真空預(yù)壓超軟弱土下臥透水層新密封方法探討

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摘要:針對(duì)真空預(yù)壓工程中超軟弱土下臥透水層傳統(tǒng)密封處理方法存在的費(fèi)用高、密封效果差、危險(xiǎn)性高等缺點(diǎn),提出采用由改裝地質(zhì)鉆機(jī)施打泥漿攪拌樁這一新方法,可解決超軟弱土下臥透水層止水密封難題。結(jié)合廣州中船龍穴造船基地某軟基處理工程實(shí)際應(yīng)用,通過與傳統(tǒng)處理方法密封效果、處理成本、工期等對(duì)比,表明該方法簡(jiǎn)單高效,成本較低,具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值.
關(guān)鍵詞:軟基處理;真空預(yù)壓;超軟弱土;下臥透水層;地基密封處理;地質(zhì)鉆機(jī)
真空預(yù)壓法是加固軟土地基的一種先進(jìn)技術(shù),它能將預(yù)壓荷載在很短時(shí)間內(nèi)一次施加完成,除可節(jié)約大量堆載料之外,其應(yīng)力引起的收縮變形不會(huì)造成地基失穩(wěn)剪切破壞[1],因此這種方法被廣泛應(yīng)用于我國(guó)沿海地區(qū)大規(guī)模圍海造陸、快速地基處理工程中。對(duì)于高含水率、高壓縮性、低承載力的軟黏土,該方法尤其適用[2].
加固區(qū)周邊真空密封效果直接關(guān)系到真空預(yù)壓處理的成敗。目前我國(guó)普遍采用打設(shè)連續(xù)泥漿攪拌樁形成隔水密封墻體[3]作為周邊密封系統(tǒng),所用設(shè)備改裝自水泥攪拌樁、噴粉樁用深層攪拌機(jī)[4],質(zhì)量在15~18t之間。由于接地壓強(qiáng)大(25~40kPa),在較軟弱土層中施工困難;此外設(shè)備自身不帶動(dòng)力,移動(dòng)、定位繁瑣,也存在很大的安全隱患.
我國(guó)沿海大面積圍海造陸工程中,出于節(jié)約資源、降低成本等考慮,排水砂墊層一般很薄,因此地基承載力不高,且多采用水力吹填以降低成本。在水力吹填過程中,采取子母吹砂管消能、頻繁擺管等措施[5]后,雖然可減少大面積擠淤、拱淤的可能,但由砂料在吹填沖力及自身重力作用下所產(chǎn)生的小范圍擠淤、拱淤現(xiàn)象在所難免,即產(chǎn)生所謂的“淤泥包”。“淤泥包”土體呈流塑態(tài),幾乎無承載力,屬于超軟弱土.
1　工程概況
廣州中船龍穴造船基地某軟基處理工程施工內(nèi)容包括大面積水力吹填砂墊層及真空預(yù)壓,面積達(dá)6·7×105m2,其陸域是在原有灘涂上吹填形成的.
新吹填土層厚度為4·0~6·0m,主要由淤泥、淤泥混砂為主,含水率高達(dá)60%~90%,呈飽和、流動(dòng)狀,標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)一般為桿自沉,呈現(xiàn)高壓縮、低強(qiáng)度、低承載力特性;下部灘涂5·0~20·0m深度范圍以粉質(zhì)黏土、淤泥混砂為主,3·0~8·0m深度范圍內(nèi)普遍含透水夾砂層,厚度0·5~2·0m不等。真空預(yù)壓周邊密封采用黏土密封墻方案。不同部位透水夾砂層的滲透系數(shù)見表1.
胡利文等[7]、李軍等[8]進(jìn)行的工藝試驗(yàn)分析表明,密封墻體厚度達(dá)到1m,淤泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)(d≤0·075mm)達(dá)到30%,墻內(nèi)摻合土體水平滲透系數(shù)Kh<1×10-6cm/s,氣密性可滿足90d真空密封要求.
砂墊層水力吹填排水時(shí)在6-3,6-4和6-9區(qū)段出現(xiàn)了小范圍擠淤、拱淤現(xiàn)象,且出現(xiàn)在黏土密封墻施工位置。而地質(zhì)鉆探資料顯示,淤泥下臥層均存在0·6~1·0m厚的透水夾砂層。該部位如不進(jìn)行止水密封處理,則會(huì)使整個(gè)加固區(qū)無法形成真空密封體,從而導(dǎo)致軟基處理方案失敗.
