DCM桩在岛体斜坡式围堰地基加固中的应用

吴 加 武

(广东省航运规划设计院有限公司， 广东 广州 510050)

水下深层水泥搅拌桩(简称DCM桩)是通过特制的施工船机将水泥系固结材料与地基土原位强制搅拌混合的一种地基加固技术，具有适用范围广、加固深度大、质量稳定、环保等特点[1-2]。该工法主要用于码头、护岸、防波堤、跨海大桥基础、海上人工岛等工程的软土地基加固，可提高地基强度，防止过大沉降变形、滑动及砂土液化等[3]。日本在该技术领域处于领先地位，国内一直未能全面掌握DCM桩的核心技术。近年我国加快了DCM桩施工船机的研制，自主打造了一批DCM桩施工船机，应用于香港机场第三跑道工程，香港综合废物处理设施项目、香港东涌填海项目等工程，加固效果显著[4]。

根据加固要求的不同，DCM桩簇有块式、壁式、格栅式、桩式等布置方式[5]。与陆上水泥搅拌桩复合地基相比，水下DCM桩复合地基在工程设计、施工工艺以及周边环境等方面均存在差异，其复合地基相关理论研究滞后于工程实践，仍处于探索阶段[4]。因此，研究水下DCM桩的特点及其加固效果非常必要。

1 项目概况

广东珠三角地区某人工岛工程，采用管袋砂形成临时围堰，内部填砂筑岛的方案。临时围堰结构安全等级二级，设计高水位1.89 m，设计低水位-0.73 m，场地抗震设防烈度7度(0.15g)，设计地震分组第一组。工程区域泥面在标高-2.7 m左右，表层连续分布有厚度不等的淤泥—淤泥质粉质黏土层，软土层厚度12 m～20 m，含水率约60%，孔隙比约1.75，呈流塑状。为保证围堰整体稳定并满足地基承载力要求，采用DCM桩加固围堰下方软土，陆域内部采用砂桩处理。

2 DCM桩水泥土无侧限抗压强度

根据国家“九五”重点攻关项目《深水枢纽港关键技术及示范工程》[6]中的《海上深层水泥搅拌桩加固软基技术(海上CDM工法)研究》专题之一—水泥搅拌土工程特性研究(海上CDM工法)的研究成果。海上CDM工法现场某龄期强度与其对应的现场90 d龄期抗压强度的关系式：

(1)

式中：a=24.238 d，b=0.7204；quTi为现场某龄期抗压强度，MPa；qu90为现场龄期90 d抗压强度，MPa；Ti为水泥土试验龄期，d。

图1quTi/qu90-Ti关系曲线

图1表明，海上DCM桩水泥土无侧限抗压强度早期增长速度快，后期增长速度缓慢，28 d后水泥土强度仍有较大增长，这与陆上水泥搅拌桩水泥土强度增长规律类似。

根据式(1)，当已知现场某一龄期强度时，可预测现场其他龄期的强度。

根据《水运工程地基设计规范》[7](JTS 147—2017)条文说明，水泥搅拌桩现场加固体的平均强度和室内加固土的平均强度之比，海上工程采用大型机械加固时多采用1.0。文献[6]工程实测数据显示，现场强度仍然呈现低于室内强度的特点。因此，有条件时，应以现场试桩强度作为设计依据。

3 设计方案及计算分析

3.1 设计方案

岛体围堰上部结构采用斜坡式抗浪砂袋，地基采用水下DCM桩进行软基处理。DCM桩施打完成后，铺设一层土工格栅及一层砂肋软体排，施工斜坡式抗浪砂袋后，岛体内吹填中粗砂形成陆域。DCM桩桩簇直径2.3 m，间距4.8 m，正三角形布置，置换率23.21%，平均桩长约20 m，桩体进入中密粗砂层顶面且穿透软土层底面不少于2 m，设计桩顶高程-4.70 m。根据工期要求，采用水泥土28 d无侧限抗压强度作为设计标准，要求不小于1.2 MPa。DCM桩施打前，将原泥面2 m厚的浮泥置换为中粗砂，一方面通过增加围压保证桩顶成桩质量，另一方面流失的水泥浆液进入中粗砂层孔隙，减少拱淤并形成硬壳层，增加对桩顶的约束，减少桩顶侧向变形，并提高桩间土承载力。DCM桩位布置图见图2，DCM桩地基处理断面图见图3。

图2DCM桩位布置图(单位：mm)

3.2 计算分析

(1) 水泥掺量。本工程与邻近海底隧道沉管标段土层分布情况及土层物理力学指标较为接近，沉管标段已有50 d～60 d的DCM现场试桩无侧限抗压强度数据及施工经验。本工程工期紧，不考虑进行现场水泥配合比及工艺试桩。依据海底隧道沉管标段试桩成果资料，采用式(1)推算现场28 d水泥土无侧限抗压强度，计算结果见表1。根据表1不同水泥掺量的水泥土抗压强度指标，无侧向抗压强度主要由下部淤泥质粉质黏土层控制，这也反映了DCM桩同陆上水泥搅拌桩同样具有上部加固效果较下部好的特点。当P.O52.5水泥掺入量为320 kg/m3，即水泥掺入比约18%时，现场28 d无侧限抗压强度可达到1.2 MPa以上，并具有足够的保证率。

