• Scopus数据库收录期刊
  • 中国科技核心期刊
  • 全国中文核心期刊
  • 美国工程索引(EI)收录期刊

单向与多层互剪搅拌桩性能模型试验对比研究

葛春巍, 刘钟, 兰伟, 杨宁晔, 文磊, 周洁

葛春巍, 刘钟, 兰伟, 杨宁晔, 文磊, 周洁. 单向与多层互剪搅拌桩性能模型试验对比研究[J]. 岩土工程学报, 2024, 46(11): 2420-2428. DOI: 10.11779/CJGE20230791
引用本文: 葛春巍, 刘钟, 兰伟, 杨宁晔, 文磊, 周洁. 单向与多层互剪搅拌桩性能模型试验对比研究[J]. 岩土工程学报, 2024, 46(11): 2420-2428. DOI: 10.11779/CJGE20230791
GE Chunwei, LIU Zhong, LAN Wei, YANG Ningye, WEN Lei, ZHOU Jie. Model tests on performances of DSM and CS-DSM piles[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2024, 46(11): 2420-2428. DOI: 10.11779/CJGE20230791
Citation: GE Chunwei, LIU Zhong, LAN Wei, YANG Ningye, WEN Lei, ZHOU Jie. Model tests on performances of DSM and CS-DSM piles[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2024, 46(11): 2420-2428. DOI: 10.11779/CJGE20230791

单向与多层互剪搅拌桩性能模型试验对比研究  English Version

基金项目: 

宁波市高新区重大科技专项 2023CX050004

详细信息
    作者简介:

    葛春巍(1988—),男,博士,工程师,主要从事地基处理装备研发及工艺工法研究。Email: gexxx063@alum.mit.edu

    通讯作者:

    刘钟, E-mail: zzliu8@163.com

  • 中图分类号: TU443

Model tests on performances of DSM and CS-DSM piles

  • 摘要: 利用自研单向与多层互剪搅拌桩模型钻机,对传统DSM桩与新型CS-DSM桩的工艺因素及成桩质量进行了模型试验对比研究,探索了水泥掺量和单位桩长搅拌次数T对两类搅拌桩成桩均匀性与桩身强度的影响。试验结果证实CS-DSM桩的表观均匀性和桩身连续性明显好于DSM桩,在T值相同条件下,两者平均桩身强度比Rs为1.41~6.4,且Rs随着搅拌次数T增加而呈指数趋势降低,24组模型试验结果还揭示出DSM桩与CS-DSM桩在UCS-T之间的本质联系。提出的DSM桩与CS-DSM桩的T值和UCS值的计算方法,可以指导搅拌桩施工参数合理选取以实现桩身设计强度目标。通过DSM工法与CS-DSM工法的试验对比研究获得的两类桩的桩身质量差异性结果,能够为高质量的CS-DSM桩工艺控制原则和质量保障体系提供试验依据。
    Abstract: Using the small-scale model rig, a comparative experimental study is conducted to investigate the process control and quality control in the deep soil mixing (DSM) method and contra-rotational shear deep soil mixing (CS-DSM) method. The research emphasis is placed on the effects of cement content, blade rotation number T on the uniformity and unconfined compression strength (UCS) of mixing piles. A notably improved uniformity and continuity of the CS-DSM piles over the DSM piles is confirmed by the test results. The strength ratio Rs ranges from 1.41 to 6.4, and it shows an exponential decrease with the increasing T. Furthermore, the results from 24 model piles provide insights into the fundamental relationship and distinctions between UCS and T. On this basis, the construction parameters can be optimized to ensure the target design strength for both types of piles. The model test results clearly demonstrate the differences in the construction quality between the DSM method and the CS-DSM method. The technical basis established in this study serves as a cornerstone for the process control and quality assurance in installing high-quality CS-DSM piles.
  • 随着中国水环境治理工程的广泛开展,大量污染底泥的环保疏浚问题受到越来越多的关注[1]。在这些工程中,污染底泥的疏浚方式、疏浚后淤泥的处理处置方法,以及后续资源化用途均是需要考虑的问题[2]。中国中小河道多使用水力冲刷的疏浚方式;湖泊、水库大多采用绞吸式挖泥船进行清淤[3]。两者都是目前普遍使用的疏浚方式,共同特点是会产生含水率高、孔隙比大、渗透性差、压缩变形大、高黏粒含量的疏浚淤泥[4]。在过去的十余年间,这些体积庞大的低浓度泥浆一般被吹填至堆场,长时间占用土地以及可能会给周边环境造成二次污染[5]。汪顺才等[6]对堆场疏浚淤泥含水率分布规律开展调查,发现160 d后距离吹淤口100~200 m的地方淤泥含水率仍高达100%以上。因此,高含水率疏浚淤泥如何在短期内脱水减容是亟需解决的问题[7],这对于提升水环境治理效果和节约土地资源具有重要意义。

    机械脱水法是淤泥脱水中较为常用的方法,尤其以板框压滤脱水应用较为广泛[8]。詹良通等[9]开展模拟压滤试验对洗砂泥浆压滤脱水性能及快速检测方法进行研究。板框压滤脱水法往往需要协同絮凝剂共同使用。添加絮凝剂预先改善淤泥脱水性能,能够有效提升淤泥压滤脱水固液分离效果[10]。武亚军等[11]采用不同药剂联合真空预压法处理工程废浆,结果表明添加药剂能有效起到防淤堵作用。李世汨等[12]研究了有机和无机絮凝剂复合调理方式对淤泥机械压滤脱水性能的影响规律,发现添加调理药剂可有效促进淤泥的过滤脱水过程。由于不同絮凝剂的脱水效果存在差异,针对不同絮凝剂对板框压滤过程、以及压滤产物泥饼的性质影响规律开展研究具有较大的意义。

