陆上四轴深层水泥搅拌桩机研制及施工关键技术.pdf
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1、基于围海填地陆上深层水泥搅拌桩的工程实践,本文对陆上四轴DCM桩的施工设备和施工关键技术进行了系统研究和总结。以香港机场第三跑道填海工程为依托,对陆上四轴DCM桩机的动力头、钻杆和钻头等进行了改进,开发了DCM智能施工控制系统。结合海上四轴DCM桩的施工经验,对复杂地质条件下的水泥掺量、叶片切割次数、“一喷一搅”施工工艺、桩底标高的确定、障碍物桩认定标准等成套施工关键技术进行了研究,其中根据设计桩长和油压值大小确定桩底标高的双指标控制方法,很好解决了地层起伏造成的DCM桩长不够的情况。文中对成桩后的验收标准进行了介绍,并对成桩质量进行了分析,指出桩底、桩顶和软硬地层交界面是薄弱部位,并提出改进
2、意见。实践证明,上述设备和施工工艺可有效提高围海填地的地基加固效果,提高成桩质量及施工工效,可为类似工程提供借鉴和技术参考。关键词:四轴深层水泥搅拌桩;动力头;智能施工控制系统;水泥掺量;叶片切割次数;“W”施工曲线中图分类号:TU73Development of land four-shaft deep cement mixing rig and文献标识码:Akey construction technology文章编号:2 0 9 6-7 19 5(2 0 2 3)0 3-0 2 38-10ZHENG Shao-he,CHEN Yue,ZHOU Xiao-ke(Shanghai Qiang
3、jin Foundation Engineering Co.,Ltd.,Shanghai 201806,China)Abstract:Based on the engineering practice of land deep cement mixing(DCM)piles of land reclamation,theconstruction equipment and key construction technologies of land four-shaft DCM piles were systematically studied andsummarized in this wor
4、k.Relying on the reclamation project of the third runway of Hong Kong Airport,the dynamic head,drilling rod and bit of the land four-shaft DCM pile driver have been improved,and the DCM intelligent constructioncontrol system has been developed.Combined with the construction experience of marine DCM
5、piles,the relevant keytechnologies for complete construction were studied,including the cement dosage,blade cutting number,one jet groutingand one mixing construction technology,determination of toe level,and identification standard of obstruction DCM clusterunder complex geological conditions.Among
6、 them,the double index control method of determining DCM toe levelaccording to the design pile length and oil pressure value can well solve the problem that DCM pile length is not enoughdue to stratum fluctuation.The acceptance criteria of DCM piles is introduced and the quality is also analyzed.It
7、is pointedout that the pile bottom,pile top and the interface between soft and hard strata are weak areas,and suggestions forimprovement are put forward.Practice has proved that the above equipment and construction technologies can effectivelyimprove the foundation reinforcement effect of reclaimed
8、land,improve the pile quality and construction efficiency,andprovide technical reference for similar projects.Key words:land four-shaft deep cement mixing;dynamic head;intelligent construction control system for DCMconstruction;cement dosage;blade rotation number;W construction curve收稿日期:2 0 2 2-0 5
