCM 工法），是采用水泥漿液或者粉體與原土進(jìn)行攪拌，增強(qiáng)原土的強(qiáng)度，提高原土承載能力的一種地基處理方法。DCM 適用于處理正常固結(jié)的淤泥、淤泥質(zhì)土、素填土、黏性土（軟塑、可塑）、粉土（稍密、中密）、粉細(xì)砂（松散、中密）、中粗砂（松散、稍密）、飽和黃土等地層[1]。DCM處理的地基具備良好的防滲性和承載能力，在大型填海項(xiàng)目的軟基處理中，具備良好的適用性[2]。

深層水泥攪拌樁的強(qiáng)度與樁體的各類(lèi)材料參數(shù)配比有關(guān)[3]，樁體的長(zhǎng)期強(qiáng)度與變形破壞機(jī)理也是學(xué)者研究的重點(diǎn)[4]。同時(shí)，在深層水泥攪拌樁施工過(guò)程中，特別是在黏性土中施工，由于水泥的用量受限，攪拌不均勻、返漿量大等因素，會(huì)造成樁體強(qiáng)度低、樁底標(biāo)高不足等問(wèn)題[5]。因而需要采用合適的DCM 樁基檢測(cè)方法，來(lái)驗(yàn)證DCM 樁的成樁質(zhì)量和樁體強(qiáng)度。DCM 樁基的檢測(cè)方法有鉆探取芯、振動(dòng)取樣、靜力觸探、濕抓取樣、平板載荷試驗(yàn)等[6-7]。目前，鉆探取芯，把采取的芯樣制作成無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試樣，進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試，是DCM 樁質(zhì)量檢測(cè)的重要方法之一。

本文以香港國(guó)際機(jī)場(chǎng)第三跑道填海工程（簡(jiǎn)稱(chēng)香港三跑工程）為依托，分析了影響DCM 取芯質(zhì)量的關(guān)鍵因素。通過(guò)優(yōu)化取芯工藝，改進(jìn)取芯器等措施，達(dá)到提高取芯質(zhì)量，制作合格測(cè)試試樣的目的。研究成果可為同類(lèi)取芯檢測(cè)提供借鑒。

1 工程概況

香港三跑工程是在現(xiàn)有機(jī)場(chǎng)北部填海拓地約650 hm2。填海區(qū)域地層分布為污染淤泥土、海相淤泥、沖積土層。其中污染淤泥土厚度約10～30 m，海相淤泥厚度約10～35 m，沖積層位于海相淤泥下部，包括砂、硬塑黏土、礫石等[8]。DCM 樁需要對(duì)污染淤泥土、海相淤泥進(jìn)行攪拌加固，提高其承載力和強(qiáng)度。

DCM 地基處理工程包括海上DCM 樁和陸地DCM 樁，其中陸地樁施工面積約209 萬(wàn)m2，約7萬(wàn)根水泥攪拌樁。

香港機(jī)場(chǎng)管理局制定了嚴(yán)格的DCM 取芯檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)：1） 鉆孔取芯從地面到樁頂部分采用沖孔方式，從DCM 樁頂?shù)綐兜撞捎萌珨嗝嫒⌒?，取芯深度延伸至樁底? m 位置；2） 單個(gè)取芯回次采取率不能低于80%；3） 樁整體的采取率不能低于95%；4） 每根樁需要采取10 個(gè)樣品進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果需要滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

2 香港鉆探取芯規(guī)范

香港地質(zhì)勘探行業(yè)主要使用英國(guó)地質(zhì)勘察規(guī)范BS 5930《Code of practice for site investigations》[9]，在此基礎(chǔ)上，香港土木工程拓展署制定了適合本地的現(xiàn)場(chǎng)勘察規(guī)范《Guide to Site Investigation》[10]，相對(duì)于國(guó)內(nèi)常用的取芯規(guī)范JGJ/T 87—2012《建筑工程地質(zhì)勘探與取樣技術(shù)規(guī)程》[11]，香港的取芯規(guī)范要求更詳細(xì)，推薦的取芯器規(guī)格種類(lèi)多?！督ㄖこ痰刭|(zhì)勘探與取樣技術(shù)規(guī)程》推薦取芯檢測(cè)采用二、三重管回轉(zhuǎn)取土器鉆進(jìn)?！禛uide to Site Investigation》推薦了詳細(xì)規(guī)格的取土器，見(jiàn)表1。

