高壓旋噴樁在老碼頭后方堆場加固中應用

高壓旋噴樁在老碼頭后方堆場加固中應用趙海升天津天科工程監(jiān)理咨詢事務所天津塘沽300456摘要：結合68#泊位現(xiàn)場特殊土質情況，對高壓旋噴樁施工的技術參數(shù)、水泥種類及外加劑選擇進行了試驗，通過高壓旋噴樁施工實例，對施工技術和技術指標的實測監(jiān)控與改進，擴大了高壓旋噴樁的應用范圍，對相關工程、相似地質地基處理、舊碼頭升級改造施工提供了可靠的參考依據(jù)。關鍵詞：碼頭后方改造；地基處理；旋噴樁；質量控制1、引言高壓噴射注漿法處理地基在我國已有了廣泛的應用，并形成了一套比較成熟的施工工藝。高壓旋噴技術處理淤泥質土作用主要是做防滲處理，對強度要求不高，一般≤1Mpa。本工藝方法經(jīng)過實踐證明對海相沉積軟弱土(長期堆載壓縮淤泥質土)加固具有很好的效果，強度可達到3～5Mpa。2、工程概況及地質條件68#泊位位于青島港前灣港區(qū)一期工程雜貨碼頭、礦石堆場南側，長211米，根據(jù)碼頭作業(yè)任務的需要，由雜貨碼頭改為礦石碼頭，場地相應承載力由3t/m2增加到20t/m2，為碼頭安全運營，須進行地基加固改造。場地原為淺海相地貌，主要由近期人工堆填而形成陸域，場地經(jīng)長期堆礦，地基土已得到有效加固。地形平坦，地面標高5.32～5.63米，第四系上部為人工填土及海相沉積成因軟土及砂性土，下部為上更新統(tǒng)晚期陸相洪沖積成因粘性土及砂性土，底部基巖為燕山晚期花崗巖，并穿插煌斑巖脈。地基土力學性質變化較大，無不良地質作用和對工程有影響的地質構造。3、設計構思及試驗本工程的旋噴樁不是普通的對土體的加固和防滲的作用，而是要旋噴樁形成寬20m，深17.8m，長度與碼頭等長的攪拌樁塊體來承受豎向荷載并依靠自身強度和重量來抵消后方對碼頭的側壓力。此次地基加固設計了試驗段，分別采用雙管法和三管法不同工藝進行試驗，根據(jù)本工程的地質特點，高壓旋噴樁的初步主要設計參數(shù)如下：3.1布樁形式：旋噴樁設計直徑為1000mm，同時旋噴樁相鄰樁之間需要相互搭接，采用塊狀加固型式形成整體，設計樁徑相互搭接200mm，并采用梅花型布置形式。3.2技術指標：（1）樁位誤差≤50mm，鉆孔垂直度偏差＜1.0%。（2）旋噴樁樁頂高程為+4.3m，樁底為-13.5m，且達到強風化巖。（3）噴漿過程中因故停漿，重新噴射時樁體搭接長度≥50cm。（4）噴漿結束后，要對注漿孔進行二次回灌，防止旋噴樁體因水泥漿固結出頂部凹陷，導致達不到設計樁頂標高。3.3設計質量要求：①施工后28天對樁身進行鉆芯取樣，并做抗壓試驗。②無側限抗壓強度平均值不小于5.0MPa,個別值不小于3.0MPa。雙管與三管法施工設備參數(shù)見表：雙管法高噴灌漿試驗參數(shù)表項目參數(shù)項目參數(shù)高壓漿壓力（MMpa）26~32進漿比重（g//cm3）1.40~1..46漿泵流量（L/miin）80水灰比1.37～1..15壓縮氣壓力（MMpa）0.5~0..7噴嘴直徑（㎜）1．75～2.0壓縮氣流量（mm3/miin）1．2提速（ccm/miin）12~18孔位偏差（cm）≤5旋速（rrpm）10~14孔斜率≤1.0%引孔直徑(mmm)130～1688噴嘴個數(shù)（個）2水泥型號32.5R三重管法高噴灌漿試樁參數(shù)表項目參數(shù)項目參數(shù)高壓水（Mpaa）37~40進漿比重（g//cm3）1.60漿泵流量（L/miin）60～80水灰比0.806壓縮氣壓力（MMpa）0.6～0.77提速（cm/mmin）13～18壓縮氣流量（mm3/miin）3擺速（rrpm）10孔位偏差（cm）≤5孔斜率≤1.0%4、試驗結果與問題分析為了對高壓旋噴樁的施工質量進行評價，現(xiàn)場進行了取芯試驗，結果表明試驗值與設計值有較大偏差：人工回填土層、回填砂層的指標在4.5～10MPa之間，滿足有關規(guī)程及指標的規(guī)范要求，而需要處理的淤泥層抗壓強度指標僅為0.2～0.4MPa，遠遠小于設計平均抗壓強度5.0MPa。