湯連生，盧 威，曹一飛，于海濤(.中山大學地球科學與工程學院，廣東 廣州 50275；2.廣東省地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源探查重點實驗室，廣東 廣州 50275；. 廣東省建筑科學研究院集團股份有限公司，廣東 廣州 50000)

地下密封墻是真空預壓法處理軟土地基施工過程中一種常用的密封手段[1～2]，常用的密封墻施工方法有以下幾種[3～4]：灌漿法、高壓噴射注漿法、深層攪拌樁法、粉體噴射攪拌法、淤泥攪拌法等。這些方法可以滿足一般軟弱土地層情況的真空預壓的需要，但在一些特殊的地層條件下(如開山石填土)，采用這些方法就可能達不到理想的密封效果。

就特殊地層情況下的密封墻施工技術(shù)，前人已做了相應(yīng)研究，研發(fā)了一些相應(yīng)的密封墻施工方法，如蔡南樹等[5]提出了一種滿足拋石地基密封墻施工的高壓旋噴樁密封技術(shù)；羅志光等[6]提出了針對砂層較厚時的密封套墻施工技術(shù)；李軍等[7]、岳建文[8]提出了大面積真空預壓時邊界密封技術(shù)；還有學者[9]提出人工插塑結(jié)合黏土密封墻施工工藝等。對于地下土層為淤泥質(zhì)土層或不均勻土層，特別是含大量巨大石塊的極不均勻填土，已有密封墻施工方法均不能有效施工，針對此問題，湯連生[10]發(fā)明了勾拌法軟基處理施工工藝(以下簡稱“勾拌法”)。

勾拌法發(fā)明已公開，但專利對工法的細節(jié)和原理并未詳細闡述。鑒于其特殊工效，本文系統(tǒng)地分析了施工過程及原理，希望可供今后類似工程借鑒。

1 勾拌法工法

1.1 基本原理

在真空預壓場區(qū)土層為淤泥質(zhì)、不均勻土層，特別是含大量巨大石塊的極不均勻土層時，常用的密封墻施工方法都無法施工或不能經(jīng)濟快速有效地施工，其主要問題是：使用灌漿法施工，土層中石塊會增加灌漿孔打設(shè)的難度，灌漿也難以均勻的形成密封墻；高壓噴射注漿法因噴射流可能受到石塊阻礙，不能形成完整的密封墻；深層攪拌樁法因存在巨大石塊而達不到密封的目的；粉體噴射攪拌樁法施工時，石塊會阻擋和削弱粉體的噴射和攪拌，也形成不了完整的密封墻。與之相比，勾拌法在此種情況下能夠有效地解決上述問題。

勾拌法施工時，在密封墻開挖范圍內(nèi)加入計算好配比的水泥、泥粉和水，利用反鏟挖掘機不停挖掘勾拌，一邊沿豎直方向開挖一邊勾拌，直至設(shè)計深度，形成完整的密封墻。對于存在含大量巨大石塊如開山土的情況，挖掘機可以先將較大的石塊挖出，較小的石塊就不能阻擋挖掘機的勾拌。在挖出較大的石塊后，倒入定量的水泥、泥粉和水，然后不斷挖掘和勾拌。勾拌過程中，水泥和泥粉會填充軟土中的孔隙，使得真空預壓場區(qū)內(nèi)部和外部的水力聯(lián)系被切斷，形成具有良好密封效果的密封墻。

水、土、泥粉或砂及水泥配合比由配合比計算公式計算確定。

水∶泥粉∶水泥∶土的配比公式為：

[ω0γwγde0/(ω0γd+γw)(1+e0)γw]∶[γwγde0k0/(ω0γd+γw)(1+e0)(k0+1)γd]∶[γwγde0/(ω0γd+γw)(1+e0)(k0+1)γd]∶1

(1)