    大量研究和工程实践发现,有机高分子絮凝剂聚丙烯酰胺(PAM)、壳聚糖能有效改善淤泥沉降性能和脱水效率[13]。本研究以太湖一轮清淤工程中所产生的疏浚淤泥为研究对象,采用阴离子型聚丙烯酰胺(APAM)、壳聚糖对淤泥进行调理,开展单掺试验,寻找最优的掺量。在最优掺量下,开展絮凝联合板框压滤脱水试验研究,分析了添加APAM、壳聚糖后淤泥沉降体积值、上覆水浊度值以及板框压滤出水量变化规律。以期为淤泥板框脱水处理处置工艺和后续泥饼资源化利用提供参考方案。

    试验淤泥取自西太湖清淤工程的堆场,取样深度在3 m以下,为湖相沉积淤泥,外观呈黑灰色。试验前先将淤泥过筛网筛分去除较大的石子、杂草和其它杂质。依据《土工试验方法标准:GB/T 50123—2019》,测得淤泥的基本物理性质如表 1所示,淤泥偏碱性(pH=8)。根据细粒土的分类标准,该堆场淤泥属于高液限黏土(CH)。使用激光粒度仪测定淤泥粒径分布,粒径分布曲线见图 1

    表  1  淤泥的基本物理性质
    Table  1.  Basic physical properties of dredged sediment
    含水率/% 液限/% 塑限/% 塑性指数 黏粒含量/% 相对质量密度 有机质含量/%
    100.37 55.89 20.59 35.30 28.00 2.72 0.75
    注:①粒径小于5 μm;②重铬酸钾容量法。
    下载: 导出CSV 
    | 显示表格
    图  1  淤泥粒径分布曲线
    Figure  1.  Grain-size distribution curve of dredged sediment

    根据前期量筒沉积柱试验结果,选用APAM和壳聚糖这两种絮凝剂,其中APAM为白色固体颗粒,壳聚糖为淡黄色粉末状。APAM、壳聚糖的搅拌速度设置为50 r/min,时长为3 min,现配现用。

    (1)量筒沉积柱试验

    实际工程中绞吸方式清淤产生的疏浚淤泥经过沉淀池、调理池后,淤泥含水率大约降至4倍液限左右。过筛后淤泥配置成初始含水率为220%(4倍液限)的试验用泥,搅拌均匀。选用规格为500 mL的玻璃量筒。取400 mL搅拌均匀的疏浚淤泥与100 mL的絮凝剂混合液,两者搅拌混合均匀。其中取400 mL的混合液倒入量筒,倒入过程中用玻璃棒进行引流。结束后用保鲜膜密闭封顶,以防水分散失。静置沉降观察7 d,待泥水分离界面高度不再有明显变化时停止观察,记录不同时刻泥水分离界面值(mL)。试验过程中实验室温度保持在20±2℃。具体投加方案如表 2所示。

    表  2  单掺药剂投加量
    Table  2.  Dosages of single-mixing agents
    药剂种类 质量浓度/‰
    APAM 0 0.4 0.6 1.0 2.0
    壳聚糖 0 1.0 1.5 1.8 2.0
    下载: 导出CSV 
    | 显示表格

    (2)板框压滤试验

    在进行板框压滤试验前,淤泥的预先絮凝调理是极为关键的一步。调理后淤泥中的小颗粒变成大的团聚体,加速排水过程且不易堵塞滤布。为了探究不同絮凝剂对板框压滤性能的影响,采用自主研发的小型板框压滤模型装置开展模拟压滤试验研究。整套模型试验装置配备有隔膜滤板、滤框、滤布、气动隔膜泵、空压机等。各部分之间由透明软管连接,如图 2所示。该装置包括动力系统、进料系统、板框压滤模拟系统。整套装置由空压机提供动力,能够提供≤2.5 MPa的进气压力。进料系统包括气动隔膜泵和配套软管。气动隔膜泵入料口与装有淤泥的物料筒连接;出料口与进泥管连接接入滤框上部的进料口,进泥管上装有开关阀。滤板规格220 mm×220 mm、滤室厚度35 mm。工作时,千斤顶顶紧,使得滤板和滤框紧密结合,淤泥在气压作用下持续进料。进料过滤阶段结束后,关闭开关阀,空压机继续为滤板内嵌的隔膜提供压力,隔膜向滤室凸起,进一步对泥饼压榨脱水。

    图  2  板框压滤模型试验机
    Figure  2.  Plate and frame pressure filtration model testing machine

    经絮凝调理后淤泥板框压滤整个脱水时间为50 min,包括过滤(0~40 min)和压滤(40~50 min)两个阶段。控制进料压力为0.2 MPa;压榨压力为2 MPa。滤布为聚丙烯材质。试验过程中持续收集滤液并记录实时质量。

