水泥攪拌樁現(xiàn)場滲透系數(shù)試驗方法探討

丁 華，金 瑜

1.浙江正浩工程研究有限公司，浙江紹興312000

2.浙江土力工程勘測設(shè)計院有限公司，浙江紹興312000

0 引 言

在工程地質(zhì)領(lǐng)域中，定義土體能讓水等流體通過的性質(zhì)為土的滲透性。對于淤泥、淤泥質(zhì)土、粉土、飽和黃土、素填土、黏性土，以及無流動地下水的飽和松散砂土等地基，利用水泥作為固化劑，通過機(jī)械在地基深處將軟土和固化劑水泥進(jìn)行強(qiáng)制攪拌，由于水泥和軟土之間產(chǎn)生的一系列物理化學(xué)反應(yīng)，使軟土硬結(jié)成具有整體性、水穩(wěn)定性和一定強(qiáng)度的半柔半剛性水泥土地基，稱之為水泥攪拌樁法［1］。原狀土體經(jīng)過水泥攪拌樁加固后所形成的水泥土具有較好的止水防滲能力，在基坑支護(hù)、水庫大壩、垃圾填埋場等工程中得到廣泛應(yīng)用。

土體中的自由水在水頭差作用下通過土體孔隙通道流動的特性，稱之為土的滲流，而綜合反映土體滲透能力的定量指標(biāo)稱之為滲透系數(shù)（K）。滲透系數(shù)是滲流計算時必須用到的一個基本參數(shù)，也是評價水泥土作為防滲止水帷幕可靠性的一個重要指標(biāo)。但影響滲透系數(shù)大小的因素很多，包括土體顆粒的形狀、大小、不均勻系數(shù)和水的黏滯性等，滲透系數(shù)的精確理論計算公式目前還無法可靠建立，通常是采用試驗方法并結(jié)合經(jīng)驗公式來進(jìn)行估算。

水泥攪拌樁加固后的水泥土滲透系數(shù)測試通常采用鉆芯法獲取完整的水泥土芯樣，并根據(jù)相關(guān)要求進(jìn)行透水系數(shù)測試［2］。但從水泥土加固機(jī)理來看，在攪拌機(jī)械削切原狀土與水泥土混合攪拌過程中，不可避免地會出現(xiàn)無法被完全削碎的土團(tuán)，則出現(xiàn)水泥漿液包裹土團(tuán)現(xiàn)象。在土團(tuán)之間因為水泥漿充填后發(fā)生的物理化學(xué)反應(yīng)較充分，地基改良性能較好，而土團(tuán)內(nèi)部的物理化學(xué)反應(yīng)不充分，影響其地基改良性能，使得水泥攪拌樁加固后的水泥土性能存在一定的不均勻性和差異性［3］（圖1）。因而，采用完整的水泥土芯樣抗?jié)B試驗結(jié)果來代表整體水泥土的抗?jié)B性能，相對來說不安全。實際工程中，宜利用水泥攪拌樁的取芯檢測孔進(jìn)行現(xiàn)場注水試驗來確定水泥攪拌樁加固后的水泥土滲透系數(shù)，以便可靠評價整體水泥土地基的抗?jié)B性能。

圖1 水泥攪拌樁鉆芯法檢測芯樣照片

1 水泥攪拌樁現(xiàn)場注水試驗滲透系數(shù)計算公式選取

水泥攪拌樁滲透系數(shù)現(xiàn)場試驗通常利用取芯鉆孔，對不同深度段進(jìn)行現(xiàn)場注水，根據(jù)觀測到的水流量變化，并通過相應(yīng)的計算公式得到檢測段內(nèi)的水泥土滲透系數(shù)。但目前，多數(shù)的檢測單位是將文獻(xiàn)［4］的鉆孔注水試驗的滲透系數(shù)計算公式直接應(yīng)用到水泥攪拌樁滲透系數(shù)計算中，因此存在一定偏差。

