南海临海地区含珊瑚礁碎屑层止水帷幕体施工处理方法

摘要

本发明涉及一种南海临海地区含珊瑚礁碎屑层止水帷幕体施工处理方法，属于岩土工程设计与施工技术领域，用于解决三轴搅拌桩施工中因珊瑚礁碎屑层渗透系数大、强度高、基岩面起伏大而造成三轴搅拌桩卡钻、抱钻的问题。该处理方法：一、勘察并记录影响珊瑚碎屑层的三轴搅拌桩可搅拌性能的三种主要因素；二、模拟分析三轴搅拌桩卡钻、抱钻的概率，并对拟建场地含珊瑚礁碎屑层的可搅拌性建立风险评判模型；三、根据勘察数据结合风险评判模型确定拟建场地的施工风险等级；四、根据施工风险等级确定相应的处理措施，一级无需处理；二级采用改进的三轴搅拌桩机；三级和四级采用冲孔破碎方式进行预处理；五级采取避开或绕打的规避措施。

权利要求

1.南海临海地区含珊瑚礁碎屑层止水帷幕体施工处理方法，所述止水帷幕体为三轴搅拌桩，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、现场勘察，探明拟建场地内珊瑚礁碎屑的埋深及基岩面起伏变化情况，记录影响所述珊瑚碎屑层的三轴搅拌桩可搅拌性能的三种主要因素,所述三种主要因素包括上覆土层厚度、珊瑚礁碎屑层的厚度以及珊瑚礁碎屑的强度；

步骤二、根据所述步骤一得到的数据，模拟分析所述三轴搅拌桩卡钻、抱钻的概率，并对所述拟建场地含珊瑚礁碎屑层的可搅拌性建立风险评判模型；

步骤三、根据勘察数据结合步骤二所述的风险评判模型确定所述拟建场地的施工风险等级,所述施工风险等级共包括五级：其中，一级的风险发生概率为0～10％；二级的风险发生概率为10～20％；三级的风险发生概率为20～30％；四级的风险发生概率为30～50％；五级的风险发生概率为50～100％；

步骤四、根据所述步骤三的施工风险等级确定处理措施，对于所述施工风险等级为一级的拟建场地无需处理即可进行施工；对于所述施工风险等级为二级的所述拟建场地采用改进的三轴搅拌桩机进行施工；对于所述施工风险等级为三级和四级的所述拟建场地采取冲孔破碎的方式进行预处理后进行施工；对于所述施工风险等级为五级的所述拟建场地，进行风险转移，采取避开或绕打的规避措施施工。

2.如权利要求1所述的南海临海地区含珊瑚礁碎屑层止水帷幕体施工处理方法，其特征在于，所述步骤二包括将所述三种主要因素进行正交组合，得到多种组合形式；并利用PFC3D离散元软件对所述多种组合形式进行数值模拟，得到不同组合形式下所述三轴搅拌桩卡钻、抱钻的概率；以及将所述多种组合形式下的模拟数值进行线性回归得到在所述三种主要因素作用下所述三轴搅拌桩卡钻、抱钻的风险评判模型。

3.如权利要求2所述的南海临海地区含珊瑚礁碎屑层止水帷幕体施工处理方法，其特征在于，利用线性回归得到所述三轴搅拌桩卡钻、抱钻的概率计算公式为：y＝-55.911+

9.211x1+7.200x2+0.825x3，式中y为三轴搅拌桩卡钻、抱钻的概率，0≤y≤100；当y≤0时，取y＝0；当y≥100时，取y＝100；x1为珊瑚礁灰岩厚度、x2为珊瑚礁灰岩强度以及、x3为上覆土层厚度。

