水泥加固海相淤泥室内配比试验与现场工艺试桩(2)

图4室内水泥土强度UCS与养护龄期的关系

针对不同养护龄期之间室内水泥土强度的关系开展分析，由图5可知，4种水泥掺量(220～290 kgm3)下的90 d强度qul90与28 d强度qul28强度比值在1.29～1.55，均值为1.40。由于水泥土强度比值qul90qul28很大程度上取决于土的特性和胶凝材料的掺量，将室内水泥土90 d与28 d强度比值1.40用于本项目室内水泥土90 d强度的预测。

图5室内水泥土强度比qul90qul28与水泥掺量的关系

2.3.3水泥土密度对强度UCS的影响

由图6可知，28 d室内水泥土强度qul28与水泥土的密度存在较好线性关系，qul28随着水泥土密度增大而线性增长。在4种水泥掺量220～290 kgm3下，室内水泥土密度由1 540 kgm3增加到1 820 kgm3时，相应的28 d室内水泥土强度qul由1.15 MPa 提高到3.78 MPa。经物理和化学反应固化后的水泥土密度与原状土密度、水泥掺量及土体上覆压力等因素密切相关，本文初步提出室内水泥土强度qul(MPa)和水泥土密度ρm(kgm3)的函数关系如下：qul=0.008 6ρm-11.87(相关系数R2=0.942 9，相关性好)

图6水泥土强度与密度的关系

2.3.4原状土的性质对UCS的影响

水泥土的强度提高很大程度上依赖于原状土的工程性质，原状土的天然含水率、有机质含量和pH值是影响其强度的重要因素。

原状土的天然含水量对无侧限抗压强度qul的影响如图7所示。28 d室内水泥土的强度(水泥掺量240 kgm3)随原状土天然含水率的增加而大幅度减小，主要原因是原状土天然含水率高，对应的原状土孔隙比较大，掺入水泥后水泥土的含水率仍然较高，且水泥土的密度偏小，导致水泥土强度指标偏低。当原状土含水率从58%增长到86%，水泥土强度由3.18 MPa降低到1.24 MPa。

图7 28 d室内水泥土强度UCS与原状土天然含水量的关系

由图8可知，海相淤泥和室内水泥土的强度qul受原状土的含砂率As(颗粒粒径0.06～2 mm的占比)影响较大，水泥土强度随含砂率As的增加而增大。含砂率6%和15%对应的28 d室内水泥土强度qul(水泥掺量为240 kgm3)分别为1.25～1.45 MPa和3.18 MPa。

图8室内水泥土强度UCS与原状土含砂量的关系

3现场工艺试桩

3.1先进的DCM施工成套装备

通过调研日本、韩国等国多年的海上水泥搅拌桩先进施工装备，本项目首次采用中交四航局自主研发的海上大型专业化的深层搅拌桩施工船舶(简称DCM船)，用于本项目护岸地基的加固，该先进施工装备具有施工效率高、成桩质量好、环保低污染等显著优点，具体设备参数：1)每条DCM船配备3台套DCM钻机(图9)；2)每台DCM钻机由4根钻杆组成(正方形布置)，单根钻杆的单轴成桩直径为1.3 m，相邻单桩的搭接宽度为0.3 m；3)根据本项目区域土性参数，研究确定搅拌叶片采用十字形搅拌翼(叶片式)，叶片偏角为15°(图10)。

图9海上水泥搅拌桩施工船舶

图10十字形搅拌翼(单位：mm)

3.2施工工艺及试桩参数

为了验证水泥固化该地区海相淤泥的可行性，需开展现场搅拌桩工艺性试验。通过调研日本、韩国、新加坡等国应用水泥搅拌桩加固软土的工程实例，结合本项目护岸地基的具体设计要求，分析确定了现场试桩工艺流程及相关工艺参数(图11、表 2)，试桩采用钻头下沉阶段不注浆，在提升阶段注浆。

图11 DCM施工工艺流程

阶段钻杆下沉或提升速率∕(m·min-1)搅拌叶片旋转速度∕(r·min-1)注浆速率∕(L·min-1)每米总搅拌次数BRN搅拌翼结构下沉阶段0.9～1.0280从桩顶起算,深度0～8 m,BRN大于900次;深度8～13.6 m, BRN大于450次5层十字形搅拌翼(即每层两个叶片),搅拌翼偏转角度15°提升阶段0.4～0.～1 000 L∕min(四轴);喷浆压力一般为0.4～0.6 MPa

根据施工范围内海相淤泥的土质差异分析，选取了现场搅拌桩工艺性试验地点，设计确定了搅拌桩总长度为19.6 m，其中位于海相淤泥层桩长13.6 m，下部为冲积土层，为稍密至中密砂土(作为搅拌桩嵌固段)，仅将海相淤泥作为研究对象。本次现场搅拌桩工艺试桩确定的试桩数量为5组(试桩编号SZ01～SZ05)，水泥掺量为240 kgm3，水灰比为0.9。试桩完成后28 d，开展一系列质量检测，主要包括：现场搅拌桩取芯、芯样UCS试验、弹性模量(E50)试验等。

3.3试桩检测结果分析

针对现场试桩SZ03，龄期达到28 d，现场钻取搅拌桩芯样，分别测试28和90 d室内无侧限抗压强度，并测试弹性模量E50。由现场搅拌桩取芯(图12)和强度随深度的分布(图13)可见，桩顶位于深度0.7 m位置(海床面为起算深度)，桩顶以下1.5 m范围内，搅拌桩芯样的含水率偏高，强度偏低，28 d强度为1.26～1.64 MPa，这是因为浅表层原状土含水率高达82%～84%(图14)，含水率高，且浅表层土体上覆压力小，造成浅层桩顶以下1.5 m范围内搅拌桩强度偏低；距离海床面的深度2.3～14.3 m，搅拌桩质量较好，水泥与海相淤泥搅拌均匀，28 d强度达2.18～3.55 MPa，平均值为2.84 MPa，90 d强度达2.57～4.19 MPa，平均值为3.52 MPa，其中90 d强度平均值比28 d强度平均值提升24%。本项目DCM设计强度(28 d龄期)为1.2 MPa，现场工艺试桩抽芯检测结果显示，28 d现场水泥土强度均大于设计强度要求，验证了本次工艺试桩取得成功，并将现场水泥土强度比值(quf90quf28)1.24用于正式DCM施工中90 d现场水泥土强度的预估。

文章来源：《湿法冶金》 网址: http://www.sfyjzz.cn/qikandaodu/2021/0302/426.html