滲透系數(shù)計算公式是依據(jù)法國學(xué)者達(dá)西（H.Darcy）根據(jù)砂土的實驗結(jié)果得到的達(dá)西定律［5］推導(dǎo)而出的。即達(dá)西定律表明水在土中的滲透速度（v）與水頭梯度（i）成正比，其公式如下：

v = Ki （1）

式中：K為滲透系數(shù)。

如圖2 所示，在半徑為r的鉆孔中注入一定量水，使得孔內(nèi)水位與原土體靜止水位間形成水頭差H。上部采用鉆孔套管密封形成不透水層，則在孔內(nèi)水頭壓力的作用下，鉆孔內(nèi)水沿孔壁測試段（L段）向擬測試滲透系數(shù)的土層中滲流。并假定孔內(nèi)水頭壓力作用下形成的水滲流半徑最大為R，即圖2中P點處與孔內(nèi)水頭差為0。則有：

圖2 現(xiàn)場鉆孔注水試驗示意

即為文獻(xiàn)［4］中的鉆孔注水試驗的形狀系數(shù)，這個系數(shù)取值受制于R 取值的經(jīng)驗性，因而對于不同的試驗條件，給出了不同A值計算方法。通常水泥攪拌樁注水試驗長度與注水孔徑間滿足L/r ＞8，且試驗段上部采用套管封閉，形成隔水層，則給出了在經(jīng)歷時間t1到t2，水頭從H1降為H2，鉆孔變水頭注水試驗滲透系數(shù)計算公式為：

根據(jù)圖3所示的水泥攪拌樁現(xiàn)場鉆孔注水試驗，樁身取芯孔內(nèi)注水后，在孔內(nèi)外水頭差的作用下，孔內(nèi)水沿取芯孔壁向水泥土樁中滲流后，再流向孔外土體。如果直接套用文獻(xiàn)［4］的計算公式所計算得到的滲透系數(shù)值，是水泥土樁身和樁外土層滲透性能的一個綜合反映。但實際上，我們需要檢測的只是水在水泥土樁中滲流的滲透系數(shù)值，這個值才是對水泥土止水防滲能力評價的可靠指標(biāo)。

圖3 水泥攪拌樁鉆孔注水試驗示意

由圖3 可知，對于水泥土樁的AB 測試段，A點和B點的孔內(nèi)與樁身外側(cè)水頭差都是一樣的（H），那么可將被測試段假定為一個土樣，參照土試樣滲透試驗進(jìn)行滲透系數(shù)計算［6］。土試樣的變水頭滲透系數(shù)測試裝置見圖4，假定水頭測管截面積為a，土試樣的截面積為A，厚度為L，經(jīng)歷了時間t（t2-t1）后水頭從H1降為H2［6］，給出的其滲透系數(shù)計算值為：

圖4 土試樣滲透系數(shù)變水頭試驗裝置

這里需要說明的是，對于水泥攪拌樁的現(xiàn)場注水試驗，土試樣的等效截面可看成是兩個半圓柱體（圖4），假定取芯鉆孔半徑為r，水泥攪拌樁的加固水泥土的等效半徑為R，則：

2 現(xiàn)場測試要求及評判標(biāo)準(zhǔn)

2.1 試驗長度

水泥攪拌樁滲透系數(shù)宜利用取芯檢測鉆孔自上而下進(jìn)行分段測試。測試段的頂部至孔口采用套管進(jìn)行封閉，套管底部至測試孔底的距離即為試驗長度（L）。每段試驗長度通常為5 m，考慮到該滲透系數(shù)測試值應(yīng)能整體反映水泥攪拌樁的滲透性能，因此，要求每段的試驗長度不小于3 m。

鉆孔鉆進(jìn)至預(yù)測試段的底部，宜多進(jìn)尺100 mm以沉淀浮土。套管安裝之前，應(yīng)進(jìn)行孔深測試確定試驗長度，當(dāng)孔底沉淀物厚度大于100 mm以上時，應(yīng)加以清理，確保試驗長度的準(zhǔn)確性。

2.2 水頭高度

文獻(xiàn)［6］要求水頭高度不應(yīng)大于2.0 m，對于水泥攪拌樁適用地區(qū)通常為地面水位相對高度在-2 m 類的髙水位軟土地區(qū)，通常保持初始水位在孔口位置即可。另外，考慮水泥攪拌樁加固后所形成的水泥土具有較好的止水防滲能力，水泥土試樣滲透系數(shù)通?？蛇_(dá)到10-7cm/s［7］，對于部分水位過高的區(qū)域，可通過孔口上部連接套管，確保初始水頭高度不小于1.5 m。