    絮凝调节后,淤泥浆液以混合悬浮液的形式存在。沉降体积定义为泥水分界面以下淤泥浆液的体积值。图 3显示了不同APAM投加量对淤泥7 d沉降体积的影响。可以看出,沉降曲线呈现先快速下降(48 h内)随后沉降逐渐变缓慢最终趋于稳定的变化趋势。随着APAM掺量的增加,淤泥沉降体积越小,当APAM掺量增至为0.6‰时,此时沉降体积达到最低,7 d沉降稳定时泥水分界面降至186 mL,与原泥相比,其沉降体积降低了25.9%。当投加量超过0.6‰后,淤泥沉降体积反而在上升。发生这种现象的主要原因是APAM分子量较高,较高掺量条件下,溶液中有较多的长链APAM,长分子链无法伸展开来,呈现卷曲状态和线团状态,无法接触较多的土颗粒,导致絮凝作用无法发挥。随着投加量进一步增加,APAM长分子链之间相互缠绕,导致对淤泥颗粒的絮凝效果变差[14]。过量添加APAM并不能进一步增大絮团的尺寸大小,反而会阻碍高分子链的舒展,土体颗粒无法为多余的APAM分子链提供更多吸附面来形成更大絮团[15]

    图  3  不同APAM掺量下淤泥沉降体积随时间变化曲线
    Figure  3.  Variation curves of settlement volume of dredged sediment with time under different dosages of APAM

    图 4为不同壳聚糖掺量下泥水分离界面随时间变化的沉降曲线。可以看出,随着沉降时间的延长,整个沉降曲线呈现先快速下降(48 h内)随后沉降变缓慢最终趋于稳定的变化趋势。由图 4还可以发现,7 d后当淤泥达到沉降稳定状态时,最终沉降体积随壳聚糖掺量的增加不断降低。当壳聚糖掺量增加至1.8‰时,淤泥沉降体积值达到最低值,在7 d整个沉积时间内沉降体积降至175 mL,相较于原泥,其沉降体积降低了32.4%。当壳聚糖掺量超过1.8‰后,沉降体积反而在上升。壳聚糖主要是通过电中和、吸附架桥作用来发挥絮凝效果。过量的壳聚糖一方面增加了淤泥的黏度,减少了颗粒之间的碰撞,从而影响沉降量;另一方面,过量壳聚糖会使得淤泥表面重新带正电荷,颗粒之间相互排斥,吸附架桥作用减弱导致絮凝脱水效果变差[13]

    图  4  不同壳聚糖掺量下淤泥沉降体积随时间变化曲线
    Figure  4.  Variation curves of settlement volume of dredged sediment with time under different dosages of chitosan

    通过单一絮凝剂不同掺量下量筒沉积柱试验结果,得到了APAM、壳聚糖的最优掺量分别为0.6‰,1.8‰。

    浊度值是指溶液对光线透过性能的影响程度,浊度值大小能够直观反映上覆水中悬浮物质的多少。自然沉积7 d后,待泥水分离界面高度不再有明显变化时,用移液管吸取量筒上部析出的水,测定上覆水浊度值。图 5为上覆水浊度值随絮凝剂掺量变化曲线。随着APAM掺量的增加,上覆水浊度值在降低,当掺量为0.6‰,浊度值最低,为12.21NTU,相较于原状淤泥,降低了79.51%。一旦APAM掺量超过0.6‰后,浊度值反而在上升。对不同壳聚糖掺量下7 d淤泥沉积稳定后量筒上覆水浊度值进行测定也发现了此现象,壳聚糖也存在一个最优掺量1.8‰,上覆水浊度值存在最低值11.71NTU,相较于原泥,浊度值降低了80.35%。结果表明,当APAM和壳聚糖掺量在上述最优掺量下,上覆水浊度值也表现出最低值。

    图  5  不同絮凝剂掺量下上覆水浊度值
    Figure  5.  Values of turbidity of overlying water with different dosages of flocculant

    选用APAM、壳聚糖对疏浚淤泥预先调理,预调理后量筒内泥水分界面下部沉积淤泥含水率大约降至110%左右。在板框压滤试验时,设置调理后淤泥的含水率为110%。在进料过程中,经絮凝调理后的淤泥通过隔膜泵泵送入滤室,并流向滤布外周的低压部分。此时固体颗粒被滤布截留形成泥饼,水透过滤布流向出水口。被截留的絮凝物首先在滤布的表面形成一层泥皮,进一步的过滤必须允许水分首先通过这层泥皮。因此,该层泥皮允许水通过的能力(即渗透系数)决定了是否可以快速进行下一步的过滤。泥浆的渗透系数由絮凝物之间的孔隙大小决定,絮凝物越大,允许水在絮凝物之间通过的孔隙越大,透水能力越强。另一个主要因素是絮凝物的压缩变形。在进一步的过滤脱水中,滤布表面由絮凝物形成的泥皮在流体压力的作用下被压缩变形,变形后的絮凝物堵塞原絮凝物之间的孔隙,使水难以通过。此外,进料结束后,在气压作用下滤板内嵌的隔膜会向外鼓起,进一步压缩滤室内泥饼的体积,起到二次压榨的作用,进一步降低泥饼的含水率。

    整个小型隔膜式板框压滤机试验控制在50 min,分为过滤和压滤两个阶段。图 6为不同单掺絮凝剂种类下压滤泥饼出水量随时间的变化曲线。相较于未添加絮凝剂的泥饼出水量,添加0.6‰APAM、1.8‰壳聚糖后,泥饼出水量分别提高了17.23%,24.5%,表明添加絮凝剂能够有效构建疏浚淤泥的排水通道,提升脱水量。

