孫肇然

(鎮(zhèn)江市港航事業(yè)發(fā)展中心,江蘇 鎮(zhèn)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(diǎn),施工單位需要重視對水泥攪拌樁施工的質(zhì)量檢測。傳統(tǒng)水泥攪拌樁檢測方法普遍具有操作難度較大、檢測時(shí)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(yán)格,如果施工單位在水泥攪拌樁檢測上消耗較多的時(shí)間,就會影響航道整治工程的完工時(shí)間,施工單位需要就水泥攪拌樁檢測方法做出相應(yīng)設(shè)計(jì)調(diào)整。

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)?zāi)軌蛲ㄟ^標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)反應(yīng)水泥攪拌樁強(qiáng)度,能夠?qū)崿F(xiàn)對于樁體質(zhì)量的準(zhǔn)確評價(jià),得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有較好的代表性。目前,國內(nèi)外已經(jīng)有諸多學(xué)者開展了關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)的研究,并且在珠江三角洲等地進(jìn)行了實(shí)踐[1]。例如,有學(xué)者通過標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),總結(jié)了水泥攪拌樁標(biāo)貫擊數(shù)、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系[2]。

現(xiàn)以長江下游九江河段航道整治工程為例,進(jìn)行航道整治工程水泥攪拌樁檢測試驗(yàn)設(shè)計(jì)。本次試驗(yàn)選擇的航道整治工程位于長江下游,地貌形態(tài)為沖積平原,土層可以分為粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)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(qiáng)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(yīng)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(zhì)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(shí)進(jìn)行水泥攪拌樁檢測尤為重要,并且適合應(yīng)用輕便觸探法[3]。

此檢測方法應(yīng)用優(yōu)勢為可以全面掌握檢測范圍內(nèi)水泥攪拌樁的固體質(zhì)量凈空。應(yīng)用劣勢為受力較小,轉(zhuǎn)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(yàn)法

載荷試驗(yàn)法可以檢測水泥攪拌樁單樁荷載范圍、標(biāo)準(zhǔn)荷載條件值。如果航道整治工程較為復(fù)雜、特殊項(xiàng)目較多,適合應(yīng)用載荷試驗(yàn)法[4]。

此檢測方法應(yīng)用優(yōu)勢為檢測精確程度較高,檢測可靠性較高。應(yīng)用劣勢為檢測時(shí)間一般>28 d,如果時(shí)間不足則無法判斷水泥攪拌樁強(qiáng)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(zhì)量問題,需要配合輕便觸探法、載荷試驗(yàn)法共同應(yīng)用。在水泥攪拌樁成型28 d后,通過鉆芯取樣實(shí)現(xiàn)單樁壓力檢測。

此檢測方法應(yīng)用優(yōu)勢為能夠明確缺陷水泥攪拌樁的質(zhì)量問題。應(yīng)用劣勢為只能夠作為輔助檢測方式應(yīng)用,不能獨(dú)立應(yīng)用于水泥攪拌樁質(zhì)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(shù),需要對淺層水泥攪拌樁進(jìn)行開挖作業(yè)[6]。

此檢測方法應(yīng)用優(yōu)勢為能夠?qū)崿F(xiàn)對水泥攪拌樁清晰、直觀地檢驗(yàn);開挖作業(yè)技術(shù)難度較低。應(yīng)用劣勢為開挖作業(yè)對于人力資源和檢測時(shí)間的消耗較多;需要嚴(yán)格控制開挖深度;水泥攪拌樁在空氣中有一定長度和時(shí)間的暴露,或多或少會降低樁體強(qiáng)度,導(dǎo)致測量性能參數(shù)與開挖作業(yè)前實(shí)際參數(shù)存在一定差異。

2 航道整治工程水泥攪拌樁檢測試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 工程概況

長江下游九江河段航道整治工程地貌形態(tài)為沖積平原。土層可以分為粉質(zhì)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(zhì)粉質(zhì)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(zhì)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(tài),深層軟土發(fā)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(guī)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(yàn)結(jié)果而定。

水泥攪拌樁成樁28 d后開始進(jìn)行檢測試驗(yàn),檢測試驗(yàn)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)如下:7 d齡期水泥攪拌樁樁體強(qiáng)度≥設(shè)計(jì)值的30%;28 d齡期水泥攪拌樁樁體強(qiáng)度≥設(shè)計(jì)值的70%;90 d齡期水泥攪拌樁樁體強(qiáng)度≥1.25 MPa[7]。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

