《中國土壤與肥料》雜志是農業部主管、中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所和中國植物營養與肥料學會主辦的全國性專業科技期刊。1964年創刊，原名《耕作與肥料》，先后更名為《土肥與科學種田選編》、《土壤與科學種田》、《土壤肥料》，2006年第3期更名為《中國土壤與肥料》。歷任主編為高惠民、林葆、黃鴻翔。

　　摘要:針對真空預壓工程中超軟弱土下臥透水層傳統密封處理方法存在的費用高、密封效果差、危險性高等缺點,提出采用由改裝地質鉆機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。結合廣州中船龍穴造船基地某軟基處理工程實際應用,通過與傳統處理方法密封效果、處理成本、工期等對比,表明該方法簡單高效,成本較低,具有較高的推廣應用價值.

　　關鍵詞:軟基處理,真空預壓,超軟弱土,下臥透水層,地基密封處理,地質鉆機,論文發表哪家核心期刊

　　真空預壓法是加固軟土地基的一種先進技術,它能將預壓荷載在很短時間內一次施加完成,除可節約大量堆載料之外,其應力引起的收縮變形不會造成地基失穩剪切破壞[1],因此這種方法被廣泛應用于我國沿海地區大規模圍海造陸、快速地基處理工程中。對于高含水率、高壓縮性、低承載力的軟黏土,該方法尤其適用[2].

　　加固區周邊真空密封效果直接關系到真空預壓處理的成敗。目前我國普遍采用打設連續泥漿攪拌樁形成隔水密封墻體[3]作為周邊密封系統,所用設備改裝自水泥攪拌樁、噴粉樁用深層攪拌機[4],質量在15~18t之間。由于接地壓強大(25~40kPa),在較軟弱土層中施工困難;此外設備自身不帶動力,移動、定位繁瑣,也存在很大的安全隱患.

　　我國沿海大面積圍海造陸工程中,出于節約資源、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生的小范圍擠淤、拱淤現象在所難免,即產生所謂的“淤泥包”。“淤泥包”土體呈流塑態,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容包括大面積水力吹填砂墊層及真空預壓,面積達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60%~90%,呈飽和、流動狀,標準貫入試驗一般為桿自沉,呈現高壓縮、低強度、低承載力特性;下部灘涂5·0~20·0m深度范圍以粉質黏土、淤泥混砂為主,3·0~8·0m深度范圍內普遍含透水夾砂層,厚度0·5~2·0m不等。真空預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見表1.

　　胡利文等[7]、李軍等[8]進行的工藝試驗分析表明,密封墻體厚度達到1m,淤泥質量分數(d≤0·075mm)達到30%,墻內摻合土體水平滲透系數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在6-3,6-4和6-9區段出現了小范圍擠淤、拱淤現象,且出現在黏土密封墻施工位置。而地質鉆探資料顯示,淤泥下臥層均存在0·6~1·0m厚的透水夾砂層。該部位如不進行止水密封處理,則會使整個加固區無法形成真空密封體,從而導致軟基處理方案失敗.

　　2　傳統“淤泥包”密封措施介紹

　　擠淤、拱淤部位若出現在兩加固區的公共邊,則可以改變黏土密封墻施工線路,繞開拱淤部位進行施工。該方法不僅增加了黏土密封墻的工程量,延長了工期,還需重新劃分施工區段,給真空膜加工、真空泵及管路布設帶來困難.

　　擠淤、拱淤部位如果出現在加固區周邊位置,則必須進行止水密封作業,傳統設備十幾噸的質量根本無法直接施工。通常的做法是先在施工線路兩側鋪設土工格柵,然后充填通長砂袋,使攪拌樁機騎行在通長砂袋上進行施工。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性。由于砂袋表面保持水平較困難,因此設備底盤難以保持水平,導致成樁垂直度不高,密封效果也不理想.

　　由此看出,面對這一難題傳統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、節約成本的新處理措施十分重要.