    图  6  单掺絮凝剂下压滤泥饼出水量
    Figure  6.  Water yields of pressure filtration cake under single mixing-flocculant

    此外可以发现,添加0.6‰APAM在过滤阶段(0~40 min)对淤泥出水量的影响较大;而添加1.8‰壳聚糖在过滤阶段对淤泥出水量的影响较小,在压滤阶段(40~50 min)对淤泥出水量的影响较大。表明泥皮表面由0.6‰APAM与土颗粒组成的絮凝物孔隙较大,透水性较强,但在压滤过程中结构易被压缩变形,导致絮凝体堵塞了部分孔隙。相对而言,添加1.8‰壳聚糖后形成的絮凝物孔隙较小,淤泥内部能够形成较为密实的空间网状结构,在压滤阶段该结构不易被压缩变形,排水通道依旧畅通。

    使用激光粒度仪测定添加0.6‰APAM和1.8‰壳聚糖这2种配方下淤泥的颗粒粒径。加入这2种絮凝剂配方之后,淤泥颗粒粒径尺寸变大。原状淤泥d90为10.97 μm,添加0.6‰APAM、1.8‰壳聚糖这2种配方后,d90分别增加至29.48,29.63 μm,相当于体系中大颗粒粒径增加为原来的3倍左右。原状淤泥d10为1.453 μm,加入这2种絮凝剂配方之后,d10分别增加为2.235,2.159 μm,相当于体系中小颗粒粒径增加为原来的1.5倍。由此可见,加入絮凝剂后,其长链结构会与淤泥中的土颗粒胶结形成大的团聚体,团聚体之间互相碰撞,在重力的作用下加速下沉。

    对原状淤泥以及掺入0.6‰APAM、1.8‰壳聚糖调理的淤泥进行扫描电镜(SEM)测试,从微观角度观察其形貌特征。从原状淤泥扫描电镜图像中可以看出淤泥颗粒之间连接疏松、结构松散,整体性较差(图 7)。从添加0.6‰APAM的淤泥电镜图像中(图 8),可以看到淤泥颗粒表面有较多絮状物质存在,小颗粒团聚在一起,形成较大的团聚体,颗粒之间连接紧密,整体性较好。图 9为添加1.8‰壳聚糖的淤泥电镜图像,可以看出淤泥颗粒之间形成多孔结构,表面有片状物质存在,形成的团聚体体积较大,团聚体之间连接也较为紧密,整体空间结构呈网状。

    图  7  原状淤泥SEM图
    Figure  7.  SEM image of in-situ sediment
    图  8  掺入0.6‰APAM淤泥电镜图
    Figure  8.  SEM image of sediment with APAM of 0.6‰
    图  9  掺入1.8‰壳聚糖淤泥电镜图
    Figure  9.  SEM image of sediment with chitosan of 1.8‰

    针对原状淤泥、单掺0.6‰APAM以及单掺1.8‰壳聚糖调理后淤泥的电镜扫描图像(放大2000倍),采用PCAS软件对SEM图像进行自动识别[16],获得关于土体孔隙的一些统计参数,结果如表 3所示。

    表  3  电镜扫描图像分析
    Table  3.  Analysis of SEM images
    絮凝剂类型 图像面积 总孔隙区域面积 孔隙占比/%
    原状淤泥 1228800 338779 27.57
    APAM 1228800 132498 10.78
    壳聚糖 1228800 488665 38.61
    下载: 导出CSV 
    | 显示表格

    未添加絮凝剂的原状淤泥孔隙占比27.57%,由于淤泥的高含水率状态,土颗粒之间有较多的孔隙水(图 7)。添加有0.6‰APAM絮凝剂的淤泥孔隙占比减小至10.78%,主要是因为APAM发挥吸附架桥作用,淤泥中小颗粒在APAM吸附架桥作用下相互团聚在一起,形成较大一些的絮团(图 8),絮团体积较大,占据了部分孔隙体积,孔隙占比减少。添加1.8‰壳聚糖的淤泥,孔隙占比为38.61%,相较于原状淤泥,孔隙占比提高了40%,这主要是因为壳聚糖属于弱阳离子型高分子絮凝剂,首先通过电性中和作用使胶体颗粒和微小悬浮物脱稳并形成较小的絮体,再通过高分子架桥作用使这些絮体聚集成较大的絮团[17],在这两种作用下絮团之间连接更为紧密,相较于添加APAM来说,絮团体积略小一些,整体空间呈现出网状结构,反而增大了孔隙体积。由于添加壳聚糖后絮团之间的孔隙小而多,而絮团之间连接紧密呈网状结构,在板框压滤机压滤过程中不易被压缩(图 910)。

    图  10  原状淤泥微观结构
    Figure  10.  Microstructure of in-situ sediment

    通过对添加0.6‰APAM、1.8‰壳聚糖调理后的淤泥进行颗粒分析和电镜扫描测试,表明经0.6‰APAM絮凝后形成的絮团尺寸较大,占据了部分孔隙的体积,孔隙占比减少(图 11);而添加1.8‰壳聚糖调理后的淤泥在电性中和和吸附架桥两种作用下絮体之间连接更加紧密,所形成的絮团相较于添加0.6‰APAM而言体积略微小,絮团之间形成的孔隙较小且数量多,(图 12),故相对于原泥来说,总的孔隙占比增大。