其中，原土層的靜止水位宜通過現(xiàn)場測試確定。水位高度的測試應(yīng)采用鋼尺水位計進(jìn)行準(zhǔn)確測量，鋼尺水位計的最小讀數(shù)應(yīng)為1 mm。

2.3 測試時間

室內(nèi)試驗時，要求在一定水頭作用下靜置一段時間，待出水管口有水溢出時，再開始進(jìn)行試驗測定?，F(xiàn)場鉆孔注水試驗過程中，是無法直接觀測水溢出現(xiàn)象的，在注入水頭作用后，應(yīng)每隔5 min測讀一次孔內(nèi)水位，當(dāng)水位有明顯下降（一般以不少于5 cm為標(biāo)準(zhǔn)）時，記錄初始水頭和試驗開始時間。以后每10 min量測一次孔內(nèi)水位，量測時間不應(yīng)小于1 h，或試驗水頭下降到初始試驗水頭的0.3～0.5倍，終止試驗，并記錄下最終水頭和試驗結(jié)束時間。

2.4 評判標(biāo)準(zhǔn)

對于水庫大壩、垃圾填埋場等工程的水泥攪拌樁應(yīng)用，水泥攪拌樁的現(xiàn)場滲透系數(shù)試驗和評判指標(biāo)，設(shè)計單位一般都會予以明確。但對于基坑支護(hù)工程的應(yīng)用，文獻(xiàn)［8］并沒有要求將滲透系數(shù)作為水泥攪拌樁的質(zhì)量檢驗項目，設(shè)計單位往往也就沒有對水泥攪拌樁止水帷幕開展現(xiàn)場滲透系數(shù)試驗的要求，更談不上具體的評判標(biāo)準(zhǔn)。

對于滲透系數(shù)值的評判標(biāo)準(zhǔn)可參考文獻(xiàn)［4］的巖土滲透性分級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評判（表1），雖然攪拌均勻水泥土試樣滲透系數(shù)可小于10-7cm/s，對應(yīng)于“極微透水”級。但考慮到水泥攪拌樁加固后的水泥土性能存在一定的不均勻性和差異性，根據(jù)多個工程的實測結(jié)果表明，現(xiàn)場鉆孔注水試驗測試到的滲透系數(shù)值基本在10-6cm/s，即對應(yīng)于“微透水”級。而從實際工程應(yīng)用來看，這個級別基本上能夠滿足作為臨時支護(hù)工程中止水帷幕的要求。因而，對于基坑臨時支護(hù)工程，起到止水帷幕作用的水泥攪拌樁，當(dāng)其現(xiàn)場鉆孔注水試驗測得的滲透系數(shù)值小于10-5cm/s，可判定其防滲透性能滿足工程要求。

表1 巖土滲透性分級

3 工程實例

某工程占地面積約9 000 m2，地上為12 幢高層和部分輔助用房，地下為1～2 層整體地下室。基坑開挖深度范圍地層為層厚1 m左右的雜填土，層厚1 m左右的軟可塑狀粉質(zhì)黏土，層厚1 m左右的稍密狀黏質(zhì)粉土和層厚達(dá)20 m 的流塑狀淤泥質(zhì)黏土。該基坑采用鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐的方式進(jìn)行支護(hù)，并在基坑外圍采用23 m深的Ф850 mm水泥土攪拌樁形成止水帷幕。其中，基坑北側(cè)因緊鄰河道，采用雙排Ф850 mm水泥土攪拌樁，排間距700 mm、軸間距600 mm（圖5，其等效加固半徑為790 mm）。水泥攪拌樁設(shè)計要求水泥摻入量20%，水灰比1.5～1.7，28 d齡期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值不小于1.0 MPa，對滲透系數(shù)無具體要求。

圖5 雙排水泥攪拌樁示意

該工程在基坑開挖之前對水泥攪拌樁進(jìn)行了取芯檢測，芯樣抗壓強(qiáng)度均能滿足設(shè)計要求。但開挖以后，鄰近河道的基坑北側(cè)卻滲水嚴(yán)重，導(dǎo)致坑內(nèi)嚴(yán)重積水，影響正常施工（圖6）。

