勾拌法密封墙施工的力学分析

汤连生，卢 威，曹一飞，于海涛(.中山大学地球科学与工程学院，广东 广州 50275；2.广东省地质过程与矿产资源探查重点实验室，广东 广州 50275；. 广东省建筑科学研究院集团股份有限公司，广东 广州 50000)

地下密封墙是真空预压法处理软土地基施工过程中一种常用的密封手段[1～2]，常用的密封墙施工方法有以下几种[3～4]：灌浆法、高压喷射注浆法、深层搅拌桩法、粉体喷射搅拌法、淤泥搅拌法等。这些方法可以满足一般软弱土地层情况的真空预压的需要，但在一些特殊的地层条件下(如开山石填土)，采用这些方法就可能达不到理想的密封效果。

就特殊地层情况下的密封墙施工技术，前人已做了相应研究，研发了一些相应的密封墙施工方法，如蔡南树等[5]提出了一种满足抛石地基密封墙施工的高压旋喷桩密封技术；罗志光等[6]提出了针对砂层较厚时的密封套墙施工技术；李军等[7]、岳建文[8]提出了大面积真空预压时边界密封技术；还有学者[9]提出人工插塑结合黏土密封墙施工工艺等。对于地下土层为淤泥质土层或不均匀土层，特别是含大量巨大石块的极不均匀填土，已有密封墙施工方法均不能有效施工，针对此问题，汤连生[10]发明了勾拌法软基处理施工工艺(以下简称“勾拌法”)。

勾拌法发明已公开，但专利对工法的细节和原理并未详细阐述。鉴于其特殊工效，本文系统地分析了施工过程及原理，希望可供今后类似工程借鉴。

1 勾拌法工法

1.1 基本原理

在真空预压场区土层为淤泥质、不均匀土层，特别是含大量巨大石块的极不均匀土层时，常用的密封墙施工方法都无法施工或不能经济快速有效地施工，其主要问题是：使用灌浆法施工，土层中石块会增加灌浆孔打设的难度，灌浆也难以均匀的形成密封墙；高压喷射注浆法因喷射流可能受到石块阻碍，不能形成完整的密封墙；深层搅拌桩法因存在巨大石块而达不到密封的目的；粉体喷射搅拌桩法施工时，石块会阻挡和削弱粉体的喷射和搅拌，也形成不了完整的密封墙。与之相比，勾拌法在此种情况下能够有效地解决上述问题。

勾拌法施工时，在密封墙开挖范围内加入计算好配比的水泥、泥粉和水，利用反铲挖掘机不停挖掘勾拌，一边沿竖直方向开挖一边勾拌，直至设计深度，形成完整的密封墙。对于存在含大量巨大石块如开山土的情况，挖掘机可以先将较大的石块挖出，较小的石块就不能阻挡挖掘机的勾拌。在挖出较大的石块后，倒入定量的水泥、泥粉和水，然后不断挖掘和勾拌。勾拌过程中，水泥和泥粉会填充软土中的孔隙，使得真空预压场区内部和外部的水力联系被切断，形成具有良好密封效果的密封墙。

水、土、泥粉或砂及水泥配合比由配合比计算公式计算确定。

水∶泥粉∶水泥∶土的配比公式为：

[ω0γwγde0/(ω0γd+γw)(1+e0)γw]∶[γwγde0k0/(ω0γd+γw)(1+e0)(k0+1)γd]∶[γwγde0/(ω0γd+γw)(1+e0)(k0+1)γd]∶1

(1)

式中：γw——水的比重；

e0——土的初始孔隙比；

γd——灰的干重度；

ω0——泥浆的含水量，0<ω0<1；

k0——泥粉和水泥的配比经验系数，0

ω0和k0与设计承载力、设计渗透系数以及土质有关，可由试验测得或由现场施工经验确定。

勾拌法能够快速有效且经济地施工密封墙的原理主要有三点：

(1)在反铲挖掘机开挖软弱土及勾拌的过程中，土层侧壁土压力虽有所释放，但是泥浆首先发挥了护壁作用[1～12]，同时勾拌后的泥浆与铲碎了的原土体混合呈饱和状态，由此达到土压力的动态平衡，维持直立开挖壁面的稳定而不至于坍塌；

(2)对于砂层、碎石层、砾石层这类软弱地层，在反铲挖掘机开挖和勾拌的同时倾倒水泥和泥粉并注水，三者混合形成的泥浆将由上往下流动，并与原土体混合均匀，原土体中的孔洞和裂隙被泥浆填充，使得原土体中的水力联系被阻断，起到止水防渗的作用；

