航道整治工程水泥攪拌樁檢測方法及試驗設計

孫肇然

(鎮江市港航事業發展中心,江蘇 鎮江 212000)

水泥攪拌樁施工為航道整治工程的隱蔽工程,具有施工過程控制難度較大的特點,施工單位需要重視對水泥攪拌樁施工的質量檢測。傳統水泥攪拌樁檢測方法普遍具有操作難度較大、檢測時間較長等不足,但是航道整治工程由于汛期因素對施工周期的要求較為嚴格,如果施工單位在水泥攪拌樁檢測上消耗較多的時間,就會影響航道整治工程的完工時間,施工單位需要就水泥攪拌樁檢測方法做出相應設計調整。

標準貫入試驗能夠通過標準貫入擊數反應水泥攪拌樁強度,能夠實現對于樁體質量的準確評價,得到的試驗數據具有較好的代表性。目前,國內外已經有諸多學者開展了關于標準貫入試驗的研究,并且在珠江三角洲等地進行了實踐[1]。例如,有學者通過標準貫入試驗、無側限抗壓強度試驗,總結了水泥攪拌樁標貫擊數、無側限抗壓強度關系[2]。

現以長江下游九江河段航道整治工程為例,進行航道整治工程水泥攪拌樁檢測試驗設計。本次試驗選擇的航道整治工程位于長江下游,地貌形態為沖積平原,土層可以分為粉質黏土、淤泥質粉質黏土、粉質黏土夾粉土、粉土四層。

1 航道整治工程水泥攪拌樁檢測方法

1.1 輕便觸探法

輕便觸探法可以檢測水泥攪拌樁頂部<4 m的樁體強度,從而明確樁體荷載范圍。通常情況下,受到垂直荷載作用的影響,水泥攪拌樁頂部4 m左右的軸向應力最大,再加上頂部樁體的壓力覆蓋率較小,容易對水泥攪拌樁質量造成不利影響。如果航道整治工程土層為大面積回填土層、河塘湖溝土層,則工程所在地的土層均勻性、加固效果無法得到保障,此時進行水泥攪拌樁檢測尤為重要,并且適合應用輕便觸探法[3]。

此檢測方法應用優勢為可以全面掌握檢測范圍內水泥攪拌樁的固體質量凈空。應用劣勢為受力較小,轉彎淺部的一般硬度較大;檢測范圍只有4 m,檢測局限性較大;檢測效果一般。

1.2 載荷試驗法

載荷試驗法可以檢測水泥攪拌樁單樁荷載范圍、標準荷載條件值。如果航道整治工程較為復雜、特殊項目較多,適合應用載荷試驗法[4]。

此檢測方法應用優勢為檢測精確程度較高,檢測可靠性較高。應用劣勢為檢測時間一般>28 d,如果時間不足則無法判斷水泥攪拌樁強度是否能夠滿足荷載要求;荷載傳遞距離較小;檢測成本較高。

1.3 樁身取芯法

樁身取芯法可以檢測確定存在缺陷水泥攪拌樁的具體質量問題,需要配合輕便觸探法、載荷試驗法共同應用。在水泥攪拌樁成型28 d后,通過鉆芯取樣實現單樁壓力檢測。

此檢測方法應用優勢為能夠明確缺陷水泥攪拌樁的質量問題。應用劣勢為只能夠作為輔助檢測方式應用,不能獨立應用于水泥攪拌樁質量檢測[5]。

1.4 開挖檢查法

開挖檢查法可以檢測水泥攪拌樁樁身均勻程度、直徑參數,需要對淺層水泥攪拌樁進行開挖作業[6]。

此檢測方法應用優勢為能夠實現對水泥攪拌樁清晰、直觀地檢驗;開挖作業技術難度較低。應用劣勢為開挖作業對于人力資源和檢測時間的消耗較多;需要嚴格控制開挖深度;水泥攪拌樁在空氣中有一定長度和時間的暴露,或多或少會降低樁體強度,導致測量性能參數與開挖作業前實際參數存在一定差異。

2 航道整治工程水泥攪拌樁檢測試驗設計

2.1 工程概況

長江下游九江河段航道整治工程地貌形態為沖積平原。土層可以分為粉質黏土(天然含水率為24.89%,天然孔隙比為0.697,密度為2.02 g·cm-3)、淤泥質粉質黏土(天然含水率為37.48%,天然孔隙比為1.051,密度為1.82 g·cm-3)、粉質黏土夾粉土(天然含水率為29.82%,天然孔隙比為0.837,密度為1.94 g·cm-3)、粉土(天然含水率為28.51%,天然孔隙比為0.821,密度為1.92 g·cm-3)4層,且淺層粉土、粉砂處于松散狀態,深層軟土發育較為完善。

長江下游九江河段航道整治工程擬定水泥攪拌樁施工規劃如下:以P·O 42.5普通硅酸鹽水泥為水泥粉體,摻入量占比約為18%～20%,具體百分比需要視水泥攪拌樁檢測試驗結果而定。