    图  11  掺入0.6‰APAM淤泥微观结构
    Figure  11.  Microstructure of sediment with APAM of 0.6‰
    图  12  掺入1.8‰壳聚糖淤泥微观结构
    Figure  12.  Microstructure of sediment with chitosan of 1.8‰

    为探究加入絮凝剂后淤泥成分的变化规律,对原状淤泥、单掺0.6‰APAM、1.8‰壳聚糖的淤泥进行X射线衍射分析,对应工况1,2,3。XRD测试图谱如图 13所示。淤泥的主要矿物组成成分为石英、伊利石、钠长石、高岭石等。加入APAM、壳聚糖这两种絮凝剂调理后淤泥主要矿物组成成分仍未发生改变,表明添加絮凝剂基本不会改变淤泥组成成分的种类,但图谱有所差别,各物质的组成比例有所改变。APAM、壳聚糖主要与淤泥颗粒之间发生物理作用使得淤泥颗粒快速絮凝成团,通过絮凝作用改变淤泥颗粒之间的空间结构,但它们的絮凝机理又有所差别APAM主要以吸附架桥作用为主;而壳聚糖主要以电性中和、吸附架桥作用为主。

    图  13  原泥和不同絮凝剂处理后淤泥XRD图谱
    Figure  13.  XRD patterns of in-situ sediment and dredged one after treatment with different flocculants

    选取APAM和壳聚糖这两种絮凝材料,通过量筒沉积柱试验,探究不同絮凝剂掺量下疏浚淤泥脱水性能变化规律。基于这两种絮凝剂的最优掺量开展絮凝联合小型隔膜式板框压滤试验,对比APAM和壳聚糖预处理对于板框压滤试验的影响规律,主要得到以下4点结论。

    (1)量筒沉积柱试验(7 d)结果表明,絮凝剂掺量影响疏浚淤泥脱水性能,且存在最优值。随着絮凝剂掺量的上升,沉降体积先下降后上升。当APAM、壳聚糖掺量分别为0.6‰,1.8‰时,淤泥脱水性能最佳,上覆水浊度值亦分别降至最低。

    (2)采用自主研发的模型板框压滤试验机模拟现场大型压滤机脱水,研究发现随着进料时间的推移,出水速率越来越缓慢。整个脱水过程分为过滤和压滤两个阶段,两种类型絮凝剂对板框压滤脱水各个阶段的影响效果不同。在过滤阶段,宜添加PAM类絮凝剂加速脱水;在压滤阶段,添加壳聚糖类具有“骨架功能”的絮凝剂较为合适。

    (3)经最优掺量0.6‰APAM、1.8‰壳聚糖调理后,淤泥絮凝效果较好,颗粒尺寸有了明显的增大,d90从10.97 μm分别增加至29.48,29.63 μm,但从扫描电镜图像中可以发现添加0.6‰APAM、1.8‰壳聚糖后,土体的空间结构不同。

    (4)两种类型的絮凝剂对板框压滤的阶段性效果不同,这是因为不同絮凝剂对于不同成分的颗粒物质架桥联结能力不同,所形成的孔隙尺寸、空间桥联结构不同。由于APAM与壳聚糖絮凝机理的差异,建议工程中可统筹考虑这两种絮凝剂联合使用,尝试采用部分壳聚糖代替传统PAM类絮凝剂的方式,进一步提升板框压滤效率。

  • 图  1   DSM桩、DDM桩、CS-DSM桩的施工钻头对比

    Figure  1.   Comparison between three different drill bits

    图  2   SXJ-110-D型多层互剪搅拌桩施工钻机装备

    Figure  2.   CS-DSM drilling rig model No. SXJ-110-D

    图  3   智能控制ACS系统框图

    Figure  3.   Layout of autonomous control system

    图  4   模型箱、模型钻机与ACS系统

    Figure  4.   Model case, drilling rig and ACS

    图  5   模型钻机动力头

    Figure  5.   Rotary power heads for drilling rig

    图  6   搅拌桩钻具

    Figure  6.   Illustration of drill bits for DSM and CS-DSM piles

    图  7   模型桩位布置图

    Figure  7.   Position of piles in model foundation

    图  8   色砂试验的表观均匀性对比照片(T = 400)

    Figure  8.   Results of uniformity tests for DSM and CS-DSM piles

    图  9   两类搅拌桩的试块均匀性对比照片(T = 640~650)

    Figure  9.   Pictures of soilcrete cubes for DSM and CS-DSM piles

    图  10   水泥掺量与桩身强度的关系曲线

    Figure  10.   Relationship between UCS and cement content

    图  11   DSM桩的桩身强度与搅拌次数的关系曲线

    Figure  11.   Relationship between UCS and T for DSM piles

    图  12   CS-DSM桩的桩身强度与搅拌次数的相关关系

    Figure  12.   Relationship between UCS and T for CS-DSM piles

    图  13   DSM桩与CS-DSM桩的桩身强度对比

    Figure  13.   Comparison of UCS between DSM and CS-DSM piles

    图  14   强度比Rs与单位桩长搅拌次数T的相关性

    Figure  14.   Strength ratios between DSM and CS-DSM piles

    图  15   两类桩身强度变异系数与搅拌次数的相关关系

    Figure  15.   Relationship between COV and T

    表  1   模拟地基的物理力学指标

    Table  1   Physico-mechanical parameters of model soil

    密度/(g·cm-3) 含水率/% 液限/% 塑限/% 黏聚力/kPa 内摩擦角/(°) 塑性指数
    1.84 30 34.1 20.5 8.4 13.7 13.6
    下载: 导出CSV