2　傳統(tǒng)“淤泥包”密封措施介紹
擠淤、拱淤部位若出現(xiàn)在兩加固區(qū)的公共邊,則可以改變黏土密封墻施工線路,繞開拱淤部位進(jìn)行施工。該方法不僅增加了黏土密封墻的工程量,延長(zhǎng)了工期,還需重新劃分施工區(qū)段,給真空膜加工、真空泵及管路布設(shè)帶來困難.
擠淤、拱淤部位如果出現(xiàn)在加固區(qū)周邊位置,則必須進(jìn)行止水密封作業(yè),傳統(tǒng)設(shè)備十幾噸的質(zhì)量根本無法直接施工。通常的做法是先在施工線路兩側(cè)鋪設(shè)土工格柵,然后充填通長(zhǎng)砂袋,使攪拌樁機(jī)騎行在通長(zhǎng)砂袋上進(jìn)行施工。砂袋體厚度不能少于60cm,這樣施工成本成倍增加,而且具有很高的危險(xiǎn)性。由于砂袋表面保持水平較困難,因此設(shè)備底盤難以保持水平,導(dǎo)致成樁垂直度不高,密封效果也不理想.
由此看出,面對(duì)這一難題傳統(tǒng)處理方法都需要投入較高的成本,并且存在諸多缺陷。故提出行之有效、節(jié)約成本的新處理措施十分重要.
3　改裝地質(zhì)鉆機(jī)進(jìn)行密封作業(yè)
地質(zhì)鉆機(jī)在鉆探施工作業(yè)時(shí),其鉆桿在自身旋轉(zhuǎn)的同時(shí)可實(shí)現(xiàn)向下掘進(jìn),并配有漿泵向鉆頭泵送泥漿,與泥漿攪拌樁作業(yè)方式基本一致。因此,地質(zhì)鉆機(jī)具有施工攪拌樁的能力,只需加工專用樁頭即可。由于地質(zhì)鉆機(jī)的質(zhì)量遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的攪拌樁設(shè)備,其改裝后可解決真空預(yù)壓超軟弱土下臥透水層真空密封難題.
江南探礦機(jī)械廠生產(chǎn)的XY-1B型立軸回轉(zhuǎn)鉆機(jī)廣泛應(yīng)用于我國(guó)水利、交通基建勘察作業(yè)中,是一種低速大轉(zhuǎn)矩鉆機(jī),具有質(zhì)量輕、操作靈活、維修方便等優(yōu)點(diǎn)。該鉆機(jī)在廣州中船龍穴造船基地某軟基處理工程中承擔(dān)了鉆孔取土、攪拌樁深度確定等工作,使用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng),主要技術(shù)參數(shù)如下[9]:含鉆架等總質(zhì)量為880kg,鉆桿直徑分別為42mm和50mm,柴油機(jī)額定功率為12·5kW,立軸行程為50cm,立軸移動(dòng)速度為1·0~4·2m/min,最大給進(jìn)力為18kN,最大提升力為22kN,轉(zhuǎn)速為66~620r/min,最大轉(zhuǎn)矩為1·8kN·m.
3·1　專用樁頭加工
為了使所選立軸回轉(zhuǎn)鉆機(jī)能夠進(jìn)行攪拌樁施工作業(yè),需加工適應(yīng)鉆桿接口的專用樁頭?？紤]鉆機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩及整機(jī)穩(wěn)定性等問題,樁頭直徑不宜過大;材料采用普通鋼板,其焊接強(qiáng)度、耐久性能滿足粉砂、泥混砂等作業(yè)環(huán)境要求,且造價(jià)低廉。綜合以上,樁頭直徑按50cm設(shè)計(jì),材料選用30mm厚的Q235鋼板進(jìn)行加工,樁頭底端留有噴漿口。為防止樁頭在擠密砂層中卡死,在攪葉外邊緣位置處特別增加了鋼護(hù)環(huán),如圖1所示。材料、加工、轉(zhuǎn)接口等專用樁頭成本合計(jì)不足3000元.
3·2　樁位定位底盤加工由于鉆機(jī)沒有行走裝置,因此施工攪拌樁定位困難,為此特加工一簡(jiǎn)易樁位定位底盤,以保證樁位定位準(zhǔn)確。底盤主要由底座、橫向桁架、縱向桁架組成,底座與桁架之間設(shè)有導(dǎo)軌、滑輪,可使最上部桁架相對(duì)于底座進(jìn)行前后、左右滑動(dòng),且層與層之間設(shè)有通孔,可用螺栓固定各桁架相對(duì)平面位置,從而起到樁位定位的作用,其結(jié)構(gòu)如圖2所示。底盤選用普通碳素鋼結(jié)構(gòu),加上主機(jī)、鉆架等整機(jī)質(zhì)量約1t,定位底盤成本不足1000元.