水泥攪拌樁成樁28 d后開始進行檢測試驗,檢測試驗質量標準如下:7 d齡期水泥攪拌樁樁體強度≥設計值的30%;28 d齡期水泥攪拌樁樁體強度≥設計值的70%;90 d齡期水泥攪拌樁樁體強度≥1.25 MPa[7]。

2.2 試驗設計

(1)確定檢測樁。

根據長江下游九江河段航道整治工程施工現場實際情況,選擇將水泥攪拌樁成樁齡期劃分為7 d、14 d、28 d、60 d、90 d 5個階段,在各個齡期中分別選擇6根樁長約為8 m的水泥攪拌樁,共計選擇30根水泥攪拌樁開展檢測試驗。

(2)鉆孔取芯。

開展標準貫入試驗之前,需要先對水泥攪拌樁進行鉆孔取芯。

鉆孔取芯操作流程如下:通過鉆機(鉆頭直徑為10.8 cm,轉速≥790 r/min,轉速調節檔數≥4檔,額定工作壓力≥1.5 MPa)及芯樣管回轉鉆進技術在距離水泥攪拌樁樁心10 cm左右位置處進行鉆孔取芯;注意控制回次進尺,每回次進尺≤1.5 m;鉆孔至孔底后,需要通過適合方式檢測水泥攪拌樁端部持力層巖性;鉆孔過程中需要擰緊擴孔器和鉆頭,禁止敲打和損壞芯樣;鉆孔結束后,對水泥攪拌樁、鉆機、檢測單位、孔洞進行拍照取樣,并且需要涵蓋孔洞深度、水泥攪拌樁長度及樁號、鉆機型號、檢測單位資質等基本數據;如果發現異常鉆孔,則需要封閉鉆孔,具體應用壓力在0.55～1.05 MPa的水泥漿從孔底自下而上回灌,留待后續處理。

如果在鉆孔過程中發現孔底存在浮泥、殘留芯樣,需要進行清孔處理,確保浮泥、殘留芯樣厚度≤5 cm,從而確保后續標準貫入試驗繼續進行[8]。

(3)標準貫入試驗。

水泥攪拌樁樁身方向每150 cm需要進行一次標準貫入試驗,每根水泥攪拌樁均采集5組檢測試驗數據,取其平均值。

標準貫入試驗操作流程如下:當鉆孔至試驗高程以上15 cm時,開始標準貫入試驗;選擇回轉鉆進技術,并且確保孔壁鉆進的穩定水平;陸地區域鉆孔水位需要略高于地下水位,水內區域鉆孔水位需要不低于水域水位;水內區域鉆孔選擇浮式平臺,確保平臺晃動不會對標準貫入試驗結果造成影響;選擇能夠自動脫鉤的自由落錘方式進行錘擊,確保導向桿、探桿、貫入器之間的緊密連接,錘擊過程中需要盡量保持垂直落錘,避免出現錘擊重心偏移及晃動等情況,錘擊速率≤30次/min;當貫入器進入土層1.5 m后,每進入10 cm便需要紀錄1次錘擊次數,并且將打入土層相應深度處的錘擊次數作為標準試驗錘擊次數(簡稱標貫次數)。

(4)無側限抗壓強度試驗。

對水泥攪拌樁鉆孔取芯得到的芯樣進行相應加工,隨后進行無側限抗壓強度試驗,每根水泥攪拌樁均采集5組檢測試驗數據,取其平均值。

無側限抗壓強度試驗操作流程如下:準備軸向位移計(量程為1 cm,能夠精確到0.001 cm,搭配量程為0.2%的位移傳感器)、天平(量程為1 kg,能夠精確到0.000 01 kg)、卡尺、直尺、鋼絲鋸、重塑筒(高度為8 cm,內徑為4 cm)、墊板、秒表、應變控制式無側限壓縮儀(需要結合航道整治工程土層分布及土質特性選擇)、壓力試驗機等試驗儀器及工具;按照2∶1的高徑比將芯樣制作成標準試件,將試件直徑誤差、高度誤差控制在0.1 cm之內;通過壓力試驗機加載試件,加載速率為0.25～0.55 MPa/s,一直到試件出現被破壞跡象;一旦出現破壞跡象,需要立即停止壓力試驗機,描述破損試件的破損后形狀,測量試件破損角度,從而準確紀錄破壞時的荷載(精確到小數點后兩位),根據破壞荷載計算出試件的無側限抗壓強度。

各個齡期中分別選擇3根水泥攪拌樁(分別位于上、中、下3個位置)進行無側限抗壓強度試驗,如果檢測結果未達到航道整治工程施工標準,或者芯樣不成型,判定水泥攪拌樁為不合格樁,該樁試驗數據不納入最終試驗結果。