    表  2   桩身强度与水泥掺量关系的试验方案

    Table  2   Test plans for studying cement content and UCS

    桩号 水泥掺量/% 阶段 转速/ rpm 升降速度/(m·min-1) 浆液流量/(L·min-1) 搅拌次数/(rev·m-1)
    内杆 外杆
    1 8 下/上 单向 24 0.28/0.28 0.33/ — 686
    2 13 下/上 单向 24 0.28/0.28 0.54/ — 686
    3 18 下/上 单向 24 0.28/0.28 0.75/ — 686
    CS1 8 下/上 10 6 0.28/0.28 0.33/ — 686
    CS2 13 下/上 10 6 0.28/0.28 0.54/ — 686
    CS3 18 下/上 10 6 0.28/0.28 0.75/ — 686
    注:平均养护温度为17℃。
    下载: 导出CSV

    表  3   搅拌次数对比试验方案:DSM桩试验参数

    Table  3   Test plans for studying blade rotation number for DSM piles

    桩号 阶段 转速/ rpm 升降速度/(m·min-1 浆液流量/(L·min-1 搅拌次数/(rev·m-1
    下钻 提钻
    4 下/上 9 14 0.25/0.36 0.48/ — 300
    5 下/上 11 20 0.25/0.36 0.48/ — 398
    6 下/上 13 22 0.25/0.36 0.48/ — 452
    7 下/上 15 23 0.25/0.36 0.48/ — 496
    8 下/上 17 25 0.25/0.36 0.48/ — 550
    9 下/上 18 28 0.25/0.36 0.48/ — 599
    10 下/上 21 28 0.25/0.36 0.48/ — 647
    11 下/上 22 31 0.25/0.36 0.48/ — 696
    12 下/上 22 32 0.25/0.32 0.48/ — 752
    13 下/上 23 33 0.25/0.30 0.48/ — 808
    14 下/上 25 33 0.25/0.30 0.48/ — 853
    15 下/上 25 35 0.25/0.28 0.48/ — 900
    16 下/上 25 36 0.25/0.24 0.48/ — 1000
    注:平均养护温度为32 ℃。
    下载: 导出CSV

    表  4   搅拌次数对比试验方案:CS-DSM桩试验参数

    Table  4   Test plans for studying blade rotation number for CS-DSM piles

    桩号 阶段 转速/ rpm 升降速度/(m·min-1) 浆液流量/(L·min-1) 搅拌次数/(rev·m-1)
    内杆 外杆
    CS4 下/上 6 4 0.28/0.28 0.54/ — 429
    CS5 下/上 9 6 0.28/0.28 0.54/ — 643
    CS6 下/上 11 7 0.28/0.28 0.54/ — 771
    CS7 下/上 13 9 0.28/0.28 0.54/ — 943
    CS8 下/上 19 12 0.28/0.28 0.54/ — 1329
    注:平均养护温度为32℃。
    下载: 导出CSV
  • [1]

    COLLE E R. Mixed in place pile: USA, US3270511[P]. 1966-09-06.

    [2]

    PORBAHA A. State of the art in deep mixing technology: part Ⅰ Basic concepts and overview[J]. Proceedings of the Institution of Civil Engineers-Ground Improvement, 1998, 2(2): 81-92. doi: 10.1680/gi.1998.020204

    [3]

    DENIES N, HUYBRECHTS N. Deep Mixing Method[M]// Ground Improvement Case Histories. Amsterdam: Elsevier, 2015: 311-350.

    [4]

    FILZ G, BRUCE D. Innovation and collaboration in deep mixing[C]// Grouting 2017. Honolulu, 2017: 336-353.

    [5]

    PORBAHA A, SHIBUYA S, KISHIDA T. State of the art in deep mixing technology. Part Ⅲ: geomaterial characterization[J]. Proceedings of the Institution of Civil Engineers - Ground Improvement, 2000, 4(3): 91-110. doi: 10.1680/grim.2000.4.3.91

    [6]

    KITAZUME M. Quality Control and Assurance of the Deep Mixing Method[M]. London: CRC Press, 2021.

    [7]

    O'ROURKE T D, MCGINN A J. Case history of deep mixing soil stabilization for Boston central artery[C]//Geotechnical Engineering for Transportation Projects. Los Angeles, 2004: 77-136.

    [8]

    SEIJI M, SHUBUYA S, TETSUJI M, et al. Soil improvement device: Japan, JP08-199556[P]. 1996-08-06.

    [9] 木付拓磨, 澤口宏, 今井正, など. 大口径大深度深層混合処理工法の適用における リアルタイム管理システムの導入[J]. 日本材料科学学会雑誌, 2018, 67(1): 93-98.

    KIZUKI T, SAWAGUCHI H, IMAI T, et al. An introduction of real-time management system for applying deep-mixing method with large diameter and improvement depth (DCS method)[J]. Journal of the Society of Materials Science, Japan, 2018, 67(1): 93-98. (in Japanese)

    [10] 鈴木孝, 齋藤邦夫, 原満生, など. 複合相対攪拌翼を用いた深層混合処理工法の改良原理と適用事例[J]. 日本材料科学学会雑誌, 2010, 59(1): 32-37.