说明书

南海临海地区含珊瑚礁碎屑层止水帷幕体施工处理方法

技术领域

[0001] 本发明涉及岩土工程设计与施工技术领域，特别涉及一种南海临海地区含珊瑚礁碎屑层止水帷幕体施工处理方法。

背景技术

[0002] 南海临海地区珊瑚砂分布较广，其具有强度高、渗透性强、基岩面起伏大等特点，极大地影响了该地区基坑工程防渗止水系统的设计与施工。由于珊瑚礁碎屑渗透系数大、强度高、基岩面起伏大等特点，会增加设计施工的难度。此类基坑工程的防渗止水帷幕体，常常采用上部为三轴搅拌桩、下部为高压旋喷桩的垂直向组合型式。对于渗透系数大、强度高、基岩面起伏大的珊瑚礁碎屑层，施工过程中常常会出现三轴搅拌桩卡钻、抱钻等不利情况。出现上述施工难题后，现阶段最常用的就是采用开挖上覆土层以及珊瑚礁碎屑层后再进行回填的常规处理方法。而上述处理方法针对较浅部位的处理效果较好；对于深基坑而言，这在很大程度上会增加施工难度、造成机械设备损坏与人力资源的浪费、延长施工工期、导致施工造价的大幅攀升；对于超深基坑来说，由于三轴搅拌桩桩体长度大于20米，而普通挖机开挖深度一般小于17米，采用上述方法难以解决上述施工难题。因此，如何提供一种南海临海地区含珊瑚礁碎屑地层止水帷幕体施工处理方法，用于解决南海临海地区止水帷幕体施工过程中因珊瑚礁碎屑层渗透系数大、强度高、基岩面起伏大而造成三轴搅拌桩卡钻、抱钻的施工难题，节省工期、节约成本、降低施工难度，是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

发明内容

[0003] 本发明的目的在于提供一种南海临海地区含珊瑚礁碎屑层止水帷幕体施工处理方法，以解决临海含珊瑚礁碎屑层防渗止水帷幕体的施工难题，特别是解决因珊瑚礁碎屑层渗透系数大、强度高、基岩面起伏大而造成三轴搅拌桩卡钻、抱钻。主要是根据对拟建工程场地进行探孔勘察，建立离散元分析预判，对于施工难度较大的场地进行预先处理，对于施工困难的场地则应进行适当地规避，从而节省工期、节约成本。

[0004] 为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

[0005] 南海临海地区含珊瑚礁碎屑层止水帷幕体施工处理方法，所述止水帷幕体为三轴搅拌桩，包括如下步骤：

[0006] 步骤一、现场勘察，探明拟建场地内珊瑚礁碎屑的埋深及基岩面起伏变化情况，记录影响所述珊瑚碎屑层的三轴搅拌桩可搅拌性能的三种主要因素；

[0007] 步骤二、根据所述步骤一得到的数据，模拟分析所述三轴搅拌桩卡钻、抱钻的概率，并对所述拟建场地含珊瑚礁碎屑层的可搅拌性建立风险评判模型；

[0008] 步骤三、根据勘察数据结合步骤二所述的风险评判模型确定所述拟建场地的施工风险等级；

[0009] 步骤四、根据所述步骤三的施工风险等级确定处理措施，对于所述施工风险等级为一级的拟建场地无需处理即可进行施工；对于所述施工风险等级为二级的所述拟建场地采用改进的三轴搅拌桩机进行施工；对于所述施工风险等级为三级和四级的所述拟建场地采取冲孔破碎的方式进行预处理后进行施工；对于所述施工风险等级为五级的所述拟建场地，进行风险转移，采取避开或绕打的规避措施施工。

[0010] 进一步地，所述步骤一中的所述三个主要因素包括上覆土层厚度、珊瑚礁碎屑层的厚度以及珊瑚礁碎屑的强度。

[0011] 进一步地，所述步骤二包括将所述三种主要因素进行正交组合，得到多种组合形式；并利用PFC3D离散元软件对所述多种组合形式进行数值模拟，得到不同组合形式下所述三轴搅拌桩卡钻、抱钻的概率；以及将所述多种组合形式下的模拟数值进行线性回归得到在所述三种主要因素作用下所述三轴搅拌桩卡钻、抱钻的风险评判模型。

