潮汐運(yùn)動(dòng)對(duì)水上深層水泥攪拌樁施工的影響

呼東旭

（中交一航局第一工程有限公司，天津 300000）

1 水上深層水泥攪拌樁施工原理

水上深層水泥攪拌樁（DCM 樁）工藝采用專業(yè)的DCM 樁施工船舶，根據(jù)設(shè)備類別和工作性能可分為5 大系統(tǒng)，分別為船舶操作系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、制漿系統(tǒng)、處理機(jī)、鉆桿系統(tǒng)。各系統(tǒng)之間通過可編程邏輯控制器（PLC）相互傳遞信息，協(xié)調(diào)工作。

在噴漿制樁前，設(shè)備按照給定的水灰比計(jì)算每立方米水泥漿中水泥及水的用量，輸入制漿系統(tǒng)進(jìn)行制漿[1]。在噴漿成樁過程中，處理機(jī)鉆頭會(huì)以設(shè)定好的流量噴出制漿系統(tǒng)生產(chǎn)出的水泥漿，同時(shí)處理機(jī)會(huì)以設(shè)置好的速度上升或下降。DCM樁體由水泥漿及泥面下原狀土混合攪拌而成。樁體的強(qiáng)度很大程度上由單位體積樁體水泥摻量決定。而單位體積水泥摻量則由水泥漿水灰比、噴漿流量及處理及鉆頭上升或下降速度決定。

式中，α為單位體積的水泥摻量，kg/m3；m水、m水泥為每方米水泥漿中水與水泥質(zhì)量，kg；V為水泥漿噴漿速率，L/min；V處理機(jī)為噴漿過程中處理機(jī)下貫（上拔）速度，m/min；ρ水泥漿為一定水灰比下，水泥漿理論密度，L/m3；S單樁截面積為DCM 樁體橫截面積，m2。

在施工前，為保證樁體單位體積水泥摻量穩(wěn)定，通過電腦操作系統(tǒng)設(shè)定好制漿過程及成樁過程的V、m水、m水泥、ρ水泥漿、S單樁截面積及V處理機(jī)。而處理機(jī)速度V處理機(jī)由控制處理機(jī)升降的絞車轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制[2]。

2 潮汐運(yùn)動(dòng)對(duì)處理機(jī)速度的影響

通過第1 節(jié)水上深層水泥攪拌樁施工原理可以看出，要想得到一個(gè)穩(wěn)定且準(zhǔn)確的水泥摻量，保證樁體質(zhì)量合格且穩(wěn)定，需控制好處理機(jī)的升降速率。然而單純通過控制絞車轉(zhuǎn)速，只能控制處理機(jī)相對(duì)于船體本身的速度，這相對(duì)于樁體的絕對(duì)速度是存在一定誤差的，這個(gè)主要的誤差來源是船體受潮汐影響而存在的升降[3]。

如圖1 所示，在漲潮時(shí)進(jìn)行下貫噴漿，處理機(jī)向下運(yùn)動(dòng)并在鉆頭位置進(jìn)行噴漿。此時(shí)處理機(jī)速度，絞車速度及漲落潮速度存在如下關(guān)系：

圖1 漲潮時(shí)下貫噴漿船體示意圖

式中，V絞車為電腦操作系統(tǒng)設(shè)置的絞車控制處理機(jī)相對(duì)于船體的速度，m/min；V漲落潮為噴漿過程中潮水上漲下落的速度，其中上漲為正，下落為負(fù)，m/min。

同理，在進(jìn)行上拔噴漿的過程中，其關(guān)系則如下：

這種差異，在操作系統(tǒng)界面，顯示絞車速度及在鉆頭處設(shè)置傳感器顯示鉆頭絕對(duì)速度的GL 速度中也能觀測出，如圖2 所示。

圖2 絞車速度與鉆頭絕對(duì)速度差異示意圖

在梅山港口基礎(chǔ)設(shè)施重點(diǎn)項(xiàng)目海堤及陸域形成工程進(jìn)行DCM 樁施工中，最初設(shè)置絞車速度時(shí)，未考慮潮水對(duì)處理機(jī)速度的影響。以通過公式（1）推導(dǎo)出的處理機(jī)速度設(shè)置絞車速度，為保證現(xiàn)場施工質(zhì)量，增加保險(xiǎn)系數(shù)以增加噴漿量，將上拔（下貫）噴漿的絞車速度設(shè)置為：

