珊瑚礁灰岩地层中水泥土搅拌桩的施工方法
【专利摘要】本发明提供了一种珊瑚礁灰岩地层中水泥土搅拌桩的施工方法，涉及岩土工程设计与施工【技术领域】。针对在珊瑚礁灰岩地层止水帷幕施工中，能否利用三轴搅拌桩机对其进行搅拌施工以及如何采取有效的施工方法使水泥土搅拌桩的施工具有可操作性的问题。施工方法：一、根据珊瑚礁灰岩地层的可搅拌性级值建立可搅拌性分析及评价模型，划分珊瑚礁灰岩地层的可搅拌性级别；二、计算预施工场地内珊瑚礁灰岩地层的可搅拌性级值，判断其对应的可搅拌性级别，选择相应的施工工艺，通过试桩确定施工工艺并验证其成桩质量；三、试桩质量达到设计要求后，按确定的施工工艺进行水泥土搅拌桩的施工。保证水泥土搅拌桩施工的可操作性及施工质量。
【专利说明】珊瑚礁灰岩地层中水泥土搅拌粧的施工方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及岩土工程设计与施工【技术领域】，特别涉及一种珊瑚礁灰岩地质条件下，防渗止水围护体中水泥土搅拌桩的施工方法。
【背景技术】
[0002]在基坑工程中，为保证基坑工程及其周边环境的安全，需要设计与施工止水帷幕，止水帷幕是为了阻止或减少基坑侧壁及基坑底地下水流入基坑而采取的连续止水体。在常规地层条件下，例如在砂土层和单轴抗压强度小于3Mpa的软岩地区，一般采用两轴或三轴搅拌桩机进行止水帷幕的施工。
[0003]由于工程建设的需要，某些工程项目必须在临海复杂地质条件下兴建。临海复杂地质条件是指:典型地层剖面由上至下可概括为三层，如图2所示，上层I以粉砂、中粗砂为主，其上部为杂填土，上层I内含大量珊瑚礁碎屑及珊瑚礁灰岩4，渗透系数大，为10E_3?1E-4 (cm/s);中层2为强风化花岗岩，层厚随基岩面起伏而变化较大，渗透系数较大，为1E-5(cm/s)左右，局部含有大块状的花岗岩孤石；下层3为中风化花岗岩，渗透系数小，可视为弱透水层或隔水层，基岩面起伏较大。
[0004]在上述具有临海复杂地质条件的工程建设场地，上层I地层含大量珊瑚礁碎屑及珊瑚礁灰岩，珊瑚礁灰岩虽然硬度不高，但能否利用常规的三轴搅拌桩机对其进行搅拌施工尚无法准确判断，其次，利用三轴搅拌桩机施工时，如何采取相关措施以避免“抱钻”及搅拌不均等不利于施工的情况发生也有待研究。可见，在临海复杂地质条件下，如何采取有效的施工方法，使得止水帷幕中水泥土搅拌桩的施工具有可操作性，且保证其施工质量是本领域技术人员亟需解决的问题。
【发明内容】
[0005]针对在珊瑚礁灰岩地层的基坑止水帷幕的施工中，能否利用常规的三轴搅拌桩机对其进行搅拌施工尚无法准确判断，以及如何采取有效的施工方法使得止水帷幕中水泥土搅拌桩的施工具有可操作性的问题，本发明的目的是提供一种珊瑚礁灰岩地层中水泥土搅拌桩的施工方法，能够根据珊瑚礁灰岩地层的可搅拌性级别选择相应的高效实用、经济合理的施工工艺，进而保证水泥土搅拌桩施工的可操作性及其施工质量。
[0006]本发明解决其技术问题所采用的珊瑚礁灰岩地层中水泥土搅拌桩的施工方法，步骤如下:
[0007]步骤一:根据所述珊瑚礁灰岩地层的可搅拌性级值建立可搅拌性分析及评价模型，划分所述珊瑚礁灰岩地层的可搅拌性级别；
[0008]步骤二:计算预施工场地内所述珊瑚礁灰岩地层的可搅拌性级值，判断其对应的所述可搅拌性级别，选择相应的施工工艺，通过试桩确定所述施工工艺并验证其成桩质量;
[0009]步骤三:所述试桩质量达到设计要求后，按所述步骤二确定的所述施工工艺进行所述水泥土搅拌桩的施工。
[0010]进一步的，所述步骤一中，所述可搅拌性级别划分为1、I1、II1、IV四个部分，其中，
[0011]第I部分的可搅拌性级别为易搅拌，其对应的可搅拌性级值为O?4 ;
[0012]第II部分的可搅拌性级别为可搅拌，其对应的可搅拌性级值为4?6 ;