[0012] 进一步地，利用线性回归得到所述三轴搅拌桩卡钻、抱钻的概率计算公式为：y＝-55.911+9.211x1+7.200x2+0.825x3，式中y为三轴搅拌桩卡钻、抱钻的概率，0≤y≤100；当y≤0时，取y＝0；当y≥100时，取y＝100；x1为所述珊瑚礁灰岩厚度、x2为所述珊瑚礁灰岩强度以及、x3为所述上覆土层厚度。

[0013] 进一步地，所述施工风险等级共包括五级：其中，一级的风险发生概率为0～10％；二级的风险发生概率为10～20％；三级的风险发生概率为20～30％；四级的风险发生概率为30～50％；五级的风险发生概率为50～100％。

[0014] 进一步地，所述步骤四中所述改进的三轴搅拌桩机包括设置在动力头上的三根相互平行的钻杆，每根钻杆的自由端设有钻头，每根钻杆沿钻杆的轴向设有若干叶片组，每组叶片组包括均布于所述钻杆周面的三根叶片，除靠近钻头的两相邻叶片组的叶片上下对应设置外，其余相邻叶片组的叶片均交错设置，所述叶片的两侧与自由端面分别设置若干对对称设置的合金钢板，每对所述合金钢板具有向叶片外伸出的直角尖部，所述直角尖部包括斜边与直角边，所述斜边位于所述直角边的外侧，所述直角边与所述叶片的轴线相平行，相邻叶片组的间距为0.7-1.0米。

[0015] 与现有技术相比，本发明有益的技术效果如下：本发明提供的南海临海地区含珊瑚礁碎屑层止水帷幕体施工处理方法，首先对拟建场地的工程地质进行勘察，根据现场勘察资料快速计算获取现场该工况下三轴搅拌桩卡钻、抱钻的概率；然后建立三轴搅拌桩的卡钻、抱钻的风险评价系统；接着根据现场探孔以及勘察资料结合风险评价系统确定拟建场地施工风险等级；最后根据施工风险等级快速判别是否需要现场特殊处理，从而极大地减少了工作量，降低了施工风险。与此同时，根据施工风险等级判定对应工况下的施工风险等级后，积极采取合理的措施对高风险工况进行预处理，以避免盲目施工导致的大量人力、物力的损耗与浪费。当施工风险等级为二级时，采用了改进的三轴搅拌桩机，提升了三轴搅拌桩的性能参数，显著减小三轴搅拌桩在搅拌过程中所遇到的摩阻力与端阻力，有效减小三轴搅拌桩在施工过程中出现卡钻、抱钻的概率，极大地提高了施工效率，加快了施工进度，缩短了工期，减少了施工成本。

附图说明

[0016] 图1是本发明一实施例南海临海地区含珊瑚礁碎屑层止水帷幕体施工处理方法的工艺流程图；

[0017] 图2是本发明一实施例中三轴搅拌桩机的带有叶片的钻杆的结构示意图；

[0018] 图3是本发明一实施例中三轴搅拌桩机中叶片的结构示意图。

[0019] 图中：1-钻杆、2-叶片、3-合金钢板、4-钻头。

具体实施方式

[0020] 以下结合附图和具体实施例对本发明提出的南海临海地区含珊瑚礁碎屑层止水帷幕体施工处理方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，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。为叙述方便，下文中所述的“上”、“下”与附图的上、下的方向一致，但这不能成为本发明技术方案的限制。

[0021] 本发明提供了一种南海临海地区含珊瑚礁碎屑层止水帷幕体施工处理方法，用于解决止水帷幕体施工过程中因珊瑚礁碎屑层渗透系数大、强度高、基岩面起伏大而造成三轴搅拌桩卡钻、抱钻的问题，从而降低施工难度。

