提高DCM 成樁質(zhì)量施工控制要點研究

李猛

（中交海洋建設(shè)開發(fā)有限公司，天津 300451）

0 引言

在工程軟基處理施工中，常以水泥作為固化劑的主要材料，通過與土體強制攪拌形成增強體的復(fù)合地基，稱為深層水泥攪拌樁（DCM）復(fù)合地基[1-2]。在香港的某填海造地工程中，在海上采用DCM 工藝為該工程的軟弱地基進行加固處理。

地質(zhì)條件的改變對于DCM 成樁質(zhì)量影響較大。前期地質(zhì)條件進行勘測，施工中及時收錄施工數(shù)據(jù)，在DCM 工藝成樁后，通過選取有代表性的樁體鉆芯取樣，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護28 d、90 d 檢測。結(jié)合地質(zhì)資料對不同的土體特性進行分析，總結(jié)不同特性的土體對水泥攪拌樁體強度發(fā)展的影響，針對性提出提高DCM 成樁質(zhì)量施工控制要點，為完善DCM 施工工藝提供一定的參考。

1 工程概況

香港某國際機場項目采用DCM 工藝對海底基礎(chǔ)進行加固，DCM 樁身的水泥摻量不設(shè)定最大值，不同區(qū)域海床的DCM 無側(cè)限抗壓強度分別為800 kN/m2、1000 kN/m2、1200 kN/m2、1400 kN/m2，通過試驗來確定水泥摻量等數(shù)據(jù)。單個DCM 樁群設(shè)計截面積為4.6277 m2，由4 個直徑1300 mm的單樁組成，DCM 樁群斷面形式如圖1 所示。設(shè)計圖紙要求成樁芯樣的28 d 抗壓強度應(yīng)達到設(shè)計強度的100%，質(zhì)量要求較高。

圖1 DCM 樁群斷面形式圖Fig.1 Section form of DCM pile group

1.1 土體情況

根據(jù)現(xiàn)場的地質(zhì)勘探資料，自上而下分別為海相沉積物、硬質(zhì)“干殼”、砂層、硬質(zhì)黏土和風(fēng)化巖。其中海相沉積物為質(zhì)地柔軟的淤泥層，相比之下，下方?jīng)_積層沉積物的組成則較為復(fù)雜，包含了與全球氣候變化的若干階段相關(guān)的沖積、河口、海相沉積物形成的土層。這些沉積物表面有明顯的整體通道化特征，而土體內(nèi)部表面則明顯呈侵蝕狀，以及由于長時間暴露而發(fā)生質(zhì)變的硬質(zhì)“干殼”和老沉積土。

分析施工區(qū)域地質(zhì)剖面圖，可以明確該施工區(qū)域內(nèi)的土體存在明顯交錯，DCM 施工貫入過程中會穿過多個土層。

1.2 土體分析

施工區(qū)域內(nèi)的土體成分復(fù)雜，在施工之前應(yīng)對土體性質(zhì)進行分析，充分了解土體特性并進行試樁。DCM 船應(yīng)針對不同地層進行攪拌速度、提升/貫入速度和水泥摻量等工藝調(diào)整，總結(jié)施工要點以便對DCM 樁的施工質(zhì)量進行有效控制?，F(xiàn)場地質(zhì)情況見表1。

表1 工程地質(zhì)情況分析匯總表Table 1 Summary table of engineering geological analysis

2 工藝研究

2.1 工藝簡介

在工程施工過程中，DCM 船根據(jù)設(shè)計文件要求而編制的W 曲線[3]作為工藝指導(dǎo)依據(jù)，進行DCM 樁的施工。

整個施工過程主要分為4 個階段，分別是：

1） 自處理機下放開始，至設(shè)計樁底位置。此階段中，主要進行處理機的噴水貫入。貫入過程主要經(jīng)過淤泥層、沖擊砂層和硬質(zhì)黏土3 個主要土層。

2） 自設(shè)計樁底至噴漿前的回打。由于硬質(zhì)黏土透水性較差、不易打碎，為保證后續(xù)噴漿后的土體混合攪拌質(zhì)量，此階段增加攪拌時間。

3） 處理機下噴漿口的噴漿攪拌。DCM 船每個處理機裝有4 個攪拌軸。每個攪拌軸的上部和下部均有一個噴漿口，分別用于鉆入和提升階段噴漿，用于施工過程中的水泥漿噴射。此階段使用下部噴漿口進行噴漿貫入攪拌。同時為保證樁底位置的攪拌質(zhì)量，當(dāng)處理機到達此處后將進行原地攪拌，保證攪拌次數(shù)達到設(shè)計要求。

4） 自樁底位置上提至樁頂。此階段，在達到第一次開始噴漿位置后使用上噴漿口進行噴漿。施工中為保證樁體噴漿的連續(xù)性，進行水泥樁搭接處理。之后邊噴漿邊上提攪拌，該階段主要在淤泥層中進行。

DCM 船噴漿口位置如圖2 所示。

圖2 DCM 船噴漿口位置圖Fig.2 Shotcrete location of the DCM vessel

2.2 試樁成樁分析

2.2.1 試樁芯樣取樣

在試樁結(jié)束后，選取同一地質(zhì)條件下的2 根設(shè)計強度相同樁進行檢測。根據(jù)設(shè)計要求，在成樁不少于28 d 后，對計劃進行檢測的樁體進行抽樣，分別檢測28 d 和90 d 的無側(cè)限抗壓強度。芯樣取出后，試驗工程師首先對成樁芯樣的表觀質(zhì)量進行檢查，并分析匯總，形成記錄。