3·3　作業(yè)安全保證、墻體工藝設(shè)計(jì)
保證鉆機(jī)在“淤泥包”位置施工安全以及控制成樁垂直度是鉆機(jī)施工的難點(diǎn)。選取該工程6~9區(qū)段某處拱淤帶作為施工試驗(yàn)段。拱淤帶長(zhǎng)約10m,鉆孔取土表明在4m深度處存在約1m厚的透水夾砂層.
為保證鉆機(jī)施工安全,首先在施工線路兩側(cè)砌筑2條高40cm、寬1·5m的砂包袋墊層路,并找平頂面以減小成樁垂直度偏差;在小砂包袋墊層上再鋪1排直徑10cm的圓松木條,除減小設(shè)備接地壓強(qiáng)(約4kPa)并保持底盤水平外,圓松木條相對(duì)滑動(dòng)可使鉆機(jī)沿作業(yè)方向移動(dòng)。在底盤行走鋼絲繩上標(biāo)明樁心間距刻度,施工完每一單元后按刻度移位。作業(yè)示意圖見圖3.
圖4　鉆機(jī)施工攪拌樁工藝尺寸(單位:cm)回轉(zhuǎn)器移動(dòng)速度全程設(shè)定在1·0m/min檔,鉆桿鉆速設(shè)定在最低檔,以獲得最大轉(zhuǎn)矩。根據(jù)工程6-9區(qū)段試打工藝樁的質(zhì)量情況,單樁成樁質(zhì)量好、樁位清晰;但由于在拱淤位置鉆機(jī)底盤保持水平較困難,所以成樁垂直度不理想。為此,在后續(xù)施工過程中采用了加密打設(shè)樁間距的辦法來消除垂直度偏差。與傳統(tǒng)工藝相比,兩樁搭接達(dá)到了25cm,樁心間距縮小至25cm,且采用3排樁工藝來保證密封墻體寬度。樁位尺寸及搭接情況如圖4所示。在透水層深度范圍內(nèi)可高于四噴四攪標(biāo)準(zhǔn)施工,以提高泥漿置換率,從而提高密封效果.
3·4　施工控制
該鉆機(jī)回轉(zhuǎn)器卡盤上配有球卡式夾持機(jī)構(gòu),可以實(shí)現(xiàn)不停車倒鉆上提,且可以采用轉(zhuǎn)矩更大的六方主動(dòng)鉆桿。其作業(yè)流程為:①鉆機(jī)定位,安裝好樁頭,連接好泥漿泵?；剞D(zhuǎn)器卡盤固定好鉆桿后以液壓泵驅(qū)動(dòng)鉆桿勻速下鉆,同時(shí)開始噴漿。②下鉆到立軸行程底部時(shí)倒檔,以同樣的速度旋轉(zhuǎn)、噴漿、提升。提升到立軸行程頂部時(shí)再下鉆至底部,即在同一立軸行程范圍內(nèi)先實(shí)現(xiàn)“下旋轉(zhuǎn)噴漿—上旋轉(zhuǎn)噴漿—下旋轉(zhuǎn)噴漿”的三噴三攪過程。③打開回轉(zhuǎn)器,液壓卡盤上升,重新夾持鉆桿后進(jìn)行下一立軸行程深度的三噴三攪,待施工至設(shè)計(jì)深度時(shí),最后上提鉆桿過程中再實(shí)現(xiàn)一噴一攪,從而達(dá)到每根樁全過程的四噴四攪工藝。④拔出定位底盤上的螺栓,重新定位后再固定好螺栓,進(jìn)行下一根樁的施工。當(dāng)打設(shè)深度超過1節(jié)鉆桿長(zhǎng)度時(shí),可接長(zhǎng)鉆桿繼續(xù)施工.
慢速打設(shè)及準(zhǔn)確定樁位是成樁質(zhì)量?jī)?yōu)良的關(guān)鍵,因此對(duì)作業(yè)人員要求較高;泥漿質(zhì)量等其他要求同傳統(tǒng)施工要求.
4　密封效果、工效及成本對(duì)比
4·1　密封效果
施工5d后對(duì)鉆機(jī)施工攪拌樁進(jìn)行質(zhì)量檢查:用插竹竿法對(duì)樁的搭接情況進(jìn)行檢查,所得結(jié)果良好;再對(duì)透水層位置進(jìn)行鉆孔取芯,室內(nèi)土工試驗(yàn)結(jié)果表明,摻合土體含泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)(d≤0·075mm)在39·2%~44·6%之間,橫向滲透系數(shù)Kh在3·46×10-7~7·82×10-7cm/s之間,與表1中的數(shù)據(jù)相比有明顯降低,達(dá)到了Kh<1×10-6cm/s的設(shè)計(jì)要求.