式中：γw——水的比重；

e0——土的初始孔隙比；

γd——灰的干重度；

ω0——泥漿的含水量，0<ω0<1；

k0——泥粉和水泥的配比經(jīng)驗系數(shù)，0

ω0和k0與設(shè)計承載力、設(shè)計滲透系數(shù)以及土質(zhì)有關(guān)，可由試驗測得或由現(xiàn)場施工經(jīng)驗確定。

勾拌法能夠快速有效且經(jīng)濟地施工密封墻的原理主要有三點：

(1)在反鏟挖掘機開挖軟弱土及勾拌的過程中，土層側(cè)壁土壓力雖有所釋放，但是泥漿首先發(fā)揮了護壁作用[1～12]，同時勾拌后的泥漿與鏟碎了的原土體混合呈飽和狀態(tài)，由此達到土壓力的動態(tài)平衡，維持直立開挖壁面的穩(wěn)定而不至于坍塌；

(2)對于砂層、碎石層、礫石層這類軟弱地層，在反鏟挖掘機開挖和勾拌的同時傾倒水泥和泥粉并注水，三者混合形成的泥漿將由上往下流動，并與原土體混合均勻，原土體中的孔洞和裂隙被泥漿填充，使得原土體中的水力聯(lián)系被阻斷，起到止水防滲的作用；

(3)施工完成后，土體中的泥粉、水泥以及土顆粒發(fā)生水解和水化反應(yīng)、碳酸化作用、凝硬反應(yīng)，形成密封墻。

1.2 施工工藝與步驟

勾拌法適用地層范圍比較廣，如砂土層、淤泥質(zhì)土層、尤其是普通施工方法無法實施的含大量巨大石塊的極不均勻土層，該法具有極佳施工效果。工法施工設(shè)備簡圖如圖1。

圖1 勾拌機設(shè)備簡圖Fig.1 Schematicd diagram of the equipment of the grab1—勾拌機主體；2—勾拌臂；3—勾拌斗

經(jīng)過多年的實踐，勾拌法步驟總結(jié)如下：

(1)依據(jù)設(shè)計要求，編制勾拌法施工方案，做好現(xiàn)場平面布置，清理場地，進行現(xiàn)場施工放線，定出勾機繞場地四周行進的路線。

(2)根據(jù)土層物理力學性質(zhì)指標，算出泥漿最佳水、灰、土配合比，其中灰由泥粉和水泥組成。

(3)勾拌機先開挖一定長度和寬度，小于臨界安全深度的預備淺坑(深0.5 m、長3～4 m、寬近1 m的淺溝)。

(4)灌倒泥漿：一邊倒泥粉及水泥，一邊灌水。挖掘機勾拌泥粉、水泥和水形成設(shè)計配合比的泥漿；勾拌過程中應(yīng)按式(1)計算的配比定量加入水、泥粉、水泥，使土、灰混合達到飽和狀態(tài)。

(5)挖掘機沿豎直方向開挖軟弱土的同時，繼續(xù)傾倒泥粉、水泥及灌水，并勾拌泥漿；隨著勾拌深度加大，大致按照上述配比不斷加入泥粉和水泥，直至需處理軟土深度。

勾拌法施工過程中，如何保證開挖槽壁的穩(wěn)定性是成功施工的重中之重，因此本文著重對勾拌法開挖槽壁的穩(wěn)定性進行分析。

2 勾拌法開挖槽壁整體穩(wěn)定性分析

勾拌法施工時，需要加入水泥、泥粉和水，然后與原位開挖的軟土攪拌，形成泥漿。依據(jù)室內(nèi)試驗以及工程經(jīng)驗，確定加入的泥粉和水泥的比例為10∶1，這樣的比例既可以保證泥粉和水泥混合成灰的強度，同時又節(jié)省材料。泥粉和水泥混合成灰，與加入的水混合至剛好飽和，但不可過飽和，否則水灰混合后會呈流態(tài)，不利于密封土中的孔隙。水灰混合后倒入開挖的坑槽中與原位軟土混合攪拌，水灰混合物會填充軟土中的孔隙，使得原土體中的水力聯(lián)系被阻斷，起到止水防滲的作用。所以，水灰混合物的用量應(yīng)當是大于或者等于開挖土體中孔隙的體積，故得到下式：

Vm∶V=n

(2)

或

Vm=n·V

(3)