[0013]第III部分的可搅拌性级别为难搅拌，其对应的可搅拌性级值为6?8 ;
[0014]第IV部分的可搅拌性级别为不可搅拌，其对应的可搅拌性级值为>8。
[0015]更进一步的，所述步骤一和步骤二中的可搅拌性级值的计算方法如下:
[0016]步骤a、在所述珊瑚礁灰岩地层钻孔取样，通过单轴饱和抗压试验，确定饱和状态下所述珊瑚礁灰岩地层的单轴极限抗压强度值σ。；
[0017]步骤b、将所述步骤a得到的所述单轴极限抗压强度值σ。代入可搅拌性级值方程获得所述珊瑚礁灰岩地层的可搅拌性级值，所述可搅拌性级值方程为:
[0018]Kjb = 0.6073+2.08Ln σ c
[0019]其中，K#为所述珊瑚礁灰岩地层的可搅拌性级值，其为无量纲数值；
[0020]σ。为饱和状态下所述珊瑚礁灰岩地层的单轴极限抗压强度值，单位为Mpa。
[0021]当可搅拌性级别为第I部分时，采用单轴搅拌桩机或双轴搅拌桩机进行所述水泥土搅拌桩的施工。
[0022]当可搅拌级别为第II部分时，采用三轴搅拌桩机进行所述水泥土搅拌桩的施工。
[0023]当可搅拌级别为第III部分或第IV部分时，采用冲孔灌注桩机并依据TRD工法进行所述水泥土桩的的施工。
[0024]优选的，所述步骤二中，所述水泥土搅拌桩采用二次喷水泥浆及二次重复搅拌的施工工艺，控制所述三轴搅拌桩机的钻头钻进搅拌速度小于0.5m/min,并保证注浆压力，直至所述钻头穿过所述珊瑚礁灰岩地层。
[0025]优选的，对所述珊瑚礁灰岩地层进行重复搅拌的提升速度为1.0m/min?2.0m/
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[0026]优选的，当所述水泥浆不能持续注入所述珊瑚礁灰岩地层时，使所述钻头持续工作，并向钻孔内喷入清水直至所述水泥浆恢复注入。
[0027]更优的，在所述水泥土搅拌桩的施工过程中，向所述钻孔内加入水泥浆用量3%?5%的膨润土润滑添加剂。
[0028]本发明的效果在于:
[0029]一、本发明的珊瑚礁灰岩地层中水泥土搅拌桩的施工方法，针对含大量珊瑚礁碎屑及珊瑚礁灰岩地层的工程建设场地，首先根据珊瑚礁灰岩地层的可搅拌性级值建立可搅拌性分析及评价模型，其次，确定预施工场地的珊瑚礁灰岩地层的可搅拌性级别，然后，针对不同的可搅拌性级别，选择相应的施工设备及施工参数，制定经济合理的水泥土搅拌桩施工工艺，施工设备及施工工艺针对性强，避免盲目采用常规设备而导致的“抱钻”以及水泥浆与珊瑚礁灰岩搅拌不均现象的发生；另外，也能够避免设备及人力不必要的消耗，进而保证珊瑚礁灰岩地层中水泥土搅拌桩施工的可操作性及其施工质量。
[0030]二、本发明的珊瑚礁灰岩地层中水泥土搅拌桩的施工方法，根据现场试成桩，以及现场岩土勘察报告中的岩土体室内试验和现场野外原位测试的数据分析，以及饱和状态下珊瑚礁灰岩地层的单轴极限抗压强度，并参考岩体可钻性分级研究，通过数理统计拟合得出可搅拌性级值方程及可搅拌性级别划分标准，能够对不同的珊瑚礁灰岩的单轴极限抗压强度值进行分析，并通过可搅拌性级值反映珊瑚礁灰岩等软岩的可搅拌性特征，可搅拌性级别分级判断方法直观且易于掌握，便于根据不同的地质条件采取相应的施工工艺，有的放矢，既保证施工质量，又提高了施工效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0031]图1为本发明一实施例中珊瑚礁灰岩地层可搅拌性级别的曲线图；
[0032]图2至图4为本发明一实施例中珊瑚礁灰岩地层中水泥土搅拌桩的施工示意图；
[0033]图5为本发明一实施例中水泥土搅拌桩的施工流程图。
【具体实施方式】