傳統(tǒng)的攪拌樁直徑為70cm、樁間搭接20cm,樁密度為4根/m;而由鉆機(jī)施工的攪拌樁直徑為50cm、樁間搭接25cm,樁密度為12根/m,其樁密度是傳統(tǒng)樁密度的3倍。因此,其墻體黏土置換率有了大幅度提高,因而密封效果更優(yōu).
經(jīng)過真空預(yù)壓90d的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示,膜下真空度一直穩(wěn)定在85kPa左右,表明由鉆機(jī)施工的黏土密封墻質(zhì)量完全滿足加固區(qū)真空密閉的要求,故推廣應(yīng)用在該工程6-3和6-4區(qū)段出現(xiàn)相同工況的施工部位,成功解決了擠淤、拱淤部位下臥層止水密封的難題.

4·2　施工效率
鉆桿的鉆進(jìn)、提升靠回轉(zhuǎn)器立軸來完成,且每次只能鉆進(jìn)、提升1個(gè)立軸行程[10],故其單臺(tái)機(jī)施工效率低于傳統(tǒng)施工設(shè)備的效率。以樁長(zhǎng)6m為例,鉆機(jī)采用四噴四攪工藝完成1根樁所需的時(shí)間為40min,比傳統(tǒng)設(shè)備所需時(shí)間多25min.
以進(jìn)行10m長(zhǎng)超軟弱土下臥透水層密封作業(yè)為例,充填完通長(zhǎng)袋之后僅能投入1臺(tái)傳統(tǒng)攪拌樁設(shè)備進(jìn)行施工;但在同樣的工況下,由于鉆機(jī)體積小、質(zhì)量輕,可同時(shí)投入2臺(tái)設(shè)備進(jìn)行施工。傳統(tǒng)的處理方法儲(chǔ)砂、安裝砂泵、縫制砂袋等一系列準(zhǔn)備工作及作業(yè)共需1周時(shí)間;若采用2臺(tái)鉆機(jī)進(jìn)行密封作業(yè),前期準(zhǔn)備及作業(yè)時(shí)間僅需5d即可完成,其綜合施工效率較高.
4·3　成本對(duì)比
以密封10m長(zhǎng)的拱淤帶為例,樁長(zhǎng)6m時(shí),采用通長(zhǎng)袋方案和鉆機(jī)施工方案的成本對(duì)比見表2。由表2可以看出,采用鉆機(jī)方案施工成本較低.
雖然鉆機(jī)進(jìn)行黏土密封墻施工時(shí)的效率比傳統(tǒng)設(shè)備低,但作為特殊工況下的特殊施工手段而非大面積鋪開使用是可行的,因?yàn)樵跀D淤、拱淤部位保證下臥透水層的密封效果,降低處理成本及保證人員、設(shè)備安全是最關(guān)鍵的.
鉆機(jī)不僅可以進(jìn)行地質(zhì)勘察、探摸取土等作業(yè),配合專用鉆頭還可打設(shè)泥漿攪拌樁,可謂一機(jī)多用.
除了該工程外,在廣州港南沙港區(qū)軟基處理工程、深圳前灣港區(qū)軟基處理工程中均應(yīng)用了鉆機(jī)打設(shè)攪拌樁這一特殊的密封手段,密封效果良好。該專用樁頭及定位底盤加工簡(jiǎn)單,造價(jià)低廉,可常備使用.
5　結(jié)　語黏土密封墻作為真空預(yù)壓加固區(qū)周邊的主要密封手段已應(yīng)用多年,但大面積水力吹填造陸產(chǎn)生的拱淤、擠淤部位下臥透水層密封問題一直未能得到很好的解決?，F(xiàn)有的處理方法存在工期長(zhǎng)、成本高、密封效果差等缺點(diǎn),因此,采用行之有效的密封手段十分重要.
由地質(zhì)鉆機(jī)改裝而成的深層攪拌機(jī)具有質(zhì)量輕、成樁好等突出優(yōu)點(diǎn),在處理擠淤、拱淤部位下臥透水層密封問題時(shí)具有很大優(yōu)勢(shì)。通過廣州某軟基處理工程的實(shí)際應(yīng)用,表明其密封效果好、處理成本低,且設(shè)備改裝簡(jiǎn)單方便,具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值.
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