表1 香港常用的取芯器/套管/鉆桿型號(hào)Table 1 Sizes of commonly-used corebarrels,casings and drill rods in HK

3 鉆探取芯難點(diǎn)分析

由于香港三跑工程工期緊，DCM 攪拌樁數(shù)量多。機(jī)場(chǎng)管理局要求DCM 樁成樁23 d 后，就要開(kāi)展取芯檢測(cè)工作。此時(shí)樁體的強(qiáng)度較低，增加了取芯檢測(cè)的難度。

香港三跑工程有7 萬(wàn)多根陸地DCM 樁，30多臺(tái)DCM 攪拌機(jī)，根據(jù)施工工藝、水泥摻量的不同，現(xiàn)場(chǎng)將進(jìn)行多次試樁試驗(yàn)。試樁的強(qiáng)度存在較大差異，部分樁體強(qiáng)度過(guò)高，部分樁體存在攪拌不均勻的問(wèn)題，這些都給取芯檢測(cè)帶來(lái)困難。

4 影響取芯質(zhì)量的因素

4.1 樁體質(zhì)量

質(zhì)量不合格的DCM 樁存在攪拌不均勻、膠結(jié)差、裂隙多、樁端未能達(dá)到指定深度等問(wèn)題，這些會(huì)影響鉆探取芯的質(zhì)量。

目前，相比于對(duì)壓力超負(fù)荷大量的研究，人們對(duì)容量超負(fù)荷的研究深度和廣度卻明顯受限。壓力超負(fù)荷誘導(dǎo)心力衰竭通常采用主動(dòng)脈縮窄誘導(dǎo)壓力超負(fù)荷致心力衰竭模型。然而容量超負(fù)荷誘導(dǎo)心力衰竭的模型卻并不廣為人所知。對(duì)于人類(lèi)而言，容量超負(fù)荷引發(fā)左心心功能不全的病理、生理機(jī)制存在倫理問(wèn)題，以及從最初容量超負(fù)荷到最后引發(fā)左心功能不全需時(shí)過(guò)長(zhǎng)，所以利用動(dòng)物實(shí)驗(yàn)構(gòu)建了容量超負(fù)荷模型模擬人類(lèi)疾病，進(jìn)而了解其潛在的誘導(dǎo)心力衰竭的病理、生理機(jī)制。容量超負(fù)荷動(dòng)物模型可以分為2類(lèi)：低壓力型和高壓力型。

4.2 鉆具的影響

常見(jiàn)的鉆具包括：?jiǎn)喂茔@具、雙管單動(dòng)鉆具、三管鉆具、孔底反循環(huán)鉆具和繩索取芯鉆具等。單管鉆具，主要用于完整巖層和對(duì)取芯質(zhì)量要求低的地層。雙管單動(dòng)鉆具，取芯器有兩個(gè)管子，在鉆探過(guò)程中，外管轉(zhuǎn)動(dòng)取芯，內(nèi)管把芯樣包裹起來(lái)，這樣可以防止沖洗液直接沖刷芯樣，避免鉆具轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)芯樣的破壞。三管鉆具，是在雙管的基礎(chǔ)上，增加了一個(gè)內(nèi)管，一般是PVC 管或者開(kāi)邊的鐵管，采取的芯樣包裹在PVC 管或者鐵管里，這樣對(duì)樣品的保護(hù)就多了一層?？椎追囱h(huán)鉆具，適用于大直徑的鉆孔，沖洗介質(zhì)從鉆桿內(nèi)返回，流速較高，攜帶泥渣的能力強(qiáng)。繩索取芯鉆具適用于深孔鉆探，用繩索取芯鉆具可以不用提出鉆桿，而直接用鋼絲繩將裝有芯樣的內(nèi)管取出，大大提高了取芯效率。