式中：Vm——水灰混合物體積；

V——開挖土體的體積；

n——土體的孔隙度。

實際工程中，泥漿的體積與開挖土體的體積之比大于等于n。

勾拌法施工密封墻時，利用泥漿的護壁作用來保持開挖槽壁的穩(wěn)定性，下面就三種不同破壞情況推導槽壁的穩(wěn)定系數(shù)的計算公式，為勾拌法安全有效施工提供指導。

假定槽壁破壞模型為具有傾斜滑動面的半圓柱體(圖2)[13]，滑動面與水平面成α角，半圓開口朝向泥漿槽，開口寬度為L，半圓頂點到泥漿槽壁的距離為L/2。

按傾斜滑動面與地下水面和地面的不同組合關(guān)系，可將上述模型細分為三種情況(圖2)。

圖2 破壞體幾何模型Fig.2 Geometric model of breakage

2.1 情況一：傾斜滑動面上沿低于地下水位

當傾斜滑動面未及地下水面時(圖2)，破壞體受力分析如圖3所示。其中，自重應(yīng)力為W，破壞體范圍內(nèi)的地面荷載為P，槽內(nèi)護壁泥漿壓力為Pm，地下水壓力為Pw，側(cè)面黏聚力為Pf，滑動面上的抗剪力為Ps，以及滑動面法向反力為N。槽深為h，泥漿液面高hm，地下水位高hw。

圖3 破壞體受力分析圖Fig.3 Mechanical analyses of breakage

2.1.1破壞體自重W

由圖中幾何關(guān)系可得，破壞體自重W為：

(4)

式中：h——破壞體高度/m；

γ——地基土的重度/(kN·m-3)。

2.1.2地下水壓力Pw

(5)

2.1.3泥漿作用力Pm

泥漿對槽壁的護壁作用不僅只有靜態(tài)液壓作用，還因為泥漿是具有結(jié)構(gòu)的塑性流體(賓漢流體)，故泥漿的流變性也會對槽壁的穩(wěn)定產(chǎn)生影響[14～15]，也應(yīng)綜合考慮。

根據(jù)Bishop(1952)推算出的分析結(jié)果[16]，泥漿微元體水平應(yīng)力σx為：

σx=γmy+(π/2+y/b)τd

(6)

則單位長水平抗力為：

(7)

式中：γm——泥漿重度。

在長度為L的槽壁面上，護壁泥漿作用力的合力為：

(8)

2.1.4側(cè)面黏聚力Pf

將破壞體側(cè)面沿Y軸方向投影，用投影面積計算側(cè)面黏聚力，如圖4 所示。

圖4 黏聚力作用示意圖Fig. 4 Conventional diagram of cohesive strength

黏聚力的作用面積為：

(9)

側(cè)面黏聚力合力為：

(10)

式中：c——土的黏聚力/kPa。

2.1.5滑動面法向反力N

由滑動面法線方向的力平衡方程可得：

N=(W+P)cosα+(Pm-Pw)sinα

(11)

2.1.6滑動面抗剪力Ps

Ps等于滑動面摩擦力與黏聚力之和，即：

Ps=Ntanφ+Acc

(12)

將N、Ac代入式(10)得：

(13)

2.1.7總方程式

將以上各力投影到滑動面，得到極限狀態(tài)下的力平衡方程：

(W+P)sinα=(Pm-Pw)cosα+Ps+Pf

(14)

將以上各力表達式代入上式，展開得：

(15)

2.1.8穩(wěn)定系數(shù)k

將滑動面上阻止土體下滑的壓力Fp與促使土體下滑的力Fa之比定義為穩(wěn)定系數(shù)k。

(16)

將式(4) 、(5) 、(8) 、(10) 、(13)代入式(16)即得：

(17)

2.2 情況二：傾斜滑動面上沿高于地下水位、低于地面

當傾斜滑動面高于地下水面而未及地面時(圖2)，破壞體受力分析如圖5所示。圖中各字母含義同圖3。對其進行受力分析。

圖5 破壞體受力分析圖Fig. 5 Mechanical analyses of breakage

2.2.1破壞體自重

圖6 任意高度z處的水平截面Fig.6 Horizontal cross-section at aleatoric height z

坍體浸在地下水中的體積Vw則為：

=L3tanαfw

(18)

