工程地质分层对深层搅拌防渗墙质量的影响

张 羽，张志虎，周 梦

(华北水利水电大学，河南 郑州 450045)

深层搅拌防渗墙是利用桩机钻头叶片强制搅拌原土与水泥类浆液形成的具有防渗作用的墙体［1］．防渗墙能有效地加固原位土体，对高渗透性的地下空洞、地下渗漏通道都有很好的填充加固作用，能有效防止堤坝管涌、流土等渗透性破坏，并且能减少水资源流失［2］．与其他形式的防渗墙相比，深层搅拌防渗墙最大限度地利用了原位土，施工效率高，造价低，施工时振动小，无噪音污染，对周边环境影响较小［3］．该防渗墙适用于粉土、粉质黏土、淤泥质土以及砂土层．目前深层搅拌防渗墙在水利工程、基坑支护等工程中得到了广泛的应用［4］．

以往在设计、施工中常把深层搅拌防渗墙视为均质水泥土墙体，但在实际施工过程及试验检测中发现地质土层对深层搅拌防渗墙体的质量有很大的影响，主要体现在不同土质与水泥的反应及土层对施工过程的影响上．由于地层的不均匀性，导致施工控制难度加大，很难保证水泥土防渗墙发挥出最优的防渗效果．

鉴于此，笔者以大同市文瀛湖水库防渗改造工程项目为依托，分析其典型地质分层情况，研究地质分层对深层搅拌防渗墙质量的影响．

1 工程地质条件及施工工艺参数

1．1 工程地质条件

文瀛湖水库位于大同市城东石家寨村北．近年来随着大同市工业的发展，对地下水的开采过度，导致地下水位严重降低，文瀛湖水库渗漏严重，库区已干枯，库区周边地区生态环境较差．为重新发挥文瀛湖对该市生态环境及生活用水的作用，需要对文瀛湖库区进行防渗改造、引水渠改建及环境美化等综合治理．在水库围堤上高渗漏区建造深层搅拌防渗墙能有效地减少渗流损失．

根据地质勘查资料，围堤土层上部为坝体现代人工素填土，其下为第四系全新统(Q4)和上更新统(Q3)冲、洪积堆积的粉土、粉质黏土、砂类土等． 地质分层及物理参数见表1． 由表1 可以看出主要渗漏区为:③层粗砂，厚度0．5 ～6．7 m;⑤层砾砂，厚度1．5 ～5．2 m． 这两层属强透水层． ②层粉土层较薄甚至局部缺失，大部分处于库底以上高程，在围堤下起不到防渗效果，造成库水往下渗漏．④层粉质黏土厚0．5 ～2．3 m，属微透水性，但该层依然较薄甚至局部缺失，防渗效果也不是很好．⑥层粉质黏土厚度较大，防渗效果良好．所以防渗墙要穿过⑤层并进入⑥层一定深度，这样可以截断围堤的强透水层，达到防渗和减少渗流损失、保护水资源的效果．根据设计要求，防渗墙需进入⑥层1．0 m．

表1 地质分层及物理参数

1．2 成墙过程

该工程采用BJS 多头小直径深层搅拌防渗桩机进行施工．作业工序如下:

1)桩机就位并调试，安装水泥浆液制备系统．

2)桩机调平，制浆系统同时拌制水泥浆．

3)启动桩机，使多钻头同时转动并向下钻进，同时开启输浆系统，边搅拌钻进边喷浆直至达到设计深度．

4)反转提升并搅拌喷浆到地面，完成第Ⅰ序墙的施工，桩机向前移动160 mm 施工第Ⅱ序，完成一个单元的施工，如图1 所示．

图1 施工两序成墙平面示意图(单位:mm)

5)主机整机沿预定方向前移800 mm，进行第二个单元墙的施工．两单元起始桩搭接160 mm．重复步骤2—4，如此连续作业，最终形成具有一定强度、稳定性和抗渗性的水泥土防渗墙，如图2 所示．

图2 地质分层及成墙立面图

1．3 施工工艺参数

1)防渗墙施工采用桩径350 mm．单元内及单元间桩搭接160 mm，最小墙厚310 mm，单元长度为960 mm．桩长根据施工位置的地质情况确定． 防渗墙入隔水层1．0 m．

2)根据现场地质条件及抗渗要求，水泥采用P·O42．5级水泥． 水泥掺入比为12%． 水灰比根据围井试验综合比较，采用1．8∶1．0，施工时应根据不同地层的返浆情况，进行调整．

3)根据桩机性能及土层情况，钻进速度保持在0．3 ～1．3 m/min，提升速度0．8 ～1．2 m/min，喷浆速度80 ～100 L/min．

4)桩的垂直度偏差不大于0．2%．

5)桩位偏差在±10 mm 以内．

6)输浆泵工作压力为0．3 ～0．5 MPa．

2 防渗墙墙体的检测与分析

主要采用探坑开挖和钻孔取芯2 种检测手段对该工程防渗墙墙体的外观及内在进行综合质量检测与评定［5－6］．

2．1 开挖检验

施工完的防渗墙达到14 d 龄期后，每隔200 m设置一个开挖探坑．沿防渗墙轴线方向，要求开挖探坑长度不小于3．5 m，深度不小于4．0 m．开挖后测量墙体中桩的垂直度偏差、桩位偏差、桩顶标高，观察桩与桩之间的搭接状态、搅拌的均匀度、渗透水情况、裂缝、缺损等．

开挖后，经检验发现素填土、粉土、砂土层墙体搭接状态良好，水泥与土基本搅拌均匀，粗砂层孔隙率较大，黏土层局部桩径小于设计桩径，水泥含量不足，取块观察发现水泥土内夹杂未能充分搅拌的黏土生块．