實(shí)際工程中，需要根據(jù)業(yè)主的要求、取芯的目的、地層的特點(diǎn)，并考慮效率成本等因素，綜合選擇合適的取芯器。

4.3 沖洗介質(zhì)的影響

沖洗介質(zhì)主要有：清水、泥漿、空氣泡沫等。沖洗介質(zhì)具有降低鉆頭溫度、攜帶巖屑、保護(hù)孔壁和潤(rùn)滑鉆具的作用。

沖洗介質(zhì)是鉆探必不可少的材料，但沖洗介質(zhì)對(duì)芯樣的沖刷作用是影響取芯質(zhì)量的重要因素。單管鉆具中，通過(guò)增加分水帽起到隔水作用，避免沖洗介質(zhì)對(duì)芯樣進(jìn)行沖刷。雙管和三管鉆具中，讓沖洗介質(zhì)由兩層管之間流向孔底，芯樣則留在最里面的一層管中，避免了被沖洗介質(zhì)影響，因而降低沖洗介質(zhì)的沖刷作用，是提高取芯質(zhì)量的重要一步。

4.4 鉆孔垂直度的影響

鉆探取芯過(guò)程中，若鉆孔發(fā)生了傾斜，會(huì)導(dǎo)致鉆具偏出樁身之外，影響取芯質(zhì)量。導(dǎo)致鉆孔傾斜的因素有：1） 鉆機(jī)在鉆探過(guò)程中，立軸發(fā)生傾斜；2） 鉆頭鉆進(jìn)過(guò)程中，遇到軟硬夾層，并且?jiàn)A層表面傾斜，鉆頭會(huì)帶著鉆具往軟的地層傾斜；3） 鉆桿在軸壓作用下彎曲。因此鉆探過(guò)程中，需要采取相應(yīng)的措施避免鉆孔傾斜。

4.5 鉆機(jī)鉆進(jìn)參數(shù)的影響

鉆探取芯中的施工參數(shù)主要有：鉆進(jìn)的軸壓、轉(zhuǎn)速、水泵的泵量。當(dāng)巖層均勻，較高的轉(zhuǎn)速可以保證進(jìn)尺快、巖芯在鉆頭停留的時(shí)間短，被沖刷的時(shí)間短。相反在軟弱破碎巖層，則需要選擇低鉆壓和低轉(zhuǎn)速，防止巖樣被破壞。泵量的大小決定了沖刷的強(qiáng)弱，因此在保證冷卻鉆頭和排除巖屑的基礎(chǔ)上，盡量選擇低泵量，以減少?zèng)_刷，提高取芯質(zhì)量。

5 提升取芯質(zhì)量的方法

5.1 Mazier 取芯器

取芯器是取芯質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。針對(duì)DCM 樁取芯，業(yè)主要求采取率達(dá)到95%以上。成樁后23 d 進(jìn)行取芯，取芯時(shí)，樁體強(qiáng)度整體偏低。三套管的Mazier 取芯器是可縮入式旋轉(zhuǎn)的三套管（外管、內(nèi)管、PVC 管）取芯器，是用于風(fēng)化巖層和堆積土層高質(zhì)量取芯的工具（見(jiàn)圖1），三套管的Mazier 取芯器適用于該類(lèi)DCM 樁的取芯。

圖1 Mazier 取芯器示意圖Fig.1 Schematic diagram of Mazier core barrel

Mazier 取芯器有以下特點(diǎn)：

1） 下部切割嘴可伸縮。取芯器內(nèi)管上部懸掛了彈簧裝置，下部有一個(gè)長(zhǎng)度為100～150 mm 的切割嘴。外管轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，內(nèi)管不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)遇到較硬土層時(shí)，軸壓會(huì)讓內(nèi)管彈簧縮短，讓內(nèi)管和切割嘴縮入，同時(shí)切割嘴會(huì)因?yàn)閺椈刹煌潭鹊纳炜s變形產(chǎn)生不同的切割壓力。這樣在較軟的土層，彈簧壓縮變形小，切割嘴用于切割的壓力小，對(duì)芯樣的擾動(dòng)?。欢谳^硬的地層，切割嘴會(huì)因?yàn)閺椈傻膲嚎s變形大，產(chǎn)生較大的切割力，提高切割的效率。示意圖見(jiàn)圖2。