其中，θw=arcsin[2hw/(Ltanα)]，

fw=FV(θw)=

因此，當2hw

W=γ(V-Vw)+(γ-γw)Vw

(19)

2.2.2總方程式

將以上各表達式代入式(14)，展開得：

(20)

2.2.3穩(wěn)定系數(shù)k

將式(19)、(5)、(8)、(10)和(13)代入式(16)即得：

(21)

2.3 情況三：傾斜滑動面伸出至地面

當傾斜滑動面伸出至地面時(圖2)，破壞體受力分析見圖7。圖中字母含義同圖3。

圖7 破壞體受力分析圖Fig. 7 Mechanical analyses of breakage

2.3.1破壞體自重

圖8 任意高度z處的水平截面Fig. 8 Horizontal cross-section at aleatoric height z

推導過程如2.1.1節(jié)，坍體總體積V可類似地導出：

(22)

因此，坍體自重為：

W=γ(V-Vw)+(γ-γw)Vw

(23)

2.3.2側(cè)面黏聚力Pf

(24)

2.3.3滑動面抗剪力Ps

求滑動面面積Ac：

(25)

將N、Ac代入式(18)得：

(26)

2.3.4總方程式

將以上各力表達式代入式(11)，展開得：

(27)

2.3.5穩(wěn)定系數(shù)k

將式(23)、(5)、(8)、(24)和(26)代入式(16)即得：

(28)

2.4 綜合分析

式(17)、(21)、(28)為三種不同傾斜滑動面情況下槽壁穩(wěn)定穩(wěn)定系數(shù)k的計算公式。從中可以看出，槽壁穩(wěn)定穩(wěn)定系數(shù)與L、hm、hw、α、γm、φ等參數(shù)有關(guān)，其中，泥漿液面高hm、地下水位高hw、泥漿重度γm、土體內(nèi)摩擦角φ可由施工前的勘察資料和設(shè)計資料得到，滑動面與水平面角度α和破壞體開口寬度L可由槽壁出現(xiàn)的破壞體得到。

在實際施工過程中，如果開挖槽壁出現(xiàn)破壞，可根據(jù)滑動面的情況，選擇相應(yīng)的槽壁穩(wěn)定系數(shù)計算公式。然后根據(jù)保持槽壁穩(wěn)定的安全系數(shù)，代入破壞體參數(shù)α、L和開挖槽壁參數(shù)hm、hw、φ，計算出所需的泥漿重度γm，通過調(diào)節(jié)施工過程中的泥漿重度，使得勾拌法施工可以安全有效地進行。

3 工程實例分析

勾拌法的發(fā)明源自于澳門國際機場南停機坪擴建二期工程項目。

3.1 工程概況

澳門國際機場南停機坪擴建二期工程區(qū)域鄰近南海，原來被海水覆蓋，后經(jīng)人工填海成為陸地，填土層厚8 m(局部10 m)，填土時間超過10 a，工程地質(zhì)條件比較復雜。工程區(qū)域下部淤泥土層經(jīng)過前期人工填海砂石預壓已發(fā)生早期固結(jié)和變形，但土層總體強度較低、壓縮性較大， 承載力和變形都不能滿足機場建設(shè)要求，需進行加固處理。主要地層地質(zhì)勘查情況如表 1。根據(jù)設(shè)計要求及工程場地區(qū)域?qū)嶋H情況，將全區(qū)劃分成VP1、VP2、VP3共3個分區(qū)進行真空預壓處理。

表1 工程區(qū)域土層性質(zhì)Table 1 Soil properties of the engineering area

3.2 勾拌法密封墻

根據(jù)工程勘察鉆探資料以及實際施工情況，在進行真空預壓施工之前需對真空處理區(qū)域四周的填土透水層進行密封墻止水。在真空預壓法地基處理設(shè)計初期，對以開山土為主的填土透水層的密封擬采用深層攪拌樁法結(jié)合靜壓注漿的方法進行密封處理。然而，場地的填土含大量砂石及大石塊，施工無法進行，加之工期緊，傳統(tǒng)的其他密封墻施工方法在這里均不適用。經(jīng)現(xiàn)場反復試驗和論證，最終確定臨海一側(cè)(填土厚度10 m)密封膜采取直接入海岸淤泥以達到止水效果，場地其余邊界的密封墻(深度為8 m)則采用現(xiàn)場研發(fā)的勾拌法工藝進行施工。