[0034]以下结合附图和具体实施例对本发明提出的珊瑚礁灰岩地层中水泥土搅拌桩的施工方法作进一步详细说明。根据下面的说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。以下将由所列举之实施例结合附图，详细说明本发明的技术内容及特征。需另外说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
[0035]实施例一:结合图1至图5说明本发明的珊瑚礁灰岩地层中水泥土搅拌桩的施工方法，本实施例以临海珊瑚礁灰岩地层的工程建设场地为例，具体步骤如下:
[0036]SlOl:根据珊瑚礁灰岩地层的可搅拌性级值建立可搅拌性分析及评价模型，如图1所示，划分珊瑚礁灰岩地层的可搅拌性级别；
[0037]S102:计算预施工工程建设场地内珊瑚礁灰岩地层的可搅拌性级值，判断其对应的可搅拌性级别，选择相应的施工工艺，通过试桩确定水泥土搅拌桩的施工工艺并验证成桩质量，即通过对水泥土搅拌桩桩体全桩长钻孔取芯，检验成桩桩体的长度、均匀性，并通过抗压试验获取试样的单轴抗压强度，以检验桩体强度能否满足设计要求。
[0038]S103:试桩质量满足设计要求后，按照步骤S102确定的施工工艺进行水泥土搅拌桩的施工。
[0039]本发明的珊瑚礁灰岩地层中水泥土搅拌桩的施工方法，针对含大量珊瑚礁碎屑及珊瑚礁灰岩地层的工程建设场地，首先根据珊瑚礁灰岩地层的可搅拌性级值建立可搅拌性分析及评价模型，其次，确定预施工场地的珊瑚礁灰岩地层的可搅拌性级别，然后，针对不同的可搅拌性级别，选择相应的施工设备及施工参数，制定经济合理的水泥土搅拌桩施工工艺，施工设备及施工工艺针对性强，避免盲目采用常规设备而导致的“抱钻”以及水泥浆与珊瑚礁灰岩搅拌不均现象的发生；另外，也能够避免设备及人力不必要的消耗，进而保证珊瑚礁灰岩地层中水泥土搅拌桩施工的可操作性及其施工质量。
[0040]上述步骤SlOl中，根据珊瑚礁灰岩地层的可搅拌性级值，划分珊瑚礁灰岩地层的可搅拌性级别为1、I1、II1、IV四个部分，如图1所示，图中X轴表示饱和状态下珊瑚礁灰岩地层的单轴极限抗压强度值σ。，y轴表示珊瑚礁灰岩的可搅拌性级值；
[0041]其中，第I部分的可搅拌性级别为易搅拌，其对应的可搅拌性级值为O?4 ;
[0042]第II部分的可搅拌性级别为可搅拌，其对应的可搅拌性级值为4?6 ;[0043]第III部分的可搅拌性级别为难搅拌，其对应的可搅拌性级值为6?8 ;
[0044]第IV部分的可搅拌性级别为不可搅拌，其对应的可搅拌性级值为>8。
[0045]进一步的，上述步骤SlOl和S102中的可搅拌性级值是通过如下方法计算得出，具体步骤如下:
[0046]步骤a、在珊瑚礁灰岩地层进行钻孔取样，通过室内单轴饱和抗压试验，确定饱和状态下珊瑚礁灰岩地层的岩芯的单轴极限抗压强度值σ。；单轴极限抗压强度是在单向受压条件下，岩石试件破坏时的极限压应力值，试验得到单轴极限抗压强度值σ。的统计值多在3.5Mpa?9.0Mpa区间，一般情况下，σ。< 5Mpa。
[0047]步骤b、将步骤a得到的单轴极限抗压强度值σ。代入可搅拌性级值方程得出珊瑚礁灰岩地层的可搅拌性级值，上述可搅拌性级值方程为:
[0048]Kjb = 0.6073+2.08Ln σ c
[0049]其中，为珊瑚礁灰岩地层的可搅拌性级值，其为无量纲数值；
[0050]σ。为饱和状态下珊瑚礁灰岩地层的单轴极限抗压强度值，单位为Mpa。
[0051]综上所述，本发明的施工方法根据现场试成桩，以及现场岩土勘察报告中的岩土体室内试验(土体:抗剪强度试验；珊瑚礁灰岩试块:饱和单轴抗压试验)和现场野外原位测试(土体:标贯击数、静力触探试验；珊瑚礁灰岩:标贯试验、原位剪切试验)的数据分析，以及饱和状态下珊瑚礁灰岩地层的单轴极限抗压强度，并参考岩体可钻性分级研究，通过数理统计拟合得出上述可搅拌性级值方程及可搅拌性级别划分标准，能够对不同的珊瑚礁灰岩的单轴极限抗压强度值σ。进行分析，并通过可搅拌性级值反映珊瑚礁灰岩等软岩的可搅拌性特征，可搅拌性级别分级判断方法直观且易于掌握，便于根据不同的地质条件采取相应的施工工艺，有的放矢，既保证施工质量，又提高了施工效率。