　　3　改裝地質鉆機進行密封作業

　　地質鉆機在鉆探施工作業時,其鉆桿在自身旋轉的同時可實現向下掘進,并配有漿泵向鉆頭泵送泥漿,與泥漿攪拌樁作業方式基本一致。因此,地質鉆機具有施工攪拌樁的能力,只需加工專用樁頭即可。由于地質鉆機的質量遠小于傳統的攪拌樁設備,其改裝后可解決真空預壓超軟弱土下臥透水層真空密封難題.

　　江南探礦機械廠生產的XY-1B型立軸回轉鉆機廣泛應用于我國水利、交通基建勘察作業中,是一種低速大轉矩鉆機,具有質量輕、操作靈活、維修方便等優點。該鉆機在廣州中船龍穴造船基地某軟基處理工程中承擔了鉆孔取土、攪拌樁深度確定等工作,使用柴油發動機驅動,主要技術參數如下[9]:含鉆架等總質量為880kg,鉆桿直徑分別為42mm和50mm,柴油機額定功率為12·5kW,立軸行程為50cm,立軸移動速度為1·0~4·2m/min,最大給進力為18kN,最大提升力為22kN,轉速為66~620r/min,最大轉矩為1·8kN·m.

　　3·1　專用樁頭加工

　　為了使所選立軸回轉鉆機能夠進行攪拌樁施工作業,需加工適應鉆桿接口的專用樁頭�？紤]鉆機輸出轉矩及整機穩定性等問題,樁頭直徑不宜過大;材料采用普通鋼板,其焊接強度、耐久性能滿足粉砂、泥混砂等作業環境要求,且造價低廉。綜合以上,樁頭直徑按50cm設計,材料選用30mm厚的Q235鋼板進行加工,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環,如圖1所示。材料、加工、轉接口等專用樁頭成本合計不足3000元.

　　3·2　樁位定位底盤加工由于鉆機沒有行走裝置,因此施工攪拌樁定位困難,為此特加工一簡易樁位定位底盤,以保證樁位定位準確。底盤主要由底座、橫向桁架、縱向桁架組成,底座與桁架之間設有導軌、滑輪,可使最上部桁架相對于底座進行前后、左右滑動,且層與層之間設有通孔,可用螺栓固定各桁架相對平面位置,從而起到樁位定位的作用,其結構如圖2所示。底盤選用普通碳素鋼結構,加上主機、鉆架等整機質量約1t,定位底盤成本不足1000元.

　　3·3　作業安全保證、墻體工藝設計

　　保證鉆機在“淤泥包”位置施工安全以及控制成樁垂直度是鉆機施工的難點。選取該工程6~9區段某處拱淤帶作為施工試驗段。拱淤帶長約10m,鉆孔取土表明在4m深度處存在約1m厚的透水夾砂層.

　　為保證鉆機施工安全,首先在施工線路兩側砌筑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,除減小設備接地壓強(約4kPa)并保持底盤水平外,圓松木條相對滑動可使鉆機沿作業方向移動。在底盤行走鋼絲繩上標明樁心間距刻度,施工完每一單元后按刻度移位。作業示意圖見圖3.

　　圖4　鉆機施工攪拌樁工藝尺寸(單位:cm)回轉器移動速度全程設定在1·0m/min檔,鉆桿鉆速設定在最低檔,以獲得最大轉矩。根據工程6-9區段試打工藝樁的質量情況,單樁成樁質量好、樁位清晰;但由于在拱淤位置鉆機底盤保持水平較困難,所以成樁垂直度不理想。為此,在后續施工過程中采用了加密打設樁間距的辦法來消除垂直度偏差。與傳統工藝相比,兩樁搭接達到了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可高于四噴四攪標準施工,以提高泥漿置換率,從而提高密封效果.