2.2.2 芯樣分析

設(shè)計文件檢測要求，每1 m 樁長取出一個20 cm長的芯樣，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護環(huán)境下養(yǎng)護，進行28 d 和90 d 無側(cè)限抗壓強度UCS 檢測，檢測結(jié)果見圖3。

圖3 1 號2 號樁試驗檢測結(jié)果Fig.3 The test result of No.1 and No.2 piles

從圖3 兩根DCM 試樁的強度檢測分布可以看出，兩根樁均在標(biāo)高約-15.0～-17.0 mPD 左右的位置呈現(xiàn)明顯分界趨勢。查看地質(zhì)勘探資料可知此區(qū)間為土體自柔軟砂質(zhì)黏土層向硬質(zhì)黏土層過渡的范圍，也是土體中的有機質(zhì)含量增加與pH 值增長的分界點。

在匯總試驗數(shù)據(jù)和芯樣分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合地質(zhì)勘探資料，可以得出以下結(jié)論：

1） 原始地層中砂質(zhì)土芯樣的抗壓強度更高，說明砂質(zhì)土更易與水泥漿結(jié)合反應(yīng)固化，有助于成樁質(zhì)量；

2） 硬質(zhì)黏土土體中的有機質(zhì)含量高，成樁強度低。其原因可歸為兩點：

①在硬質(zhì)黏土中的有機質(zhì)含量高，有機物分解過程中產(chǎn)生酸性物質(zhì)[4]。水泥漿呈弱堿性，在DCM 樁施工過程中，土體內(nèi)的酸性物質(zhì)與水泥漿發(fā)生中和反應(yīng)[5]，減弱了水泥漿與水中游離的二氧化硅、活性氧化鋁發(fā)生火山灰反應(yīng)強度，影響凝結(jié)后形成水泥土的膠結(jié)強度，從而影響樁體強度；

②相較于砂質(zhì)土層，硬質(zhì)黏土土層的顆粒細小，相互之間黏結(jié)力較強，在貫入和提升過程中不易攪拌均勻，容易形成泥包留在樁內(nèi)，從而降低了樁身強度[6]。

3 要點控制

針對試樁總結(jié)的經(jīng)驗，本工程DCM 船在進行海上深層水泥攪拌樁的施工過程中，從以下方面對施工過程進行控制：

1） 處理機的轉(zhuǎn)速。本工程的技術(shù)規(guī)格書要求DCM 樁的上下8 m 樁體的單米攪拌次數(shù)不得低于900 r/min，中間部分樁體則不得低于450 r/min。在攪拌樁的上下8 m 和硬質(zhì)黏土層進行充分?jǐn)嚢?，保證攪拌次數(shù)滿足設(shè)計要求。

2） 處理機升降速度。在本工程應(yīng)用中，在不同地質(zhì)土層中采取不同的升降速度[7]。針對不易攪拌均勻的硬質(zhì)黏土，適當(dāng)降低升降速度，防止樁孔縮頸和形成泥包。速度控制直接影響泥漿的流速和單米的攪拌次數(shù)，在施工中應(yīng)對其進行計算。保證在滿足攪拌次數(shù)BRN 和水泥摻量的情況下，計算適合設(shè)備發(fā)揮最優(yōu)性能的噴漿流速和轉(zhuǎn)速。按公式（1）、公式（2）計算：

式中：∑M 為處理機攪拌翼數(shù)量，片；Nu為處理機貫入時的轉(zhuǎn)速，r/min；Vu為處理機貫入時的速度，m/min；Nd為處理機提升時的轉(zhuǎn)速，r/min；Vd為處理機提升時的速度，m/min。

式中：Q 為噴漿流速，L/min；S 為單根DCM 樁截面積，m2；L 為噴漿區(qū)域的長度，m；M 為設(shè)計配合比，kg/m3；W/C 為水灰比；ρ 為設(shè)計配合比下的水泥漿密度，g/cm3；V 為處理機上提/貫入時的速度，m/min。

3） 成樁過程噴漿量。對于透水性差的硬質(zhì)黏土層，高轉(zhuǎn)速的同時慢速鉆進和提升，充分?jǐn)嚢柰馏w，增加水泥漿噴漿量，提升樁體強度[8]。

DCM 施工中，通過對以上施工要點進行嚴(yán)格控制，成樁質(zhì)量得到很大提升，施工質(zhì)量得到各方好評。

4 結(jié)語

DCM 作為一種新型的環(huán)保、高效的海洋地基處理工藝，將會越來越多用于海洋地基處理施工。對香港某工程試樁強度進行分析并總結(jié)施工要點，后續(xù)正式DCM 施工取得良好效果。對于不同地區(qū)的土體構(gòu)成與施工條件，其復(fù)雜性和多變性對樁體強度的發(fā)展有著很大的影響。因此，在DCM 施工中，需要根據(jù)實際情況不斷收集施工數(shù)據(jù)，不斷豐富DCM 工藝的理論和實踐經(jīng)驗，為我國D CM 施工工藝的完善貢獻力量。