[0052]具体来讲，当珊瑚礁灰岩地层可搅拌性级别为第I部分时，采用单轴搅拌桩机或双轴搅拌桩机进行施工。
[0053]当珊瑚礁灰岩地层可搅拌级别为第II部分时，采用三轴搅拌桩机进行施工，三轴搅拌桩机的两轴同向旋转喷浆与珊瑚礁灰岩拌合，中轴逆向高压喷气在孔内与水泥土充分翻搅拌合，而且由于中轴高压喷出的气体在珊瑚礁灰岩地层中逆向翻转，使原来已拌合的土体更加均匀，成桩直径更加有效，加固效果更优。
[0054]当珊瑚礁灰岩地层可搅拌级别为第III部分或第IV部分时，采用冲孔灌注桩机并依据 TRD 工法进行施工。TRD 工法(Trench — Cutting&Re-mixing Deep Wall Method,即混合搅拌壁式地下连续墙施工法)是将满足设计深度的附有切割链条以及刀头的切割箱插入地下，在进行纵向切割横向推进成槽的同时，向地基内部注入水泥浆以达到与原状地基的充分混合搅拌，在地下形成等厚度连续墙的一种施工工艺。
[0055]如图2至图4所示，根据岩土工程勘察报告，本实施例工程建设场地饱和状态下珊瑚礁灰岩地层4的单轴抗压强度均值为6.2Mpa，根据可搅拌性级值方程计算得出珊瑚礁灰岩地层4的可搅拌性级值为4.4，根据上述可搅拌性级别的分级标准，可将其归为第II部分的可搅拌级别，采取相应的施工设备为三轴搅拌桩机5，采取相应的施工参数及施工工艺如下:采用二次喷浆二次复搅方式施工，水泥土搅拌桩6搭接形式为套接一孔法，采用P.042.5普硅硅酸盐水泥，水灰比1.2，水泥掺量为20%，要求28天无侧限抗压强度不小于
0.8MPa。[0056]首先，在施工的前期准备阶段，除了需准备常规三轴搅拌桩施工所需材料及用具，还应在现场配备发电机等供电设备，防止在施工过程中因停电等不确定因素而导致“抱钻”现象的发生，即射浆管被水泥浆凝结；上述步骤S102中，如图3和图4所示，当三轴搅拌桩机5遇珊瑚礁灰岩地层4时,控制三轴搅拌桩机5的钻进搅拌速度小于0.5m/min,放慢钻头速度，并保证注浆压力，直至穿过珊瑚礁灰岩地层4，使水泥浆和珊瑚礁灰岩均匀搅拌。
[0057]为了提高水泥土搅拌桩6的成桩质量及强度，可对存在珊瑚礁灰岩地层4的区域进行一次或多次的重复搅拌，重复搅拌的提升速度一般为1.0m/min?2.0m/min。在桩底部分重复搅拌注浆，提升速度不宜过快，避免出现真空负压、孔壁塌方等现象。
[0058]为保证施工过程的连续性，当水泥浆不能持续注入珊瑚礁灰岩地层4时，需使钻头持续工作，并向钻孔内喷入清水直至水泥浆恢复注入。
[0059]在水泥土搅拌桩6的施工过程中，向钻孔内加入水泥浆用量3 %?5 %的膨润土等润滑性的添加剂，以增强钻进过程中的润滑性，从而减小在珊瑚礁灰岩地层4施工的阻力。需说明的是，本发明的上述施工方法还可应用于其他防渗止水围护体的设计与施工中，并不局限于此。
[0060]为验证本实施例临海珊瑚礁灰岩地层的可搅拌性以及成桩质量能否满足设计要求，经过试成桩，根据对水泥土搅拌桩6钻孔取芯检测，以及对干燥状态及饱和状态下的单轴抗压强度试验结果分析可知:
[0061]1、无论饱和单轴抗压强度还是干燥抗压强度都超过了基坑止水帷幕初始设计值
1.5Mpa，达到了基坑止水帷幕承载力的要求。
[0062]2、同一个基坑止水帷幕不同点位所取得的水泥土桩芯在相同深度范围内无侧限抗压强度差距较小，说明成桩质量稳定。
[0063]3、不同基坑止水帷幕不同点位所取得的水泥土桩芯在相同深度范围内无侧限抗压强度值也非常接近，在小于4m范围内，桩芯饱和强度值较低，小于3Mpa ;在4?15m范围内，桩芯饱和强度值较高，均高于3Mpa。