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

2） 內(nèi)管有PVC 管保護(hù)芯樣。Mazier 取芯器的內(nèi)管內(nèi)部有一條PVC 管，取芯過(guò)程中，芯樣一直在PVC 管中，減少了擾動(dòng)。

3） 凸出的切割嘴隔開(kāi)了沖洗介質(zhì)。Mazier 取芯器外管底部是合金鉆頭，內(nèi)管底部是切割嘴，切割嘴切入芯樣中，隔絕了合金鉆頭底部流出的沖洗介質(zhì)，避免了芯樣被沖刷。

在用Mazier 取芯器進(jìn)行DCM 樁取芯時(shí)，由于DCM 樁體較軟，只能用低泵壓的沖洗液清除孔內(nèi)的巖屑。過(guò)低的泵壓導(dǎo)致沖洗液流速過(guò)慢，部分巖屑無(wú)法被帶出鉆孔，轉(zhuǎn)而沉在孔內(nèi)，導(dǎo)致鉆孔堵塞。采用在Mazier 取芯器頂部加一個(gè)中空套管的辦法解決這個(gè)問(wèn)題，此時(shí)巖屑在低流速的沖洗液帶動(dòng)下，只需抬升少量高度，就可以被取芯器頂部的套管收集。套管收集的巖屑，可以隨取芯器一起提出地面，見(jiàn)圖3。采用了Mazier 頂部加套管的辦法，較好地收集了巖屑，提高了取芯質(zhì)量。

圖3 Mazier 取芯器的巖屑收集管Fig.3 Sediment tube of Mazier core barrel

5.2 T6 取芯器

當(dāng)DCM 樁水泥摻量較高，或者成樁時(shí)間較長(zhǎng)，DCM 樁體的硬度會(huì)較高。此時(shí)采用Mazier 取芯器，切割嘴可能無(wú)法切入強(qiáng)度高的樁體，導(dǎo)致取芯失敗。T6 取芯器是一種采用金剛石鉆頭的雙管取芯器，常用于堅(jiān)硬巖層取芯。取芯時(shí)，內(nèi)管不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，外管帶著金剛石鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)。

常規(guī)的雙管T6 取芯器用于DCM 樁取芯，存在芯樣容易被沖洗液擾動(dòng)，無(wú)法取得高質(zhì)量樣品的問(wèn)題。因此，從以下3 方面對(duì)T6 取芯器進(jìn)行了改進(jìn)，見(jiàn)圖4。

圖4 T6 取芯器示意圖Fig.4 Schematic diagram of T6 core barrel

1） 在T6 取芯器內(nèi)管里加上了一對(duì)開(kāi)邊的鐵片，在取芯過(guò)程中，樣品包裹在鐵片里，減少了沖洗液對(duì)芯樣的擾動(dòng)。同時(shí)在地面取出芯樣時(shí)，芯樣可以隨鐵片整條一起抽出，減少了擾動(dòng)。

2） 在T6 取芯器頂端側(cè)面開(kāi)了一個(gè)閥門(mén)，在內(nèi)管放置了一個(gè)活塞，當(dāng)要取出內(nèi)管的芯樣時(shí)，只需要將取芯器橫放，將閥門(mén)接上水管，用適當(dāng)?shù)乃畨和苿?dòng)活塞，活塞會(huì)將內(nèi)管的芯樣水平推出，然后把芯樣包裝后放在巖芯箱里。這樣避免了傾倒或者吊起取芯器推出芯樣的過(guò)程，減少了取樣過(guò)程中的擾動(dòng)，提高了取芯質(zhì)量。

3） 取芯器的底部加了一個(gè)擴(kuò)孔器，擴(kuò)孔器比鉆頭直徑略大，它與鉆孔壁的接觸面積較大，對(duì)取芯器有一定的穩(wěn)定作用。同時(shí)，當(dāng)鉆頭在鉆進(jìn)過(guò)程中磨損變小，導(dǎo)致鉆孔口徑變小時(shí)，擴(kuò)孔器有維持鉆孔正常口徑的作用。