(3)施工完成后，土体中的泥粉、水泥以及土颗粒发生水解和水化反应、碳酸化作用、凝硬反应，形成密封墙。

1.2 施工工艺与步骤

勾拌法适用地层范围比较广，如砂土层、淤泥质土层、尤其是普通施工方法无法实施的含大量巨大石块的极不均匀土层，该法具有极佳施工效果。工法施工设备简图如图1。

图1 勾拌机设备简图Fig.1 Schematicd diagram of the equipment of the grab1—勾拌机主体；2—勾拌臂；3—勾拌斗

经过多年的实践，勾拌法步骤总结如下：

(1)依据设计要求，编制勾拌法施工方案，做好现场平面布置，清理场地，进行现场施工放线，定出勾机绕场地四周行进的路线。

(2)根据土层物理力学性质指标，算出泥浆最佳水、灰、土配合比，其中灰由泥粉和水泥组成。

(3)勾拌机先开挖一定长度和宽度，小于临界安全深度的预备浅坑(深0.5 m、长3～4 m、宽近1 m的浅沟)。

(4)灌倒泥浆：一边倒泥粉及水泥，一边灌水。挖掘机勾拌泥粉、水泥和水形成设计配合比的泥浆；勾拌过程中应按式(1)计算的配比定量加入水、泥粉、水泥，使土、灰混合达到饱和状态。

(5)挖掘机沿竖直方向开挖软弱土的同时，继续倾倒泥粉、水泥及灌水，并勾拌泥浆；随着勾拌深度加大，大致按照上述配比不断加入泥粉和水泥，直至需处理软土深度。

勾拌法施工过程中，如何保证开挖槽壁的稳定性是成功施工的重中之重，因此本文着重对勾拌法开挖槽壁的稳定性进行分析。

2 勾拌法开挖槽壁整体稳定性分析

勾拌法施工时，需要加入水泥、泥粉和水，然后与原位开挖的软土搅拌，形成泥浆。依据室内试验以及工程经验，确定加入的泥粉和水泥的比例为10∶1，这样的比例既可以保证泥粉和水泥混合成灰的强度，同时又节省材料。泥粉和水泥混合成灰，与加入的水混合至刚好饱和，但不可过饱和，否则水灰混合后会呈流态，不利于密封土中的孔隙。水灰混合后倒入开挖的坑槽中与原位软土混合搅拌，水灰混合物会填充软土中的孔隙，使得原土体中的水力联系被阻断，起到止水防渗的作用。所以，水灰混合物的用量应当是大于或者等于开挖土体中孔隙的体积，故得到下式：

Vm∶V=n

(2)

或

Vm=n·V

(3)

式中：Vm——水灰混合物体积；

V——开挖土体的体积；

n——土体的孔隙度。

实际工程中，泥浆的体积与开挖土体的体积之比大于等于n。

勾拌法施工密封墙时，利用泥浆的护壁作用来保持开挖槽壁的稳定性，下面就三种不同破坏情况推导槽壁的稳定系数的计算公式，为勾拌法安全有效施工提供指导。

假定槽壁破坏模型为具有倾斜滑动面的半圆柱体(图2)[13]，滑动面与水平面成α角，半圆开口朝向泥浆槽，开口宽度为L，半圆顶点到泥浆槽壁的距离为L/2。

按倾斜滑动面与地下水面和地面的不同组合关系，可将上述模型细分为三种情况(图2)。

图2 破坏体几何模型Fig.2 Geometric model of breakage

2.1 情况一：倾斜滑动面上沿低于地下水位

当倾斜滑动面未及地下水面时(图2)，破坏体受力分析如图3所示。其中，自重应力为W，破坏体范围内的地面荷载为P，槽内护壁泥浆压力为Pm，地下水压力为Pw，侧面黏聚力为Pf，滑动面上的抗剪力为Ps，以及滑动面法向反力为N。槽深为h，泥浆液面高hm，地下水位高hw。

图3 破坏体受力分析图Fig.3 Mechanical analyses of breakage

2.1.1破坏体自重W

由图中几何关系可得，破坏体自重W为：

(4)

式中：h——破坏体高度/m；

γ——地基土的重度/(kN·m-3)。

2.1.2地下水压力Pw

(5)

2.1.3泥浆作用力Pm

泥浆对槽壁的护壁作用不仅只有静态液压作用，还因为泥浆是具有结构的塑性流体(宾汉流体)，故泥浆的流变性也会对槽壁的稳定产生影响[14～15]，也应综合考虑。

根据Bishop(1952)推算出的分析结果[16]，泥浆微元体水平应力σx为：

σx=γmy+(π/2+y/b)τd

(6)