[0022] 下面结合图1至图3详细说明本发明的南海临海地区含珊瑚礁碎屑层止水帷幕体施工处理方法。

[0023] 实施例一

[0024] 以南海某基坑工程为例，通过对拟建场地的地质情况进行勘察，然后建立拟建场地含珊瑚礁碎屑层的可搅拌性风险评价系统，并计算得到施工风险等级，最后针对不同的施工风险等级分别制定出相对应的风险处理措施。

[0025] 如图1所示，临海地区含珊瑚礁碎屑地层止水帷幕体施工处理方法，包括如下步骤：

[0026] S001：现场勘察，探明拟建场地内珊瑚礁碎屑的埋深及基岩面起伏变化情况，记录影响珊瑚碎屑层的三轴搅拌桩可搅拌性能的三种主要因素；

[0027] S002：根据步骤一得到的数据，模拟分析三轴搅拌桩卡钻、抱钻的概率，并对拟建场地含珊瑚礁碎屑层的可搅拌性建立风险评判模型；

[0028] S003：根据勘察数据结合步骤二的风险评判模型确定拟建场地的施工风险等级；

[0029] S004：根据步骤三的施工风险等级确定处理措施，对于施工风险等级为一级的拟建场地无需处理即可进行施工；对于施工风险等级为二级的拟建场地采用改进的三轴搅拌桩机进行施工；对于施工风险等级为三级和四级的拟建场地采取冲孔破碎的方式进行预处理后进行施工；对于施工风险等级为五级的拟建场地，进行风险转移，采取避开或绕打的规避措施施工。

[0030] 具体来说，本实施例的南海临海地区含珊瑚礁碎屑层止水帷幕体施工处理方法，首先对拟建场地的工程地质进行勘察，根据现场勘察资料快速计算获取现场该工况下三轴搅拌桩卡钻、抱钻的概率；然后建立三轴搅拌桩的卡钻、抱钻的风险评价系统；接着根据现场探孔以及勘察资料结合风险评价系统确定拟建场地施工风险等级；最后根据施工风险等级快速判别是否需要现场特殊处理，从而极大地减少了工作量，降低了施工风险。当然，根据施工风险等级判定对应工况下的施工风险等级后，需要采取合理的措施对高风险工况进行预处理，以避免盲目施工导致的大量人力、物力的损耗与浪费。当施工风险等级为二级时，采用了改进的三轴搅拌桩机，提升了三轴搅拌桩的性能参数，显著减小三轴搅拌桩在搅拌过程中所遇到的摩阻力与端阻力，有效减小三轴搅拌桩在施工过程中出现卡钻、抱钻的概率，极大地提高了施工效率，加快了施工进度，缩短了工期，减少了施工成本。

[0031] 特别地，步骤一中的三个主要因素包括上覆土层厚度、珊瑚礁碎屑层厚度以及珊瑚礁碎屑的强度。步骤二包括将三种因素进行多种正交组合并利用PFC3D离散元软件对多种正交组合进行数值模拟，得到多种工况条件下三轴搅拌桩卡钻、抱钻的概率；然后利用线性回归得到三轴搅拌桩卡钻、抱钻的风险评判模型。PFC3D离散元软件研究的基本对象是颗粒和颗粒间的接触，它能直接模拟球形颗粒间的运动和相互作用的物理问题；可以通过连接两个或多个小颗粒来创建任意形状的大颗粒，连接而成的组合颗粒可以作为独立的颗粒体研究。通过粘结相邻颗粒得到的颗粒集合体可作为具有弹性属性的固体，当颗粒间的粘结逐渐破坏时，该固体即产生破裂。该软件具有计算结果精确，模拟过程详细，后处理可视化强等优点。利用PFC3D可很好的将珊瑚礁碎屑层离散成一个个微小的圆形颗粒，将三轴搅拌桩视为墙体进行模拟。整个模拟过程可以随时记录三轴搅拌桩在搅拌过程中与岩土体之间的相互作用，模拟结果可精确地得到三轴搅拌桩出现卡钻、抱钻的具体位置。同时，利用线性回归得到三轴搅拌桩卡钻、抱钻的概率计算公式为：y＝-55.911+9.211x1+7.200x2+0.825x3，式中y为三轴搅拌桩卡钻、抱钻的概率，0≤y≤100；当y≤0时，取y＝0；当y≥100时，取y＝100；x1为珊瑚礁灰岩厚度、x2为所述珊瑚礁灰岩强度以及、x3为上覆土层厚度，其中x1、x2、x3已做无量纲化处理，无物理单位。