本項目中，勾拌法形成密封墻的材料主要為原位的砂石土和灰(泥粉、水泥)及水，比例為1∶0.15∶0.225，即開挖攪拌形成1 m3的密封墻體需要傾倒0.15 m3的灰和0.225 m3的水(1包泥粉或水泥約合0.025 m3，即40包泥粉或水泥約合為1 m3)。其中，灰由泥粉和水泥組成，泥粉和水泥混合比例是10∶1，即10包泥粉配1包水泥。

采用此方法，最后成功修筑了寬1.2 m深8 m的密封墻。密封墻墻體止水效果達到了本場地真空預壓法地基處理密封墻的技術(shù)要求。

3.3 真空度效果分析

工程施工過程中三個分區(qū)真空度隨時間變化見圖9?？梢钥闯觯琕P1區(qū)真空度曲線變化較大，是因為中途停泵鋪土工布補膜。在重新抽真空后，膜下真空度很快上升，并長時間維持在75 kPa以上。VP2區(qū)真空度曲線變化比較平穩(wěn)，在抽真空兩個星期后真空度上升到75 kPa以上，此后一直維持。VP3區(qū)真空度曲線變化也較平穩(wěn)，在抽真空一個星期后真空度上升到75 kPa以上。至于在抽真空32～37 d后真空度偏低，原因是密封膜大面積破損，補好后真空度繼續(xù)維持在75 kPa以上。

圖9 真空度隨時間變化圖Fig. 9 Vacuum variation with time

三個真空預壓區(qū)域真空度，加上膜上覆水，整個當量加固荷載達到80 kPa以上，滿足了設(shè)計要求，工后沉降達到預期值，說明密封墻止水止氣的技術(shù)參數(shù)達到了本場地真空預壓法地基處理對密封墻的技術(shù)要求。

3.4 經(jīng)濟效益分析

該工程中勾拌法施工反鏟挖掘機的效率為60 m/(天·臺)，比深層攪拌樁法[17](效率約為20～30 m/(天·臺))快近2～3倍，勾拌法施工密封墻的工期比深層攪拌樁法結(jié)合靜壓注漿方法的施工工期縮短近1/2～2/3，且材料費用比原設(shè)計的也有所節(jié)約。

4 結(jié)論

(1)保證勾拌法成功施工密封墻的兩個要點為：一是確保施工過程中開挖槽壁的穩(wěn)定性；二是控制好攪拌泥漿的重度。

(2)通過對三種不同滑動面情況下槽壁穩(wěn)定性的力學分析，得到了槽壁穩(wěn)定系數(shù)的計算公式。若在勾拌法施工過程中，開挖槽壁出現(xiàn)破壞，則可根據(jù)破壞體類型選擇對應(yīng)的計算公式，調(diào)控加入的泥漿重度，使得勾拌法能夠安全有效地施工。這可以為勾拌法的施工提供科學的指導。

(3)對澳門國際機場南停機坪擴建二期工程真空預壓處理過程中的真空度進行分析，采用勾拌法施工的密封墻的場區(qū)真空度均達到了設(shè)計要求，說明勾拌法施工的密封墻密封性能好，技術(shù)可行。

(4)本文提出的勾拌法比設(shè)計前期所用深層攪拌樁法結(jié)合靜壓注漿方法的施工工期縮短近1/2～2/3，材料費用比原設(shè)計的也有所節(jié)約。勾拌法施工密封墻經(jīng)濟效益好，值得推廣。

勾拌法具有能在淤泥質(zhì)、不均勻土層，特別是含大量巨大石塊的極不均勻土層真空預壓區(qū)域有效施工密封墻的優(yōu)點。但也有兩點不足：一是不適用強度太大的土層；二是施工深度不可過深，否則反鏟挖掘機勾臂長度達不到且易損壞。