    SUZUKI K, SAITOH K, HARA M, et al. Mixing mechanism and case study of deep stabilization method using contra-rotational mixing head[J]. Journal of the Society of Materials Science, 2010, 59(1): 32-37. (in Japanese)

    [11]

    MORI K, UKAJI N, MIYAKAWA M. Invited Lecture: recent trends in the development of deep mixing methods in Japan[C]// Geotechnics for Sustainable Infrastructure Development. Singapore, 2020: 541-554.

    [12] 島野嵐. 大口径相対攪拌工法の概要と施工事例: KS-S·MIX工法(特集基礎工, 地盤改良)建設機械施工一般社団法人[J]. 日本建設機械施工協会誌, 2017, 69(7): 59-63.

    SHIMANO A. Case study: large diameter contra-rotational soil mixing pils using KS-S MIX method[J]. JCMA, 2017, 69(7): 59-63. (in Japanese)

    [13] 刘松玉, 宫能和, 冯锦林, 等. 双向水泥土搅拌桩机: CN1632232A[P]. 2005-06-29.

    LIU Songyu, GONG Nenghe, FEN Jinling, et al. Bi-directional cement soil mixing pile machine: CN1632232A[P]. 2005-06-29. (in Chinese)

    [14] 刘松玉, 易耀林, 朱志铎. 双向搅拌桩加固高速公路软土地基现场对比试验研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2008, 27(11): 2272-2280. doi: 10.3321/j.issn:1000-6915.2008.11.014

    LIU Songyu, YI Yaolin, ZHU Zhiduo. Comparison tests on field bidirectional mixing column for soft ground improvement in expressway[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2008, 27(11): 2272-2280. (in Chinese) doi: 10.3321/j.issn:1000-6915.2008.11.014

    [15] 刘松玉. 新型搅拌桩复合地基理论与技术[M]. 南京: 东南大学出版社, 2014.

    LIU Songyu. Innovative Deep Mixing Method-Theory and Technology[M]. Nanjing: Southeast University Press, 2014. (in Chinese)

    [16] 刘钟, 陈天雄, 杨宁晔, 等. 一种具有双向旋搅机构的智能钻机装备: CN218405399U[P]. 2023-01-31.

    LIU Zhong, CHEN Tianxiong, YANG Ningye, et al. Intelligent drilling machine equipment with bidirectional rotary stirring mechanism: CN218405399U[P]. 2023-01-31. (in Chinese)

    [17] 刘钟, 李国民, 王占丑, 等. 一种搅拌桩机用同心三管三通道钻杆结构和组合注浆钻具: CN114319334A[P]. 2022-04-12.

    LIU Zhong, LI Guomin, WANG Zhanchou, et al. Concentric three-pipe three-channel drill rod structure for mixing pile machine and combined grouting drilling tool: CN114319334A[P]. 2022-04-12. (in Chinese)

    [18] 陈湘生, 洪成雨, 苏栋. 智能岩土工程初探[J]. 岩土工程学报, 2022, 44(12): 2151-2159. doi: 10.11779/CJGE202212001

    CHEN Xiangsheng, HONG Chengyu, SU Dong. Intelligent geotechnical engineering[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2022, 44(12): 2151-2159. (in Chinese) doi: 10.11779/CJGE202212001

    [19]

    ANTSAKLIS P J, PASSINO K M, WANG S J. An introduction to autonomous control systems[J]. IEEE Control Systems Magazine, 1991, 11(4): 5-13. doi: 10.1109/37.88585

    [20]

    NAKAO K, INAZUMI S, TAKAUE T, et al. Visual evaluation of relative deep mixing method type of ground-improvement method[J]. Results in Engineering, 2021, 10: 100233. doi: 10.1016/j.rineng.2021.100233

    [21]

    NAKAO K, INAZUMI S, TAKAUE T, et al. Evaluation of discharging surplus soils for relative stirred deep mixing methods by MPS-CAE analysis[J]. Sustainability, 2021, 14(1): 58. doi: 10.3390/su14010058

    [22]

    ANDROMALOS K B, BAHNER E W. The application of various deep mixing methods for excavation support systems[C]// Grouting and Ground Treatment, New Orleans, 2003: 515-526.

    [23]

    SHEN S L, MIURA N, KOGA H. Interaction mechanism between deep mixing column and surrounding clay during installation[J]. Canadian Geotechnical Journal, 2003, 40(2): 293-307.

    [24] 深层搅拌法地基处理技术规范: DL/T5425—2018[S]. 北京: 中国电力出版社, 2018.

    Technical Specification for Deep Mixing Ground Treatment: DL/T5425—2018[S]. Beijing: China Electric Power Press, 2018. (in Chinese)

    [25] 水泥土配合比设计规程: JGJ/T 233—2011[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2011.

    Specification for Mix Proportion Design of Cement Soil: JGJ/T 233—2011[S]. Beijing: China Architecture & Building Press, 2011. (in Chinese)

    [26]

    NAVIN M P, FILZ G M. Statistical analysis of strength data from ground improved with DMM columns[C]//Deep Mixing '05: Proc Int Conf on Deep Mixing Best Practice and Recent Advances, Stockholm, 2005.