[0032] 具体来说，PFC3D离散元数值模拟过程中，分别记录了三轴搅拌桩打穿珊瑚礁灰岩整个过程中三根钻杆所受到的竖向应力以及抵抗扭矩。由于提供三轴搅拌桩向下移动的动力来源于三轴搅拌桩的自身重力，因此当钻杆所受的竖向阻力大于三轴搅拌桩自重时，搅拌桩将无法继续钻进，继而出现卡钻的情况，当钻头附近的岩土层提供抵抗扭矩大于钻头自身的额定扭矩时，钻头也将会出现抱钻的不利情况。利用PFC3D离散元软件每1000个步长记录一组数据，每个工况记录数据至少在4万组以上，后期进行处理得到三轴搅拌桩在该工况下发生卡钻、抱钻的概率，然后综合各个工况并利用线性回归得到上述多因素条件下三轴搅拌桩卡钻、抱钻的概率计算公式。

[0033] 进一步地，根据三轴搅拌桩卡钻、抱钻的概率计算公式结合工况，将珊瑚礁碎屑地层三轴搅拌桩可搅拌性的风险等级分为五级：其中，一级的风险发生概率为0～10％；二级的风险发生概率为10～20％；三级的风险发生概率为20～30％；四级的风险发生概率为30～50％；五级的风险发生概率为50～100％。

[0034] 特别地，在施工三轴搅拌桩前对每副搅拌桩所在部位采用G-150型钻机进行探孔，探孔至基岩面以下1.5m，记录珊瑚礁灰岩岩层厚度、基岩面标高，以指导三轴搅拌桩机械施工。探孔目的如下：查明有无珊瑚礁灰岩分布及其岩层厚度，当无珊瑚礁灰岩分布或者采用施工风险评判等级为一级时，可采用常规三轴搅拌桩施工；当有珊瑚礁灰岩分布，场地施工风险等级为二级时，优先选用动力较大的三轴搅拌机进行施工，或有针对性地对三轴搅拌桩进行改进和优化；当施工场地等级为三、四级时，应采用桩径1.2米的大口径冲击钻钻机先进行冲孔处理，完全破碎珊瑚礁灰岩岩层后再回填砂土并压实，然后施工三轴搅拌桩；施工场地为五级时，建议考虑改变设计选型和施工工艺甚至规避不利场地。对于风险等级为二级及以上的拟建场地应选用动力较大的三轴搅拌机，以便克服因动力不足出现三轴搅拌桩卡钻、抱钻的风险。常用的三轴搅拌机型号有ZKD85-3、ZKD85A-3、ZKD85B-3三种，三者的动力依次增强。因此根据场地风险等级的不同应选用对应动力的三轴搅拌机。对于二级场地宜选用ZKD85A-3，二级以上场地优先选用ZKD85B-3型号搅拌机。对于ZKD85B-3型号搅拌机搅拌有困难的工况，建议采取减少三轴搅拌机叶片数量增加叶片间的间距，从而减小搅拌过程中的阻力。