經(jīng)過探討得知，淤泥層壓力過小的原因有以下幾點：①場地土層分布特殊（夾層），且淤泥經(jīng)過多年堆載使得該層土壓縮固結，粘性非常大，現(xiàn)場取淤泥層芯樣，芯樣類似于粉質粘土，可塑但較之更粘稠且有異味，說明淤泥層有機質含量較高。高壓水泥漿氣很難將其切開并與其充分拌和，由此造成樁體強度偏低且增長緩慢、且易形成斷層。②雙重管法中高壓漿和高壓氣很難將淤泥層切割攪拌均勻，加之淤泥層有機質含量較高水泥不能與之充分結合，導致現(xiàn)場取芯樣成片狀強度低。③三重管法由于在高壓水與空氣流共同作用下破碎土體，可在地基中造成較大的空隙，有利于漿液的填充；一邊旋轉、提升，一邊噴射水、氣、漿，使地基中旋噴成直徑較大的旋噴樁（一般1.0～2.0m），但樁體強度一般為0.6～1.0MPa，強度較低。④三重管法對水壓的要求較高，采用提高施工水壓確保樁徑，導致泥漿濃度降低，水灰比提高，在不采用早強劑或降低水灰比的情況下，使淤泥土層用較短時間完成固結而達到設計技術指標是很困難的。⑤相關資料顯示，夾層土質經(jīng)旋噴施工70～90天方能達到抗壓技術指標要求，僅在28后進行取芯，相對時間過短。5.處理方案5．1設計參數(shù)變更：為了防止碼頭產(chǎn)生圓弧滑動和加固區(qū)域的沉降并依據(jù)現(xiàn)場實際情況決定將指標變更為：砂層無側限抗壓強度平均值不小于5.0MPa，個別不小于4.0MPa，淤泥層無側限抗壓強度平均值不小于2.0MPa，個別不小于1.5Mpa5．2淤泥層強度提高的解決：根據(jù)設計要求和現(xiàn)場分析，本工程的淤泥質土經(jīng)過多年堆載壓縮，含水量大量減少，已經(jīng)變得可塑且粘性極大，正常的旋噴工藝很難將其切開并使其與泥漿充分拌和均勻；其次地層中含淤泥土夾層很難使拌和體強度快速增長。針對以上問題我們主要從將淤泥切開，并能使水泥漿盡量多的摻入其中與之充分拌結合。另外還需解決有機物問題，對此決定加入有機物有吸附效果的外加劑。因此，為了更好的提高泥漿濃度和壓力并保證漿液的流動性和早期強度，決定摻加早強減水劑，并對此進行了相應試驗。取淤泥質土原樣，試樣是用薄壁取土器于地面以下15-18m處取出直徑130mm圓柱體，即用保鮮膜包好，分別進行了以下試驗：1、用淤泥質土摻用20%水泥，拌出成品經(jīng)過海水養(yǎng)護，因試件固結不良，出現(xiàn)離散現(xiàn)象，達不到要求而放棄。2、用普通高效減水劑NF-4摻量2.5%,水泥摻量20%，拌成成品試件成型，7天強度達到0.3MPa，達不到要求而放棄。3、摻用CaCl24%，水泥摻量20%，用于試驗，因CaCl2只有早強作用，而沒有減水作用，不能在同樣的水泥用量下而增加水泥漿的流動度，不利于強度的增長而被放棄。此后試驗站還摻用過聚羧酸高效減水劑、速凝劑等外加劑，卻因為種種原因而放棄，最后在試驗中發(fā)現(xiàn)摻用NF-8早強減水劑能滿足設計要求，所以選用NF-8為旋噴樁施工的外加劑，現(xiàn)摻用NF-8試驗數(shù)據(jù)如下：泥樣重：2935克（固態(tài)芯樣，呈膠面固狀）水泥：2935克×20%=587克P.C32.5外加劑:587克×4%=23.5克晨光化工NF-8粉狀早強減水劑.水:587克×0.6=352克(水灰比0.6)587克×0.8=470克(水灰比0.8)實際用水473克587克×1.0=587克(水灰比1.0)土芯樣粘度太大,用于撕扯成疙瘩狀,水泥加水加外加劑混合成漿,再與土樣混合用于揉捏混合,土樣吸附水分較大,拌制出成品呈面團狀,用于擠壓成型,在水中(海水)表面未出現(xiàn)分散現(xiàn)象(立即投入海水中),成型后立即將試模拆開,試件固結良好,復入海水中養(yǎng)護。