2．2 取芯检验

在防渗墙体施工完接近28 d 时，用地质取芯钻机取水泥土芯样．要求沿防渗墙中心轴线每隔50 m进行钻孔取芯，并在不同深度的代表层上切割水泥土芯样，每层至少取1 块芯样．各芯样放室内养护至28 d，做无侧限抗压强度和渗透试验，取得抗压强度、渗透系数、渗透破坏比降和弹性模量等指标［7－8］．对检测结果取均值整理后见表2．

表2 水泥土防渗墙芯样检验结果

为了获取与钻孔取芯的对比数据，用地质取芯钻机在各代表土层钻取土样，在实验室内掺入12%的P·O 42．5 级水泥制成标准试块，养护一定龄期后进行无侧限抗压强度试验［9］，对试验数据取平均值整理后列于表3． 为了更直观地分析各土层水泥土块抗压强度变化趋势，将表3 数据绘制成图3．

表3 各土层不同期龄下水泥土试块抗压强度MPa

图3 各土层水泥土试块抗压强度发展曲线

2．3 检测结果分析

对比表1 与表2 的渗透系数发现，水泥土防渗墙能大幅度降低原状土的渗透性，提高抗渗能力，特别是对于砂类土效果十分明显． 对比表2 与表3 中的28 d 水泥抗压强度，发现取芯与试块强度有明显差别，特别是对粉质黏土层和砂砾层，粉质黏土层芯样28 d抗压强度明显小于室内制作的试块．

钻孔取芯率可直接反映出墙体的均一性和完整性．粉质黏土层取芯率也明显低于其他土层，砂砾层芯样强度明显高于实验室试块强度． 结合施工现场观察，发现素填土和粉土层取出的芯样有局部粉碎;粗砂层和砾砂层取芯率很高，基本能完整取出1 m以上长度的芯样;粉质黏土层取出的芯样完整的较少，甚至有整段原状黏土，表明在黏土层存在断桩的现象，有些芯样内夹杂有黏土块或者纯水泥块，表明该层搅拌不均，水泥与土没能充分拌合与反应．

查找原因时发现，在搅拌桩施工时各土层下钻机提升速度差别很大，钻进及提升困难时可达0．2 m/min，容易时能达到1．5 m/min;输浆泵输浆流量基本是均匀的，在控制提升速度时一般情况下要求与孔口返浆相匹配．湿性粉质黏土层，本身不宜搅拌均匀并且容易钻进和提升，对水泥浆的吸收能力也较低，所以必然造成黏土层水泥含量减少．而砂砾层钻进和提升困难，吸收水泥浆的能力较强，所以水泥含量较大，强度高．表2 中粗砂层芯样的渗透系数明显大于其他土层的芯样，该层钻进、提升速度较快，水泥含量低于标准值，造成孔隙率较大，渗透系数大．

由图3 可知:相同条件下砂类土与水泥反应后，抗压强度提升较快，最终强度也远远高于其他类土;粉质黏土与水泥反应后强度发展周期较长［10］，最终强度能与粉土相当．

深层搅拌防渗墙属于地下隐蔽工程，由于地层的复杂性，质量控制难度较大．施工方往往为了提高施工进度，对施工参数控制不严格．因为地质土层会直接吸收水泥浆并对施工机械产生影响，从而影响工程质量，所以对不同土层施工时要根据土层条件调整施工参数．特别是在黏土层，虽然钻进和提升都比较容易，但更应该用低流量、高转速、慢提速的方法进行施工．对于粉土及易钻进、提升的砂层，只要按照施工参数进行施工，就能满足工程质量的要求．

3 结 语

对不同地质土层条件下深层搅拌防渗墙的试验数据及现场施工过程进行分析，表明由于地质土层的土质、孔隙率、含水量、密度等的不均匀性，深层搅拌防渗墙的强度、抗渗性能等也呈现出不均匀性，从而加大了施工质量控制的难度． 对于不含砾石的砂层，钻头钻进和提升速度快，水泥含量相对减少，

造成渗透系数大．黏性土层吸收水泥浆的能力较差，不易搅拌均匀，施工后很容易造成断桩、夹杂土块及桩径回缩等质量问题．通过研究，建议可以根据不同土层采用不同浆液流量、钻头转速、提升速度进行施工，特别是对黏土层要采用低流量、高转速、慢提速的方法来改善施工质量．

［1］中国建筑科学研究院．JGJ 79—2002 建筑地基处理技术规范［S］．北京:中国建筑工业出版社，2002．

［2］刘尚蔚，赵九洲．淤泥质软土地基处理及渗流稳定分析［J］．华北水利水电学院学报，2012，33(1):115 －118．

［3］何开胜． 水泥土搅拌桩的施工质量问题和解决办法［J］．岩土力学，2003，23(6):778 －781．

［4］张朝温，王炳和，刘书兰． 水泥土防渗墙技术在堤防加固工程中的应用［J］．华北水利水电学院学报，2002，23(2):60 －62．

［5］陈关庆． 水泥土的研究与应用［J］． 灌溉排水，1984，3(2):9 －12．

［6］郑刚．水泥土抗渗性能研究［D］．上海:同济大学，2006．

［7］董邑宁．水泥土强度及渗透特性试验研究［J］．青海大学学报:自然科学版，2000，18(6):13 －16．

［8］周丽萍，申向东．水泥土力学性能的试验研究［J］．硅酸盐通报，2009，28(2):359 －365．

［9］李幻，张玉敏，贾景超，等．时间因素对水泥改性膨胀土压实度影响的试验研究［J］． 华北水利水电学院学报，2013，34(4):07 －09．

［10］阮锦楼，阮波，阳军生，等． 粉质黏土水泥土无侧限抗压强度试验研究［J］． 铁道科学与工程学报，2009，6(3):56 －60．