9、-0 9作者简介:郑少河(19 7 2 一),男,河北唐山人,博士,高级工程师,国家注册土木工程师(岩土),主要从事软土地基处理领域的设计与施工工作。E-mail:geo_。第3期0 引 言深层水泥搅拌桩技术(DeepCementMixing)简称DCM技术,是一种通过专业设备将水泥等固化材料与地基土原位强制搅拌混合,利用化学固结作用在地基中形成坚固桩体的地基处理技术。由于其具有强度高、结构物不易沉降、弃土少、对周围环境影响少等优点而被广泛应用。在港口建设、海上机场和人工岛屿等围海造地的地基处理工程中,四轴DCM技术较早应用于海上施工。日本学者KITAZUME等2 对设计、施工、检测等方面进行
10、了综合介绍,但对具体施工过程与关键技术缺乏深入分析。刘亚平3 对水泥土配合比、地基隆起、桩端硬土层施工工艺、冷缝处理等几个技术问题进行了分析。徐超等4、贺迎喜等5 通过室内配合比试验研究水泥土强度影响因素,并对比现场工艺试桩桩体检测结果。刘志军等6 针对香港机场项目海上DCM施工技术进行了研究。夏可强等7 对海上四轴DCM桩的钻头结构及施工工艺进行了分析总结。此外,不少学者在海上DCM复合地基承载特性、破坏机理、水泥土强度增长机理、试验检测等方面开展研究8-10 。目前关于四轴DCM技术的研究主要集中在海上施工,由于陆上四轴DCM施工与海上施工在施工环境、设备要求、施工工艺等方面有很大区别,但
11、针对陆上四轴DCM施工的研究相对较少,因此基于海上四轴DCM技术在香港机场第三跑道项目和香港综合废物处理设施项目成功应用的经验,香港机场三跑项目陆域形成后,通过对施工设备、施项目砾石最小值0最大值18平均值32陆上四轴DCM桩机陆上四轴DCM桩机主要包括动力头、钻杆钻头、桩架以及智能施工控制系统四部分组成。4根钻杆正方形布置,单轴搅拌叶片直径为130 0 mm,搭接300mm,主要加固型式为单桩或桩墙型式,见图1。郑少河,等:陆上四轴深层水泥搅拌桩机研制及施工关键技术表1海相淤泥的物理力学特性Table 1 Physical and mechanical properties of marin
12、e deposit土颗粒级配/%砂粒粉粒21826681543239工工艺以及相关检测手段等方面进行系统改造与研发,在后期地基处理中采用陆上四轴DCM技术。本文以香港机场第三跑道填海工程32 0 6 标段为例,介绍了陆上四轴DCM技术在复杂地质条件下的应用,并对其施工关键技术进行总结分析。1工程概况香港国际机场第三跑道位于香港现有机场北侧,香港口岸人工岛项目西北侧11。第三跑道填海项目填海面积约6 5 0 万m,回填工程量约9 5 0 0 m。主要工作内容包括陆域形成、陆域外侧海堤修筑以及地基处理等。地基处理工程主要包括水上塑料排水板、水上深层水泥搅拌桩、陆上深层水泥搅拌桩、高压旋喷桩和振冲密
13、实等工艺,其中陆上DCM桩累计约6 45 0 0 根,合计方量约48 5 万m3。施工区域原始海床面标高为-7.1-3.5 mPD,按设计要求在海床上铺设厚2.0 m砂垫层后,上覆吹填砂或回填公共填料至+3.0 mPD,作为施工作业面。陆上四轴DCM桩为正方形布置,间距4.8 m,最深入土深度35 m,有效桩长15 2 8 m。陆上DCM桩分布在跑道区、航站楼及南部功能区等大部分陆域形成区域,主要加固对象为海相沉积淤泥层(MD层),其物理力学参数见表1。部分加固区域为污染泥料弃置坑(CMP),组成成分极为复杂。上覆填料为吹填砂和公共填料。吹填施工作业以及公共填料的复杂成分,造成部分施工区域地下
14、有废旧轮胎、钢丝绳、块石等障碍物,尤其是污染泥料弃置坑(CMP)区域,地下障碍物众多,对DCM桩施工安全和施工质量造成严重影响。天然含水量孔隙比液限oL/%塑限p/%黏粒215638干密度w/%e4932634357362.1DCM动力头四轴DCM动力头配置4台独立电机,根据地质情况及桩长不同,每个动力头配置的电机功率不等。以配置4132 kW电机的动力头为例,技术参数见表2。2.2钻杆与钻头每组动力头配有1根中心杆和4根钻杆,如图pa/(g:cm3)461.26932.94652.340.861.351.122402所示。3000002300图1四轴DCM典型平面布置图Fig.1 Typic
15、al layout of land DCM表2 动力头技术参数Table 2Technological parameters of dynamic head电机轴直径/轴间距功率/数mm4x41 300地基处理2种桩架。步履式桩架采用JB180、JB2 2 0 和JB280单位:mm2.0003000082mm1 0002023年5 月这3种型号,见图4。履带式桩架主要采用DH758-170M、D H 7 6 8-17 0 M、D H 8 6 8-2 30 M 等型号,履带式桩架通常带钢板行走。桩架高度根据设计桩长确定。0092.300单轴扭矩/转速/重量/(kNm)(r:min-l)kw4x
16、132中心杆上喷浆口搅拌轴t61.504532下喷浆口6-0-0-0底层搅拌叶片图3带上下喷浆口的4轴钻头Fig.3 Four-shaft drill bit with upper and lower slurry nozzle图2 四轴动力头Fig.2Dynamic head of four-shaft DCM plant在中心杆和钻杆上合计设有8 个喷浆口。中心杆底部设置4个上喷浆口,每根钻杆底部有设置下喷浆口,共计4个下喷浆口。钻杆上提时上喷浆口喷浆或喷水,下钻时下喷浆口喷浆加固土体,如图3所示。喷浆口直径为6 5 mm,上下喷浆口间距为3.6m。喷浆口制作成单向阀进行封闭处理,单向阀由