则单位长水平抗力为：

(7)

式中：γm——泥浆重度。

在长度为L的槽壁面上，护壁泥浆作用力的合力为：

(8)

2.1.4侧面黏聚力Pf

将破坏体侧面沿Y轴方向投影，用投影面积计算侧面黏聚力，如图4 所示。

图4 黏聚力作用示意图Fig. 4 Conventional diagram of cohesive strength

黏聚力的作用面积为：

(9)

侧面黏聚力合力为：

(10)

式中：c——土的黏聚力/kPa。

2.1.5滑动面法向反力N

由滑动面法线方向的力平衡方程可得：

N=(W+P)cosα+(Pm-Pw)sinα

(11)

2.1.6滑动面抗剪力Ps

Ps等于滑动面摩擦力与黏聚力之和，即：

Ps=Ntanφ+Acc

(12)

将N、Ac代入式(10)得：

(13)

2.1.7总方程式

将以上各力投影到滑动面，得到极限状态下的力平衡方程：

(W+P)sinα=(Pm-Pw)cosα+Ps+Pf

(14)

将以上各力表达式代入上式，展开得：

(15)

2.1.8稳定系数k

将滑动面上阻止土体下滑的压力Fp与促使土体下滑的力Fa之比定义为稳定系数k。

(16)

将式(4) 、(5) 、(8) 、(10) 、(13)代入式(16)即得：

(17)

2.2 情况二：倾斜滑动面上沿高于地下水位、低于地面

当倾斜滑动面高于地下水面而未及地面时(图2)，破坏体受力分析如图5所示。图中各字母含义同图3。对其进行受力分析。

图5 破坏体受力分析图Fig. 5 Mechanical analyses of breakage

2.2.1破坏体自重

图6 任意高度z处的水平截面Fig.6 Horizontal cross-section at aleatoric height z

坍体浸在地下水中的体积Vw则为：

=L3tanαfw

(18)

其中，θw=arcsin[2hw/(Ltanα)]，

fw=FV(θw)=

因此，当2hw

W=γ(V-Vw)+(γ-γw)Vw

(19)

2.2.2总方程式

将以上各表达式代入式(14)，展开得：

(20)

2.2.3稳定系数k

将式(19)、(5)、(8)、(10)和(13)代入式(16)即得：

(21)

2.3 情况三：倾斜滑动面伸出至地面

当倾斜滑动面伸出至地面时(图2)，破坏体受力分析见图7。图中字母含义同图3。

图7 破坏体受力分析图Fig. 7 Mechanical analyses of breakage

2.3.1破坏体自重

图8 任意高度z处的水平截面Fig. 8 Horizontal cross-section at aleatoric height z

推导过程如2.1.1节，坍体总体积V可类似地导出：

(22)

因此，坍体自重为：

W=γ(V-Vw)+(γ-γw)Vw

(23)

2.3.2侧面黏聚力Pf

(24)

2.3.3滑动面抗剪力Ps

求滑动面面积Ac：

(25)

将N、Ac代入式(18)得：

(26)

2.3.4总方程式

将以上各力表达式代入式(11)，展开得：

(27)

2.3.5稳定系数k

将式(23)、(5)、(8)、(24)和(26)代入式(16)即得：

(28)

2.4 综合分析

式(17)、(21)、(28)为三种不同倾斜滑动面情况下槽壁稳定稳定系数k的计算公式。从中可以看出，槽壁稳定稳定系数与L、hm、hw、α、γm、φ等参数有关，其中，泥浆液面高hm、地下水位高hw、泥浆重度γm、土体内摩擦角φ可由施工前的勘察资料和设计资料得到，滑动面与水平面角度α和破坏体开口宽度L可由槽壁出现的破坏体得到。

在实际施工过程中，如果开挖槽壁出现破坏，可根据滑动面的情况，选择相应的槽壁稳定系数计算公式。然后根据保持槽壁稳定的安全系数，代入破坏体参数α、L和开挖槽壁参数hm、hw、φ，计算出所需的泥浆重度γm，通过调节施工过程中的泥浆重度，使得勾拌法施工可以安全有效地进行。