圖6 某基坑坑壁滲水和坑內(nèi)積水

為進(jìn)一步確定坑外水泥攪拌止水帷幕的止水性能，并為后期施工加固提供科學(xué)依據(jù)，后在基坑北側(cè)的雙排水泥攪拌中取了3個鉆孔進(jìn)行現(xiàn)場變水頭注水試驗，確定其滲透系數(shù)。3個鉆孔外的穩(wěn)定水位均根據(jù)其附近的水位監(jiān)測孔現(xiàn)場實測，試驗長度為孔口下5～10 m 深度段，上部5 m 采用套管隔水。開始水位均加至孔口，10 min后記錄孔內(nèi)水位作為初始水頭H1，再過1 h后的孔內(nèi)水位為最終水頭H2（每10 min量測一次）。滲透系數(shù)計算結(jié)果見表2，其中計算結(jié)果（1）為根據(jù)文獻(xiàn)［4］提供的鉆孔變水頭注水試驗滲透系數(shù)計算公式所得，計算結(jié)果（2）則是依據(jù)本文基于土樣滲透試驗所推導(dǎo)的公式計算所得。

表2 某基坑雙排水泥攪拌樁滲透系數(shù)測試成果

由表2 可知，如直接套用文獻(xiàn)［4］鉆孔注水試驗計算公式，該3個孔的實測滲透系數(shù)值均小于10-6cm/s，即表1中的“極微透水”，這個與實際的滲水、積水情況是完全不相符的。采用本文基于土樣滲透試驗原理所推導(dǎo)的公式計算，3個被測孔的滲透系數(shù)值均在2.5×10-5cm/s 左右，為“弱透水”級，其止水防滲性能不滿足工程需要。后設(shè)計單位依據(jù)2.5×10-5cm/s這個滲透系數(shù)值，進(jìn)行了后期加固設(shè)計，從而確保整個基坑順利安全施工。

4 結(jié) 論

滲透系數(shù)是評價水泥土作為防滲止水帷幕可靠性的一個重要指標(biāo)，對用于基坑支護(hù)、水庫大壩、垃圾填埋場等工程的水泥攪拌樁，應(yīng)對其水泥土進(jìn)行滲透系數(shù)測試。而由于水泥攪拌樁在施工攪拌過程中，并不能完全地削碎土團(tuán)，使得水泥攪拌樁加固后的水泥土性能存在一定的不均勻性和差異性，采用完整芯樣的滲透系數(shù)試驗值來評價整個樁身的滲透性能，相對來說不安全。因而，采用現(xiàn)場鉆孔注水試驗來測試整段水泥攪拌樁的滲透系數(shù)具有一定的工程現(xiàn)實意義。

水泥攪拌樁的樁身滲透系數(shù)，可利用取芯鉆孔在檢驗樁長、強(qiáng)度等質(zhì)量的同時開展變水頭注水試驗進(jìn)行測試。但其測試原理與鉆孔變水頭注水試驗存在根本不同，不能直接套用鉆孔變水頭注水試驗的滲透系數(shù)計算公式來進(jìn)行計算。本文根據(jù)其試驗的等效性，依據(jù)試驗室內(nèi)土試樣的變水頭滲透系數(shù)試驗給出了相應(yīng)的滲透系數(shù)計算公式，并經(jīng)工程實踐證明，計算結(jié)果貼合實際，具有一定的可靠性。

試驗中可控制水頭高度在1.5 m 以上，試驗長度通常為5 m，量測時間不應(yīng)小于1 h（或試驗水頭下降到初始試驗水頭的0.3～0.5 倍），并將水泥攪拌樁等效為兩個半圓柱體的試樣進(jìn)行滲透系數(shù)值計算。當(dāng)設(shè)計單位給出滲透系數(shù)合格判定標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)按設(shè)計單位要求進(jìn)行判定，對于臨時性的基坑圍護(hù)工程，設(shè)計單位未給出滲透系數(shù)合格判定標(biāo)準(zhǔn)時，現(xiàn)場鉆孔注水試驗測得的滲透系數(shù)值小于10-5cm/s 時，可初步判定其滲透性能滿足工程要求。