17、钢压板、加衬板、橡胶板组成。为适用于不同土质下喷浆控制和负压保护,可采用对开式或整体式单向阀结构。钻杆规格为299x30mm,钻杆心对心间距为1.0m。单个钻头长36 0 0 mm,叶片直径130 0 mm。钻杆和钻头材质均为16 Mn。搅拌叶片15 片,中心杆规格为406x25mm。钻杆长度依据施工桩长拼接确定。按40 m钻杆长度计算,钻杆和中心杆总重约 6 2 t。2.3桩架海上DCM桩施工,动力头挂在固定于A字架的钢结构桁架上。陆上DCM桩施工参考了目前常用的桩架。根据设计桩长不同,主要采用步履式和履带式图4步履式陆上四轴DCM桩机Fig.4 Land four-shaft DCM pl
18、ant with walker pilling frame2.4陆上DCM智能施工控制系统DCM桩施工是通过“DCM智能施工控制系统”来实施的。该系统有施工控制、信号数据采集、数据分析汇总及备份、施工管理等各种功能。在DCM成桩过程中,可实时监测和显示的内容如下:(1)D C M 桩的编号;(2)桩的设计顶标高、设计底标高和实时钻进标高;(3)桩的设计坐标、实际坐标;(4)钻进和提升时,钻头的旋转速度,rev/min;(5)钻头的钻进和提升速率,m/min;(6)单根实时注浆速率,L/min;(7)单根实时总注浆量,m;第3期(8)动力头电机运行的电流值,A;(9)钻头正反转状态显示;(10)
19、注水/注浆喷浆口状态显示。3陆上四轴DCM施工关键技术郑少河,等:陆上四轴深层水泥搅拌桩机研制及施工关键技术241异,所采用的水泥掺量汇总见表3和表4。3.1水泥掺量确定大面积施工的水泥掺量和水灰比是通过室内试验和现场试桩确定的。施工前现场取土样进行室内试验,确定初步掺量和水灰比。在此基础上进行现场试桩,取芯复核无侧限抗压强度UCS是否满足设计要求,最后确定大面积施工时的技术参数5 。(1)室内试验方法室内试样的制作对确定合适的水泥掺量和水灰比非常重要,其中试样搅拌的均匀性和制作的密实性是核心步骤,见图5。实践表明,高度10 cm、直径5 cm的试样,制成后的比重控制在1.6 0 0.0 1标
20、准是合适的。确定搅拌桩水泥掺量的室内试验具体步骤如下:a)检测土样含水量;b)根据设计配合比,称量海水、土样、水泥;c)将海水与水泥混合5 min,制备水泥浆;d)将制备的水泥浆倒入按设计确定的一定重量的土样中,机械搅拌5 min,然后根据土壤条件手动搅拌5 12 min,并进一步机械搅拌5 min;e)将制备好的水泥土样放入EP模具中,并将EP模具固定在振动台上;f)水泥土样分3层放入EP模具中,每层振动100次,总共振动30 0 次;g)制备完成后,在模具中分别称量每个试样,试样与所有试样的平均重量不应相差0.0 2 g/cm3;h)密封试样以防止水分损失,并将试样放入温度在2 0 5 0
21、 之间、相对湿度至少为9 5%的环境室内;i)养护2 8 d后进行无侧限抗压强度试验,以确定满足设计强度的水泥掺量和水灰比组合。(2)现场试桩根据室内试验结果进行现场试桩试验,验证大面积施工的水泥掺量和水灰比。香港机场三跑填海项目陆上DCM桩施工使用了普通硅酸盐水泥(O PC)和矿粉水泥(PBFC)两类固化剂,其中矿粉水泥配比为5 2.5 水泥:S95矿粉=5 8:42,水灰比采用0.9 1.0,水泥品牌以海螺和华润为主。综合地基处理效果及材料费用,矿粉水泥比OPC水泥在性价比上更具优势。各施工区域的强度要求不同,地质情况也有差(a)水泥土搅拌(b)振动台图5 水泥土搅拌与试块制作Fig.5
22、Soil-cement mixing and sample making表3普通硅酸盐水泥(OPC)掺量汇总Table 3 Cement dosage using OPC施工区域水泥规格UCS/MPa水泥掺量/(kgm-3)A区CEMI52.5C4/C5/C7 区CEMI52.5PMI1062CEMI52.5表4矿粉水泥(PBFC)掺量汇总Table 4 Cement dosage using PBFC施工区域水泥规格UCS/MPa水泥掺量/(kg:m-3)A区CEMIII52.5LC4/C5/CEMIII52.5LC7区PMI062CEMIII52.5L3.2P叶片切割次数影响DCM桩施工质
23、量的关键参数除了被加固土体性质、固化剂种类与掺量、水灰比等工艺参数外,被加固土体的搅拌均匀程度尤为重要。而搅拌的均匀程度可以通过每米土体切割搅拌次数BRN(Bla d e R o t a t io n Nu m b e r)定量表达。BRN是一个综合性的工艺参数,体现了处理机贯入速度、提升1.41.21.2/1.41.4180(桩顶标高以下1.21.0m范围内的水泥掺量是2 0 0 kg/m3)1.4220260260260220242速度、搅拌轴转速的相关关系,是陆上DCM施工的一项重要控制指标。依据欧洲标准EN14679:2 0 0 5 对BRN(叶片切割次数)的定义,DCM施工时叶片切割
24、次数为“钻杆竖向运动1.0 m内(包含下钻+提升),所有达到桩直径大小的叶片对土体切割的总次数”,BRN计算公式为:BRN-M(N:+Y)式中:BRN为叶片切割次数,r/m;Z M B为钻头上总的叶片个数;Na为钻头在下钻过程中的转速,r/m;V a 为钻头下钻速度,m/min;Nu 为钻头在上提过程中的转速,r/min;Vu 为钻头上提速度,m/min。香港机场三跑填海项目陆上DCM的叶片切割次数(BRN)标准为每米叶片切割次数(BRN)不小于450次,桩上部及下部各8.0 m范围不小于9 0 0 次;桩长小于8.0 m的桩体,全桩切割次数不小于9 0 0 次。由于采用下钻不喷浆提升喷浆的施
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