[0064]4、水泥土桩芯无侧限抗压强度在测试范围内，随埋深增大而增大，分析可知，由于地下水位埋深大于1.5m，并且珊瑚碎屑多孔隙，吸水能力较好，所以桩体上部水泥浆液并未充分发挥水泥强度，而下部土体内水分充足，水泥强度发挥充分。
[0065]5、全桩长钻孔取芯表明，桩体搅拌均匀，桩体完整。
[0066]上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。
【权利要求】
1.珊瑚礁灰岩地层中水泥土搅拌桩的施工方法，步骤如下: 步骤一:根据所述珊瑚礁灰岩地层的可搅拌性级值建立可搅拌性分析及评价模型，划分所述珊瑚礁灰岩地层的可搅拌性级别； 步骤二:计算预施工场地内所述珊瑚礁灰岩地层的可搅拌性级值，判断其对应的所述可搅拌性级别，选择相应的施工工艺，通过试桩确定所述施工工艺并验证其成桩质量； 步骤三:所述试桩质量达到设计要求后，按所述步骤二确定的所述施工工艺进行所述水泥土搅拌桩的施工。
2.根据权利要求1所述的施工方法，其特征在于，所述步骤一中，所述可搅拌性级别划分为1、I1、II1、IV四个部分，其中， 第I部分的可搅拌性级别为易搅拌，其对应的可搅拌性级值为O~4 ; 第II部分的可搅拌性级别为可搅拌，其对应的可搅拌性级值为4~6 ; 第III部分的可搅拌性级别为难搅拌，其对应的可搅拌性级值为6~8 ; 第IV部分的可搅拌性级别为不可搅拌，其对应的可搅拌性级值为>8。
3.根据权利要求1或2 所述的施工方法，其特征在于，所述步骤一和步骤二中的可搅拌性级值的计算方法如下: 步骤a、在所述珊瑚礁灰岩地层钻孔取样，通过单轴饱和抗压试验，确定饱和状态下所述珊瑚礁灰岩地层的单轴极限抗压强度值σ。； 步骤b、将所述步骤a得到的所述单轴极限抗压强度值σ。代入可搅拌性级值方程获得所述珊瑚礁灰岩地层的可搅拌性级值，所述可搅拌性级值方程为:
Kjb = 0.6073+2.08Ln σ c 其中，K#为所述珊瑚礁灰岩地层的可搅拌性级值，其为无量纲数值； σ。为饱和状态下所述珊瑚礁灰岩地层的单轴极限抗压强度值，单位为Mpa。
4.根据权利要求2所述的施工方法，其特征在于，当可搅拌性级别为第I部分时，采用单轴搅拌桩机或双轴搅拌桩机进行所述水泥土搅拌桩的施工。
5.根据权利要求2所述的施工方法，其特征在于，当可搅拌级别为第II部分时，采用三轴搅拌桩机进行所述水泥土搅拌桩的施工。
6.根据权利要求2所述的施工方法，其特征在于，当可搅拌级别为第III部分或第IV部分时，采用冲孔灌注桩机并依据TRD工法进行所述水泥土桩的的施工。
7.根据权利要求5所述的施工方法，其特征在于:所述步骤二中，所述水泥土搅拌桩采用二次喷水泥浆及二次重复搅拌的施工工艺，控制所述三轴搅拌桩机的钻头钻进搅拌速度小于0.5m/min，并保证注浆压力，直至所述钻头穿过所述珊瑚礁灰岩地层。
8.根据权利要求7所述的施工方法，其特征在于:对所述珊瑚礁灰岩地层进行重复搅拌的提升速度为1.0m/min~2.0m/min。
9.根据权利要求7所述的施工方法，其特征在于:当所述水泥浆不能持续注入所述珊瑚礁灰岩地层时，使所述钻头持续工作，并向钻孔内喷入清水直至所述水泥浆恢复注入。
10.根据权利要求9所述的施工方法，其特征在于:在所述水泥土搅拌桩的施工过程中，向所述钻孔内加入水泥浆用量3%~5%的膨润土润滑添加剂。
【文档编号】E02D5/46GK104032736SQ201410289337
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年6月25日 优先权日:2014年6月25日
【发明者】阳吉宝, 任海平, 倪琦, 荆勇, 马林, 潘良鹄, 韩炳辰, 李钊, 谷远朋, 段存俊, 陈建兰, 阳双桂 申请人:上海市建工设计研究院有限公司, 中国人民解放军海军工程设计研究院