水灰比0.8063天強度達到6.0：4970=1.2Mpa7天強度達到12：4970=2.4Mpa28天強度達到18：4970=3.6Mpa泥漿比重1:1.0854:587=1.4541:0.8935:587=1.5931:0.61018:587=1.734因設計要求泥漿比重為1.5-1.6之間,因此選用1:0.8水灰比。實驗室試驗成功后，現(xiàn)場需要解決：淤泥層怎樣與入水泥漿充分拌合的問題。經(jīng)討論決定，先用37MPa左右高壓清水切割淤泥層，置換出一部分淤泥；再使用上述的水泥漿使用雙管法進行降速復噴2變，從理論上解決了旋噴樁在淤泥層中存在的問題。經(jīng)試驗在后期的取芯中，得到了淤泥層中旋噴樁體4天強度平均3MPa的結果，完全可以滿足設計的要求。5.3試驗成功后施工工藝及施工參數(shù)：制漿放點、定位→鉆引導孔→下管至淤泥層→高壓清水切割→噴水泥漿一遍→復噴水泥漿→終孔→檢驗雙管法高噴灌漿提高淤泥質土強度參數(shù)表項目參數(shù)項目參數(shù)高壓漿壓力（氺氺切）（Mpa）37進漿比重（g//cm3）1.6高壓氺壓力（復復噴）（Mpa）28水灰比0.806漿泵流量（L/miin）70~80噴嘴直徑（㎜）1．75壓縮氣壓力（MMpa）0.6淤泥層提速（cmm/minn）8壓縮氣流量（mm3/miin）1．2旋速（rrpm）10孔位偏差（cm）≤5引孔直徑(mmm)130孔斜率≤1.5%水泥型號32.5R噴嘴個數(shù)（個）25.4本法強度提高的原因分析：5.4.1由于清水的切割力好于泥漿，切割效果得到增強，并且高壓清水切割后淤泥質土大量被清水帶出孔口，達到了清水置換淤泥的效果，這樣水泥含量增大（部分達到90%），所以強度得以提高。5.4.2早強減水劑主要由高效減水組份、普通減水組份、早強組份、膨脹組份構成。由于淤泥中含有硫酸鹽和有機質等能腐蝕水泥石的有害物質，因此外加劑還針對性的在該外加劑中加入了早強組份和膨脹組份等。早強組份能夠使攪拌樁在短期內增長強度，膨脹組份的主要作用是提高水泥拌合物的密實度，因而提高了旋噴樁的強度，并且能夠阻止硫酸鹽和有機質等的侵蝕。6、施工工藝改進此工藝雖然可以滿足設計的要求，但從取出的芯樣分析看水泥含量非常大，只在芯樣個別區(qū)域有淤泥塊，一定程度上此法相當于水泥漿置換淤泥。經(jīng)過分析在淤泥層中800~1000kg/m的水泥使用量，成本太大。本著降低材料使用量和簡化施工工藝的目的我們從以下兩個方面考慮：①可以從減少工藝的方面考慮，即使用清水切割一遍后用水泥漿旋噴一遍或第二遍快速上提，或者使用清水切割兩遍再用水泥漿旋噴一遍等方面考慮；②旋噴時往淤泥質土加入砂等，改變其土體性質。在后續(xù)施工中經(jīng)過多次改進最終得出了使用雙管法先用高壓清水切割一遍后再用摻加NF-8早強減水劑的高濃度灰漿低速提升旋噴（8cm/min），這樣較之前的方法在滿足質量要求的情況下，減少了水泥用量（600kg/m）并提高了工作效率。7、工藝應用展望7.1在工期及可行性方面,存在以下優(yōu)勢：①工期控制方面：不耽誤原有其他碼頭的作業(yè)，可以分段進行改造。68#泊位試驗完成后，先后三次對66-68#三個泊位600米進行了改造，改造完一段，立即可以利用原有的附屬設施（道路、原有機械）投產(chǎn)，相對于建碼頭來說工期大大縮短。②投資方面：雖然淤泥層水泥用量高，但經(jīng)過以后三次工藝改進，整根樁每米水泥用量為250kg/m，淤泥層最高強度為3.6Mpa，平均強度均達到設計要求。比新建碼頭費用節(jié)省。后方堆場加固，原有碼頭的使用年限相對增長，比新建節(jié)省