　　3·4　施工控制

　　該鉆機回轉器卡盤上配有球卡式夾持機構,可以實現不停車倒鉆上提,且可以采用轉矩更大的六方主動鉆桿。其作業流程為:①鉆機定位,安裝好樁頭,連接好泥漿泵�；剞D器卡盤固定好鉆桿后以液壓泵驅動鉆桿勻速下鉆,同時開始噴漿。②下鉆到立軸行程底部時倒檔,以同樣的速度旋轉、噴漿、提升。提升到立軸行程頂部時再下鉆至底部,即在同一立軸行程范圍內先實現“下旋轉噴漿—上旋轉噴漿—下旋轉噴漿”的三噴三攪過程。③打開回轉器,液壓卡盤上升,重新夾持鉆桿后進行下一立軸行程深度的三噴三攪,待施工至設計深度時,最后上提鉆桿過程中再實現一噴一攪,從而達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,進行下一根樁的施工。當打設深度超過1節鉆桿長度時,可接長鉆桿繼續施工.

　　慢速打設及準確定樁位是成樁質量優良的關鍵,因此對作業人員要求較高;泥漿質量等其他要求同傳統施工要求.

　　4　密封效果、工效及成本對比

　　4·1　密封效果

　　施工5d后對鉆機施工攪拌樁進行質量檢查:用插竹竿法對樁的搭接情況進行檢查,所得結果良好;再對透水層位置進行鉆孔取芯,室內土工試驗結果表明,摻合土體含泥質量分數(d≤0·075mm)在39·2%~44·6%之間,橫向滲透系數Kh在3·46×10-7~7·82×10-7cm/s之間,與表1中的數據相比有明顯降低,達到了Kh<1×10-6cm/s的設計要求.

　　傳統的攪拌樁直徑為70cm、樁間搭接20cm,樁密度為4根/m;而由鉆機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.

　　經過真空預壓90d的實測數據顯示,膜下真空度一直穩定在85kPa左右,表明由鉆機施工的黏土密封墻質量完全滿足加固區真空密閉的要求,故推廣應用在該工程6-3和6-4區段出現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、提升靠回轉器立軸來完成,且每次只能鉆進、提升1個立軸行程[10],故其單臺機施工效率低于傳統施工設備的效率。以樁長6m為例,鉆機采用四噴四攪工藝完成1根樁所需的時間為40min,比傳統設備所需時間多25min.

　　以進行10m長超軟弱土下臥透水層密封作業為例,充填完通長袋之后僅能投入1臺傳統攪拌樁設備進行施工;但在同樣的工況下,由于鉆機體積小、質量輕,可同時投入2臺設備進行施工。傳統的處理方法儲砂、安裝砂泵、縫制砂袋等一系列準備工作及作業共需1周時間;若采用2臺鉆機進行密封作業,前期準備及作業時間僅需5d即可完成,其綜合施工效率較高.

　　4·3　成本對比

　　以密封10m長的拱淤帶為例,樁長6m時,采用通長袋方案和鉆機施工方案的成本對比見表2。由表2可以看出,采用鉆機方案施工成本較低.

　　雖然鉆機進行黏土密封墻施工時的效率比傳統設備低,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,因為在擠淤、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、設備安全是最關鍵的.

　　鉆機不僅可以進行地質勘察、探摸取土等作業,配合專用鉆頭還可打設泥漿攪拌樁,可謂一機多用.

　　除了該工程外,在廣州港南沙港區軟基處理工程、深圳前灣港區軟基處理工程中均應用了鉆機打設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單,造價低廉,可常備使用.

　　5　結　語黏土密封墻作為真空預壓加固區周邊的主要密封手段已應用多年,但大面積水力吹填造陸產生的拱淤、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有的處理方法存在工期長、成本高、密封效果差等缺點,因此,采用行之有效的密封手段十分重要.

　　由地質鉆機改裝而成的深層攪拌機具有質量輕、成樁好等突出優點,在處理擠淤、拱淤部位下臥透水層密封問題時具有很大優勢。通過廣州某軟基處理工程的實際應用,表明其密封效果好、處理成本低,且設備改裝簡單方便,具有較高的推廣應用價值.