3 工程实例分析

勾拌法的发明源自于澳门国际机场南停机坪扩建二期工程项目。

3.1 工程概况

澳门国际机场南停机坪扩建二期工程区域邻近南海，原来被海水覆盖，后经人工填海成为陆地，填土层厚8 m(局部10 m)，填土时间超过10 a，工程地质条件比较复杂。工程区域下部淤泥土层经过前期人工填海砂石预压已发生早期固结和变形，但土层总体强度较低、压缩性较大， 承载力和变形都不能满足机场建设要求，需进行加固处理。主要地层地质勘查情况如表 1。根据设计要求及工程场地区域实际情况，将全区划分成VP1、VP2、VP3共3个分区进行真空预压处理。

表1 工程区域土层性质Table 1 Soil properties of the engineering area

3.2 勾拌法密封墙

根据工程勘察钻探资料以及实际施工情况，在进行真空预压施工之前需对真空处理区域四周的填土透水层进行密封墙止水。在真空预压法地基处理设计初期，对以开山土为主的填土透水层的密封拟采用深层搅拌桩法结合静压注浆的方法进行密封处理。然而，场地的填土含大量砂石及大石块，施工无法进行，加之工期紧，传统的其他密封墙施工方法在这里均不适用。经现场反复试验和论证，最终确定临海一侧(填土厚度10 m)密封膜采取直接入海岸淤泥以达到止水效果，场地其余边界的密封墙(深度为8 m)则采用现场研发的勾拌法工艺进行施工。

本项目中，勾拌法形成密封墙的材料主要为原位的砂石土和灰(泥粉、水泥)及水，比例为1∶0.15∶0.225，即开挖搅拌形成1 m3的密封墙体需要倾倒0.15 m3的灰和0.225 m3的水(1包泥粉或水泥约合0.025 m3，即40包泥粉或水泥约合为1 m3)。其中，灰由泥粉和水泥组成，泥粉和水泥混合比例是10∶1，即10包泥粉配1包水泥。

采用此方法，最后成功修筑了宽1.2 m深8 m的密封墙。密封墙墙体止水效果达到了本场地真空预压法地基处理密封墙的技术要求。

3.3 真空度效果分析

工程施工过程中三个分区真空度随时间变化见图9。可以看出，VP1区真空度曲线变化较大，是因为中途停泵铺土工布补膜。在重新抽真空后，膜下真空度很快上升，并长时间维持在75 kPa以上。VP2区真空度曲线变化比较平稳，在抽真空两个星期后真空度上升到75 kPa以上，此后一直维持。VP3区真空度曲线变化也较平稳，在抽真空一个星期后真空度上升到75 kPa以上。至于在抽真空32～37 d后真空度偏低，原因是密封膜大面积破损，补好后真空度继续维持在75 kPa以上。

图9 真空度随时间变化图Fig. 9 Vacuum variation with time

三个真空预压区域真空度，加上膜上覆水，整个当量加固荷载达到80 kPa以上，满足了设计要求，工后沉降达到预期值，说明密封墙止水止气的技术参数达到了本场地真空预压法地基处理对密封墙的技术要求。

3.4 经济效益分析

该工程中勾拌法施工反铲挖掘机的效率为60 m/(天·台)，比深层搅拌桩法[17](效率约为20～30 m/(天·台))快近2～3倍，勾拌法施工密封墙的工期比深层搅拌桩法结合静压注浆方法的施工工期缩短近1/2～2/3，且材料费用比原设计的也有所节约。

4 结论

(1)保证勾拌法成功施工密封墙的两个要点为：一是确保施工过程中开挖槽壁的稳定性；二是控制好搅拌泥浆的重度。

(2)通过对三种不同滑动面情况下槽壁稳定性的力学分析，得到了槽壁稳定系数的计算公式。若在勾拌法施工过程中，开挖槽壁出现破坏，则可根据破坏体类型选择对应的计算公式，调控加入的泥浆重度，使得勾拌法能够安全有效地施工。这可以为勾拌法的施工提供科学的指导。

(3)对澳门国际机场南停机坪扩建二期工程真空预压处理过程中的真空度进行分析，采用勾拌法施工的密封墙的场区真空度均达到了设计要求，说明勾拌法施工的密封墙密封性能好，技术可行。

(4)本文提出的勾拌法比设计前期所用深层搅拌桩法结合静压注浆方法的施工工期缩短近1/2～2/3，材料费用比原设计的也有所节约。勾拌法施工密封墙经济效益好，值得推广。

勾拌法具有能在淤泥质、不均匀土层，特别是含大量巨大石块的极不均匀土层真空预压区域有效施工密封墙的优点。但也有两点不足：一是不适用强度太大的土层；二是施工深度不可过深，否则反铲挖掘机勾臂长度达不到且易损坏。