[0035] 结合图2和图3详细说明在本实施例中改进的三轴搅拌桩机的结构。改进的三轴搅拌桩机包括设置在动力头(未图示)上的三根相互平行的钻杆1，每根钻杆1的自由端设有钻头4，即钻杆1的远离动力头的一端设有钻头4，每根钻杆1沿钻杆1的轴向设有若干叶片组，每组叶片组包括均布于钻杆1周面的三根叶片2，除靠近钻头的两相邻叶片组的叶片2上下对应设置外，其余相邻叶片组的叶片2均交错设置，相邻的叶片组的间距d设置为0.7-1.0米。本实施例提供的改进的三轴搅拌桩机中将相邻的叶片组的间距d设置为0.7-1.0米，相比现有的相邻叶片组0.4米的间距，增大间距能够显著减小三轴搅拌桩在搅拌过程中所遇到的摩阻力与端阻力，有效减小三轴搅拌桩在施工过程中出现卡钻、抱钻的概率，极大地提高了施工效率，加快了施工进度，缩短了工期，减少了施工成本。

[0036] 此外，继续参考图3，叶片2的两侧与自由端面分别设置若干对对称设置的合金钢板3，每对合金钢板3具有向叶片2外伸出的直角尖部，直角尖部包括斜边与直角边，斜边位于直角边的的外侧，直角边与叶片的轴线相平行。通过在叶片2设置合金钢板3，可以增加叶片2的整体刚度，从而使叶片2更易搅拌珊瑚礁灰岩，在一定程度能够上减小三轴搅拌桩在搅拌过程中所遇到的摩阻力与端阻力，减小三轴搅拌桩在施工过程中出现卡钻、抱钻的概率。

[0037] 实施例二

[0038] 根据南海某施工现场勘察得到的实际数据进行模拟评判。该基坑周长约1200m，面积为65300m2，其中基坑大部区域采用三轴搅拌桩进行基坑围护。通过现场实际勘察得到如下表所示的计算参数表：

[0039]风险等级 一级 二级 三、四级 五级
长度(m) 214 759 63.3 0
占百分比(％) 17.8 63.3 18.9 0

[0040] 从上述计算参数表可知，通过风险评判模型确立了拟建场地止水帷幕体设计施工风险等级，根据不同的风险等级进行了相应的处理措施。为方便施工，对于风险等级为一、二级的拟建场地现场统一采用ZKD85B-3型三轴搅拌机直接进行施工，针对个别较难搅拌的工况，采用了减少搅拌桩机叶片数量和减小间距的方式，较好地解决了三轴搅拌桩卡钻、抱钻的难题；对于风险等级为三、四级的拟建场地应对珊瑚礁碎屑层采取冲孔破碎的方式预先进行处理，然后再采用ZKD85B-3型三轴搅拌机进行施工，降低了珊瑚礁碎屑层的深层搅拌难度，提高了施工效率。通过上述处理方法进行现场施工，可顺利地完成整个施工过程，避免了出现三轴搅拌桩卡钻、抱钻的情况。

[0041] 综上所述，本发明的南海临海地区含珊瑚礁碎屑层止水帷幕体施工处理方法，首先对拟建场地的工程地质进行勘察，计算获取三轴搅拌桩卡钻、抱钻的概率；然后建立三轴搅拌桩的卡钻、抱钻的风险评价系统；接着根据现场探孔以及勘察资料结合风险评价系统确定拟建场地施工风险等级；最后根据施工风险等级快速判别是否需要现场特殊处理，并根据不同的施工风险等级设置对应的预处理解决措施，从而极大地避免了因盲目施工导致的大量人力、物力的损耗与浪费，减少了工作量，降低了施工风险。当施工风险等级为二级时，采用了改进的三轴搅拌桩机，相比现有的相邻叶片组间距为0.4米，通过将相邻的叶片组的间距设置为0.7-1.0米，能够显著减小三轴搅拌桩机在搅拌过程中所遇到的摩阻力与端阻力，提升了三轴搅拌桩的性能参数，显著减小了三轴搅拌桩在搅拌过程中所遇到的摩阻力与端阻力，减小了三轴搅拌桩在施工过程中出现卡钻、抱钻的概率，极大地提高了施工效率，加快了施工进度，缩短了工期，减少了施工成本。

[0042] 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。