5.3 鉆頭的選擇

Mazier 取芯器的鉆頭為鎢碳合金鉆頭，這種鉆頭是由粒狀或者條狀的鎢碳合金，用燒焊方法鑲嵌而成，這種合金的耐磨性較高。

T6 取芯器的鉆頭為金剛石鉆頭，它沒(méi)有切割嘴隔開(kāi)沖洗液和芯樣。因此要避免鉆頭部位的沖洗液對(duì)芯樣的擾動(dòng)。常規(guī)的金剛石鉆頭出水口有側(cè)開(kāi)式和底開(kāi)式兩類(lèi)。

其中側(cè)開(kāi)式出水口鉆頭，坑狀的出水口開(kāi)在鉆頭的頂部，并貫穿鉆頭的頂部，這種設(shè)計(jì)容許沖洗液流過(guò)芯樣表面，不適合松散的風(fēng)化層取芯。

底開(kāi)式出水口鉆頭，出水口是孔狀的，這種設(shè)計(jì)下，沖洗液從鉆頭底部水口排出，和芯樣沒(méi)有直接接觸，降低了沖洗液對(duì)芯樣的擾動(dòng)。所以本工程中，T6 取芯器鉆頭采用底開(kāi)式出水口鉆頭，見(jiàn)圖5。

圖5 T6 金剛石鉆頭Fig.5 Diamond bits for T6 core barrel

5.4 保證垂直度

保證垂直度通常有以下方法：1） 鉆孔前，把鉆機(jī)放在水平平穩(wěn)的平臺(tái)上，并用水平尺驗(yàn)證鉆機(jī)是否水平；2） 完成一回次鉆進(jìn)后，用水平尺測(cè)量鉆桿是否垂直；3） 遇到軟硬相間地層，采用低速低泵壓鉆進(jìn)，保證鉆孔垂直；4） 采用粗直徑的鉆桿進(jìn)行鉆探，可以較好地保證鉆孔垂直。本工程中，DCM 取芯鉆孔直徑約130 mm，采用了外徑為115 mm 的套管作為取芯鉆桿，使鉆桿與鉆孔間隙減少，保證了鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆孔的垂直度。

5.5 提高操作技術(shù)

鉆機(jī)的儀表盤(pán)上可以顯示鉆進(jìn)的軸壓、轉(zhuǎn)速、泵壓。在進(jìn)行DCM 取芯鉆探前，對(duì)鉆機(jī)機(jī)長(zhǎng)進(jìn)行取芯操作的培訓(xùn)，包括不同類(lèi)型的地層應(yīng)采取的軸壓、轉(zhuǎn)速、泵壓等。經(jīng)過(guò)培訓(xùn)，可以更好地完成取芯工作，提高取芯質(zhì)量。

6 結(jié)語(yǔ)

依托香港三跑工程對(duì)影響DCM 樁取芯質(zhì)量的因素進(jìn)行了分析，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)取芯實(shí)踐，得出以下結(jié)論：

1） 對(duì)低強(qiáng)度的水泥攪拌樁，應(yīng)選用改進(jìn)的Mazier 三管取芯器；對(duì)較高強(qiáng)度的水泥攪拌樁，應(yīng)選用改進(jìn)的T6 取芯器。

2） 在Mazier 三管取芯器的頂部增加中空的套管作為巖屑收集器可以有效減少沉渣，提高取芯質(zhì)量。

3） T6 取芯器，增加內(nèi)開(kāi)邊鐵片，變成三管取芯器，可以降低沖洗液對(duì)芯樣的沖刷。采用底開(kāi)式出水口金剛石鉆頭，可以減少鉆頭底部沖洗液對(duì)芯樣的影響。

4） 采用粗直徑的鉆桿進(jìn)行取芯工作，可以保持較好的鉆孔垂直度。

通過(guò)采取一系列提高取芯質(zhì)量的措施，現(xiàn)場(chǎng)芯樣采取率普遍達(dá)到100%。