  • 期刊类型引用(25)

    1. 王朋飞,祝壮,孙中光,曲越,张衡,李培现. 长壁工作面开采时间间隔对倾向主断面地表沉陷的影响研究. 采矿与安全工程学报. 2025(02): 282-293 . 百度学术
    2. 丁星丞,李培现,康新亮,王明亮,张涛,郝登程. 融合概率积分法与SBAS-InSAR的开采沉陷计算方法. 矿业科学学报. 2025(01): 48-56 . 百度学术
    3. 韩春鹏,杜超,史梁,祖发金,柴晓鹤. 老采空区地表沉降预测合理监测模式分析. 工程勘察. 2024(02): 48-53 . 百度学术
    4. 张梦华. 羊东矿保护煤柱开采地表变形研究. 煤炭与化工. 2024(03): 27-29+33 . 百度学术
    5. 郭庆彪,余庆,郑美楠,罗锦. 测线布设形态与测点缺失对采煤沉陷预计参数反演的影响. 煤田地质与勘探. 2024(06): 57-68 . 百度学术
    6. 孙述海,王文斌,齐树明,姜佃卿,孙玥,岳伟佳. 新阳煤矿三、四采区地表移动变形规律研究. 资源信息与工程. 2024(04): 59-63 . 百度学术
    7. 张玮,陈迪,袁利伟,郭庆,李晨洋,李彧,李袁松,李春辉,陈明辉. 基于概率积分法的露地联采地表移动影响范围划定分析. 采矿技术. 2024(05): 12-20 . 百度学术
    8. 孙志豪,徐良骥,刘潇鹏. 一种基于分段加权赋参的厚松散层矿区沉陷预计方法. 金属矿山. 2024(11): 132-141 . 百度学术
    9. 王文才,吴周康,高小雷,王鹏. 非充分采动条件下地表移动概率积分法预测. 煤炭技术. 2023(06): 1-4 . 百度学术
    10. 杨晓玉,朱晓峻. 基于稳健遗传算法的矿山开采沉陷预计参数反演. 金属矿山. 2023(08): 237-244 . 百度学术
    11. 滕永佳,阎跃观,郭伟,姜岩,胡耀东. 不规则工作面开采地表沉陷线积分预计方法. 矿业科学学报. 2022(01): 82-88 . 百度学术
    12. 胡辉东,李贤庆,陈纯芳,刘洋,张博翔. 鄂尔多斯盆地杭锦旗地区J58井区盒一段甜点储层特征及主控因素. 矿业科学学报. 2022(01): 71-88 . 百度学术
    13. 程桦,张亮亮,姚直书,彭世龙,郭龙辉. 厚松散层薄基岩非对称开采井筒偏斜机理. 煤炭学报. 2022(01): 102-114 . 百度学术
    14. 张劲满,阎跃观,李杰卫,徐瑞瑞,王芷馨,张坤,岳彩亚. 概率积分预计参数的ENN优化算法. 金属矿山. 2022(05): 170-176 . 百度学术
    15. 周佳薇,吴鑫,刘峰. 煤矿综放开采地表移动规律. 测绘技术装备. 2022(02): 130-134 . 百度学术
    16. 黄金中,王磊,李靖宇,蒋创,滕超群,李忠,李世保. 群智能优化算法反演概率积分参数的性能比较与分析. 金属矿山. 2022(08): 173-181 . 百度学术
    17. 丁一,邓念东,姚婷,刘东海,尚慧. 地质采矿条件对铁路路基沉陷预测影响研究. 煤炭科学技术. 2022(07): 135-145 . 百度学术
    18. 李勇,贺鑫,李培现,王炳,杨中辉,张芷祺,杨可明. 煤矿地表塌陷区天眼巡查监测系统设计及应用. 煤炭工程. 2022(12): 157-163 . 百度学术
    19. 叶伟,徐良骥,张坤. 概率积分法参数反演的SAAFC模型. 金属矿山. 2021(04): 139-148 . 百度学术
    20. 李靖宇,王磊,朱尚军,滕超群,江克贵. 基于狼群算法的概率积分法模型参数反演方法研究. 中国矿业. 2020(10): 102-109 . 百度学术
    21. 陈兴达,余学祥,池深深,汪涛,陈卫卫. 基于多种群遗传算法的概率积分法参数反演. 煤矿安全. 2020(11): 50-54+60 . 百度学术
    22. 曲相屹,李学良. 长壁开采工作面地表岩移参数求取方法分析. 水力采煤与管道运输. 2019(02): 39-41 . 百度学术
    23. 李学良. 建筑物开采损害鉴定方法评价及应用. 矿山测量. 2019(04): 9-12 . 百度学术
    24. 袁鑫,王远坚,郑健,李鹏宇,胡重戎,姜岩. 基于弹性薄板理论的地表下沉预计模型. 金属矿山. 2019(10): 37-41 . 百度学术
    25. 黄晖,池深深,韩必武,刘可胜. 基于PCA-BP神经网络的概率积分法参数算法研究. 黑龙江科学. 2019(24): 1-5 . 百度学术

    其他类型引用(17)

图(15)  /  表(4)
计量
  • 文章访问数:  572
  • HTML全文浏览量:  54
  • PDF下载量:  107
  • 被引次数: 42
出版历程
  • 收稿日期:  2023-08-15
  • 网络出版日期:  2024-03-24
  • 刊出日期:  2024-10-31

目录

/

返回文章
返回