即將絞車速度設(shè)置為根據(jù)設(shè)計(jì)水泥摻量計(jì)算的處理機(jī)速度，再設(shè)置0.02 m/min 的保險(xiǎn)量。在此基礎(chǔ)上，統(tǒng)計(jì)了兩天內(nèi)12 組DCM 樁（共36 根）的水泥漿使用量與設(shè)計(jì)量的對(duì)比值，為了更直觀地顯示差異，將兩者之間差值的百分比進(jìn)行了相關(guān)計(jì)算及統(tǒng)計(jì)，如表1 所示。

表1 未根據(jù)潮汐情況調(diào)整絞車速率噴漿量統(tǒng)計(jì)表

可見，在此情況下，雖能保證施工質(zhì)量，但實(shí)際噴漿量與設(shè)計(jì)值相比差值浮動(dòng)較大，而噴漿量不穩(wěn)定，則會(huì)導(dǎo)致樁體內(nèi)水泥摻量（水泥漿內(nèi)水泥摻量由制漿系統(tǒng)控制，不受處理機(jī)、鉆桿系統(tǒng)影響）不穩(wěn)定，會(huì)使樁與樁之間，樁體內(nèi)各部分間強(qiáng)度不穩(wěn)定，故項(xiàng)目整體質(zhì)量控制不穩(wěn)定，且材料浪費(fèi)較大（4.22%）。因此，為保證項(xiàng)目質(zhì)量穩(wěn)定，材料控制得當(dāng)，重點(diǎn)需控制處理機(jī)、鉆桿系統(tǒng)的運(yùn)行速度穩(wěn)定[4-5]。

3 根據(jù)潮汐情況調(diào)整施工參數(shù)及公式

通過第2 節(jié)潮汐運(yùn)動(dòng)對(duì)處理機(jī)速度的影響的描述，以上拔噴漿為例，受到潮汐運(yùn)動(dòng)影響，漲潮會(huì)使處理機(jī)絕對(duì)速度大于絞車設(shè)置速度；相反，落潮會(huì)使其速度小于絞車設(shè)置速度。因此，在操作前設(shè)置處理機(jī)速度時(shí)，應(yīng)提前根據(jù)潮汐表計(jì)算上拔噴漿時(shí)的潮汐速度。漲落潮速率：

式中，A為噴漿前時(shí)刻的水位，m；B為之后1 h 水位，m；V漲落潮為噴漿過程中潮水上漲下落的速度，其中，上漲為正，下落為負(fù)，m/min。

結(jié)合式（1）、式（3）及式（5），上拔噴漿時(shí)應(yīng)設(shè)置絞車速度為：

同理，結(jié)合式（1）、式（2）及式（5），下貫噴漿時(shí)應(yīng)設(shè)置絞車速度為：

4 調(diào)整絞車速度后噴漿量統(tǒng)計(jì)及鉆芯取樣檢驗(yàn)

根據(jù)式（6）和式（7）有針對(duì)性地進(jìn)行絞車速度調(diào)整，并仍對(duì)連續(xù)12 組DCM 樁進(jìn)行噴漿量統(tǒng)計(jì)，得出數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 根據(jù)潮汐情況調(diào)整絞車速率后噴漿量統(tǒng)計(jì)表

由表2 可見，經(jīng)過調(diào)整絞車速度計(jì)算公式后，實(shí)際噴漿量與設(shè)計(jì)噴漿量相比，兩者之間差異變?。ㄕ`差1.16%）且不會(huì)出現(xiàn)明顯上下浮動(dòng)，且均能滿足設(shè)計(jì)要求。

在隨后的鉆芯取樣中，調(diào)整計(jì)算公式后的鉆芯檢測結(jié)果顯示，芯樣強(qiáng)度穩(wěn)定，且能滿足設(shè)計(jì)要求的1.5 MPa 設(shè)計(jì)值，在此不列舉。

5 結(jié)語

在梅山港口基礎(chǔ)設(shè)施重點(diǎn)項(xiàng)目海堤及陸域形成工程進(jìn)行DCM 樁施工中，筆者通過觀察不同時(shí)間段船舶設(shè)備制樁噴漿量的不同，并結(jié)合潮汐運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，經(jīng)分析、計(jì)算、推導(dǎo)及實(shí)踐修改、驗(yàn)證等環(huán)節(jié)，將潮汐運(yùn)動(dòng)對(duì)DCM 樁施工的影響進(jìn)行量化，并得到了驗(yàn)證，提出了相應(yīng)改進(jìn)措施。潮汐運(yùn)動(dòng)的影響同樣適用于其他由絞車控制處理制樁速度的工程，如擠密砂樁等。故上述方法及得出公式同樣適用于或可用于參考海上擠密砂樁的施工。