2.3 試驗結果

(1)標準貫入試驗、無側限抗壓強度試驗統計結果。

通過對水泥攪拌樁標準貫入試驗數據、無側限抗壓強度試驗數據進行分析及統計,發現不同齡期水泥攪拌樁的標貫次數與打入土層深度關系、無側限抗壓強度與打入土層深度關系基本一致。現以28 d齡期水泥攪拌樁試驗結果為例,標貫次數與打入土層深度關系曲線見圖1,無側限抗壓強度與打入土層深度關系曲線見圖2。

圖1 28 d齡期水泥攪拌樁標貫次數與打入土層深度關系曲線圖

圖2 28 d齡期水泥攪拌樁無側限抗壓強度與打入土層深度關系曲線圖

在施工工藝和齡期相同的前提條件下,水泥攪拌樁標貫次數、無側限抗壓強度與打入土層深度均呈現為先減少后增加的關系,這與長江下游九江河段航道整治工程航道整治工程土層分布及土質特性有著密切關系。

水泥攪拌樁無側限抗壓強度與航道整治工程土層分布及土質特性關系由小到大的順序依次為淤泥質粉質黏土、粉質黏土、粉質黏土夾粉土、粉土。導致這一結果的原因如下:淤泥質粉質黏土天然含水率、天然孔隙比較高,這會在一定程度上弱化水泥的水化反應,同時需要更多的水泥水化產物填補孔隙,因此淤泥質粉質黏土位置處的水泥攪拌樁無側限抗壓強度最低;盡管粉質黏土、粉土的天然含水率、天然孔隙比相差較小,但是粉質黏土為黏性土且內部多為裂隙狀構造、絮狀結構,導致其內部結構較為松散、孔隙較多、壓縮性較高;粉土為無黏性土且砂粒含量較高、黏粒含量較低,導致水泥在水解反應過程中能夠以砂粒作為骨架,以膠結性水化產物填補孔隙,并且砂粒的骨架作用要優于黏粒,因此粉土位置處的水泥攪拌樁無側限抗壓強度要高于粉質黏土;粉質黏土夾粉土介于粉質黏土、粉土之間,因此粉質黏土夾粉土位置處的水泥攪拌樁無側限抗壓強度要高于粉質黏土、低于粉土。

與其他水泥攪拌樁相比,6#水泥攪拌樁的無側限抗壓強度明顯異常,導致這一結果的原因如下:6#水泥攪拌樁水泥攪拌均勻程度不足,導致其無側限抗壓強度普遍偏低。

(2)標貫擊數、無側限抗壓強度關系分析結果。

通過對水泥攪拌樁標準貫入試驗數據、無側限抗壓強度試驗數據進行分析及統計,可以得到如下結論:①水泥攪拌樁標貫擊數、無側限抗壓強度之間呈正相關關系,即無側限抗壓強度隨著標貫擊數的增加而增加。②對水泥攪拌樁標準貫入試驗數據、無側限抗壓強度試驗數據進行擬合,可以計算出標貫擊數、無側限抗壓強度關系散點圖的線性系數為0.024～0.077,具體線性系數與航道整治工程土層分布及土質特性相關,由小到大依次為粉質黏土夾粉土、粉質黏土、淤泥質粉質黏土、粉土。

(3)標貫擊數、齡期關系分析結果

為了分析不同齡期下水泥攪拌樁標貫擊數的關系繪制曲線,見圖3,圖中各項數值均為剔除異常值后的平均數值。

圖3 不同齡期水泥攪拌樁標貫擊數關系圖

通過圖3,可以得到如下試驗結果:不同齡期水泥攪拌樁的標貫擊數關系不同,7 d、28 d基本呈線性關系,7 d、90 d呈二次函數關系。這是因為不同齡期下,水泥的水解反應速率不同,但是前期能夠保持線性增加,后期便會逐漸降低。

3 結 論

(1)輕便觸探法、載荷試驗法、樁身取芯法、開挖檢查法為現階段應用頻率較高的航道整治工程水泥攪拌樁檢測方法。

(2)在施工工藝和齡期相同的條件下,水泥攪拌樁標貫次數、無側限抗壓強度與打入土層深度均呈現為先減少后增加的關系,水泥攪拌樁無側限抗壓強度與航道整治工程土層分布及土質特性關系由小到大依次為淤泥質粉質黏土、粉質黏土、粉質黏土夾粉土、粉土。

(3)水泥攪拌均勻程度不足等水泥攪拌樁施工工藝問題,會降低水泥攪拌樁的無側限抗壓強度。

(4)水泥攪拌樁標貫擊數、無側限抗壓強度之間呈正相關關系,標貫擊數、無側限抗壓強度關系散點圖線性系數與航道整治工程土層分布及土質特性相關由小到大依次為粉質黏土夾粉土,粉質黏土、淤泥質粉質黏土,粉土。

(5)不同齡期水泥攪拌樁的標貫擊數關系不同,前期基本呈線性關系,后期呈二次函數關系。