(1)確定檢測樁。

根據(jù)長江下游九江河段航道整治工程施工現(xiàn)場實(shí)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(gè)階段,在各個(gè)齡期中分別選擇6根樁長約為8 m的水泥攪拌樁,共計(jì)選擇30根水泥攪拌樁開展檢測試驗(yàn)。

(2)鉆孔取芯。

開展標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)之前,需要先對水泥攪拌樁進(jìn)行鉆孔取芯。

鉆孔取芯操作流程如下:通過鉆機(jī)(鉆頭直徑為10.8 cm,轉(zhuǎn)速≥790 r/min,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)檔數(shù)≥4檔,額定工作壓力≥1.5 MPa)及芯樣管回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)在距離水泥攪拌樁樁心10 cm左右位置處進(jìn)行鉆孔取芯;注意控制回次進(jìn)尺,每回次進(jìn)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(kuò)孔器和鉆頭,禁止敲打和損壞芯樣;鉆孔結(jié)束后,對水泥攪拌樁、鉆機(jī)、檢測單位、孔洞進(jìn)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(jī)型號、檢測單位資質(zhì)等基本數(shù)據(jù);如果發(fā)現(xiàn)異常鉆孔,則需要封閉鉆孔,具體應(yīng)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(xù)處理。

如果在鉆孔過程中發(fā)現(xiàn)孔底存在浮泥、殘留芯樣,需要進(jìn)行清孔處理,確保浮泥、殘留芯樣厚度≤5 cm,從而確保后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)繼續(xù)進(jìn)行[8]。

(3)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)。

水泥攪拌樁樁身方向每150 cm需要進(jìn)行一次標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn),每根水泥攪拌樁均采集5組檢測試驗(yàn)數(shù)據(jù),取其平均值。

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)操作流程如下:當(dāng)鉆孔至試驗(yàn)高程以上15 cm時(shí),開始標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn);選擇回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù),并且確?？妆阢@進(jìn)的穩(wěn)定水平;陸地區(qū)域鉆孔水位需要略高于地下水位,水內(nèi)區(qū)域鉆孔水位需要不低于水域水位;水內(nèi)區(qū)域鉆孔選擇浮式平臺,確保平臺晃動不會對標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)結(jié)果造成影響;選擇能夠自動脫鉤的自由落錘方式進(jìn)行錘擊,確保導(dǎo)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(xiàn)錘擊重心偏移及晃動等情況,錘擊速率≤30次/min;當(dāng)貫入器進(jìn)入土層1.5 m后,每進(jìn)入10 cm便需要紀(jì)錄1次錘擊次數(shù),并且將打入土層相應(yīng)深度處的錘擊次數(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)錘擊次數(shù)(簡稱標(biāo)貫次數(shù))。

(4)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

對水泥攪拌樁鉆孔取芯得到的芯樣進(jìn)行相應(yīng)加工,隨后進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),每根水泥攪拌樁均采集5組檢測試驗(yàn)數(shù)據(jù),取其平均值。

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)操作流程如下:準(zhǔn)備軸向位移計(jì)(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(nèi)徑為4 cm)、墊板、秒表、應(yīng)變控制式無側(cè)限壓縮儀(需要結(jié)合航道整治工程土層分布及土質(zhì)特性選擇)、壓力試驗(yàn)機(jī)等試驗(yàn)儀器及工具;按照2∶1的高徑比將芯樣制作成標(biāo)準(zhǔn)試件,將試件直徑誤差、高度誤差控制在0.1 cm之內(nèi);通過壓力試驗(yàn)機(jī)加載試件,加載速率為0.25～0.55 MPa/s,一直到試件出現(xiàn)被破壞跡象;一旦出現(xiàn)破壞跡象,需要立即停止壓力試驗(yàn)機(jī),描述破損試件的破損后形狀,測量試件破損角度,從而準(zhǔn)確紀(jì)錄破壞時(shí)的荷載(精確到小數(shù)點(diǎn)后兩位),根據(jù)破壞荷載計(jì)算出試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

各個(gè)齡期中分別選擇3根水泥攪拌樁(分別位于上、中、下3個(gè)位置)進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),如果檢測結(jié)果未達(dá)到航道整治工程施工標(biāo)準(zhǔn),或者芯樣不成型,判定水泥攪拌樁為不合格樁,該樁試驗(yàn)數(shù)據(jù)不納入最終試驗(yàn)結(jié)果。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

(1)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

通過對水泥攪拌樁標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)數(shù)據(jù)、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析及統(tǒng)計(jì),發(fā)現(xiàn)不同齡期水泥攪拌樁的標(biāo)貫次數(shù)與打入土層深度關(guān)系、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與打入土層深度關(guān)系基本一致。現(xiàn)以28 d齡期水泥攪拌樁試驗(yàn)結(jié)果為例,標(biāo)貫次數(shù)與打入土層深度關(guān)系曲線見圖1,無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與打入土層深度關(guān)系曲線見圖2。

圖1 28 d齡期水泥攪拌樁標(biāo)貫次數(shù)與打入土層深度關(guān)系曲線圖

圖2 28 d齡期水泥攪拌樁無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與打入土層深度關(guān)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(biāo)貫次數(shù)、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與打入土層深度均呈現(xiàn)為先減少后增加的關(guān)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(zhì)特性有著密切關(guān)系。

水泥攪拌樁無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與航道整治工程土層分布及土質(zhì)特性關(guān)系由小到大的順序依次為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土夾粉土、粉土。導(dǎo)致這一結(jié)果的原因如下:淤泥質(zhì)粉質(zhì)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(yīng),同時(shí)需要更多的水泥水化產(chǎn)物填補(bǔ)孔隙,因此淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土位置處的水泥攪拌樁無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最低;盡管粉質(zhì)黏土、粉土的天然含水率、天然孔隙比相差較小,但是粉質(zhì)黏土為黏性土且內(nèi)部多為裂隙狀構(gòu)造、絮狀結(jié)構(gòu),導(dǎo)致其內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(dǎo)致水泥在水解反應(yīng)過程中能夠以砂粒作為骨架,以膠結(jié)性水化產(chǎn)物填補(bǔ)孔隙,并且砂粒的骨架作用要優(yōu)于黏粒,因此粉土位置處的水泥攪拌樁無側(cè)限抗壓強(qiáng)度要高于粉質(zhì)黏土;粉質(zhì)黏土夾粉土介于粉質(zhì)黏土、粉土之間,因此粉質(zhì)黏土夾粉土位置處的水泥攪拌樁無側(cè)限抗壓強(qiáng)度要高于粉質(zhì)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(cè)限抗壓強(qiáng)度明顯異常,導(dǎo)致這一結(jié)果的原因如下:6#水泥攪拌樁水泥攪拌均勻程度不足,導(dǎo)致其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度普遍偏低。

(2)標(biāo)貫擊數(shù)、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系分析結(jié)果。

通過對水泥攪拌樁標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)數(shù)據(jù)、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析及統(tǒng)計(jì),可以得到如下結(jié)論:①水泥攪拌樁標(biāo)貫擊數(shù)、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度之間呈正相關(guān)關(guān)系,即無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著標(biāo)貫擊數(shù)的增加而增加。②對水泥攪拌樁標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)數(shù)據(jù)、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,可以計(jì)算出標(biāo)貫擊數(shù)、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系散點(diǎn)圖的線性系數(shù)為0.024～0.077,具體線性系數(shù)與航道整治工程土層分布及土質(zhì)特性相關(guān),由小到大依次為粉質(zhì)黏土夾粉土、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉土。

(3)標(biāo)貫擊數(shù)、齡期關(guān)系分析結(jié)果

為了分析不同齡期下水泥攪拌樁標(biāo)貫擊數(shù)的關(guān)系繪制曲線,見圖3,圖中各項(xiàng)數(shù)值均為剔除異常值后的平均數(shù)值。

圖3 不同齡期水泥攪拌樁標(biāo)貫擊數(shù)關(guān)系圖

通過圖3,可以得到如下試驗(yàn)結(jié)果:不同齡期水泥攪拌樁的標(biāo)貫擊數(shù)關(guān)系不同,7 d、28 d基本呈線性關(guān)系,7 d、90 d呈二次函數(shù)關(guān)系。這是因?yàn)椴煌g期下,水泥的水解反應(yīng)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(jié) 論

(1)輕便觸探法、載荷試驗(yàn)法、樁身取芯法、開挖檢查法為現(xiàn)階段應(yīng)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(biāo)貫次數(shù)、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與打入土層深度均呈現(xiàn)為先減少后增加的關(guān)系,水泥攪拌樁無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與航道整治工程土層分布及土質(zhì)特性關(guān)系由小到大依次為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)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(cè)限抗壓強(qiáng)度。

(4)水泥攪拌樁標(biāo)貫擊數(shù)、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度之間呈正相關(guān)關(guān)系,標(biāo)貫擊數(shù)、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系散點(diǎn)圖線性系數(shù)與航道整治工程土層分布及土質(zhì)特性相關(guān)由小到大依次為粉質(zhì)黏土夾粉土,粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土,粉土。

(5)不同齡期水泥攪拌樁的標(biāo)貫擊數(shù)關(guān)系不同,前期基本呈線性關(guān)系,后期呈二次函數(shù)關(guān)系。