(2) 水灰比。根据香港机场第三跑道工程及沉管标段试桩施工经验，水灰比可取0.8～1.0，本工程取0.9。

图3 DCM桩地基处理断面图(单位：平面尺寸为mm，高程为m)

(3) 复合土层综合抗剪强度。根据文献[8—10]，抗滑稳定性分析中水泥搅拌桩复合土层的综合抗剪强度指标可采用下式计算：

tanφsp=mtanφp+(1-m)tanφs

农垦经济保持稳步增长态势。预计2018年农垦生产总值8181.68亿元，较上年增加268.06亿元，增长3.39%。粮食和重要农产品产量稳步增长，预计2018年粮食、棉花、糖料、天然橡胶产量分别达到3639.47万吨、219.16万吨、779.61万吨、35.33万吨，分别较上年增加123.98万吨、46.38万吨、20.21万吨、6.23万吨，分别增长3.53%、26.84%、2.66%、21.41%。

(2)

csp=(1-m)cs+mcp

(3)

式中：φsp、csp分别为复合土层内摩擦角和黏聚力；φp、cp分别为桩体内摩擦角和黏聚力；φs、cs分别为桩间土内摩擦角和黏聚力；m为面积置换率。

聂文峰等[11]采用有限元分析了水泥搅拌桩加固软土路堤的稳定性，指出水泥搅拌桩限制了地基潜在滑裂面的形成和贯通，安全系数随着桩体抗剪强度的增加而增加，但桩体抗剪强度取值不宜过大，以免高估地基稳定性。文献[8]中，建议水泥土黏聚力cp与无侧限抗压强度的比值取cp/qu=0.2～0.3，内摩擦角φp取20°～30°。文献[10]中，建议高压旋喷桩黏聚力cp与无侧限抗压强度的比值为cp=qu/6(qu为水泥土无侧限抗压强度)，内摩擦角φp取20°～30°。本工程DCM桩桩身强度较高，为安全起见，按文献[10]取cp=qu/6，即DCM桩桩体黏聚力cp取200 kPa，内摩擦角φp取25°。由式(2)、式(3)计算得到复合土层综合抗剪强度，见表2。

表2 DCM桩复合土层综合抗剪强度指标

(4) DCM桩复合地基稳定性。利用Rocscience-Slide边坡稳定分析软件，计算方法采用瑞典简单条分法。本工程施工速度快，且施工完成即投入使用，土体抗剪强度指标保守采用直接快剪指标。各工况下岸坡稳定性计算得到的最小抗力分项系数均能满足规范[7]的要求，计算结果见表3。

表3 岸坡稳定计算最小抗力系数汇总表

(5) DCM桩复合地基承载力。根据规范[7,12-13]，水泥搅拌桩复合地基承载力特征值可按下式计算：

fspk=mRa/Ap+β(1-m)fsk

(4)

式中：fspk为复合地基承载力特征值，kPa；Ra为单桩竖向承载力特征值，kN；Ap为搅拌桩截面积，m2；β为桩间土承载力发挥系数；fsk为处理后桩间土承载力特征值，kPa；m为面积置换率。

单桩竖向承载力特征值可按下式取最小值[10]：

Ra=∑upiqsiali+αqpaAp

(5)

Ra=0.5quAp

(6)

式中：upi为第i层土处桩周长，m；qsia为第i层土侧阻力特征值，kPa；li为桩长范围内第i层土的厚度，m；α为桩端天然地基土承载力折减系数；qpa为桩端地基土未经修正的承载力特征值，kPa；qu为现场取芯水泥土无侧限抗压强度，MPa。

桩端天然地基承载力折减系数α取值，《建筑地基处理技术规范》[12](JGJ 79—2012)建议α取值0.4～0.6。《建筑地基处理技术规范》[13](DBJ 15-38—2005)根据珠海市306根水泥搅拌桩抽芯报告，发现桩端扰动深度不大于0.5 m，且到底是由于施工质量不好造成的还是钻孔取芯操作不当造成的并无定论。另外，水泥土搅拌桩是一种介于柔性桩与刚性桩之间的半柔半刚桩，其桩端持力层的承载力应介于刚性桩端阻力和天然地基承载力之间。综合上述因素，广东省标准建议α取值0.6～0.8。林奕禧等[14]分析了珠海地区水泥搅拌桩承载力实测数据，建议桩端土层地基承载力发挥系数α取值不宜小于1.0。DCM桩桩簇处理机设置了桩底处理专用的喷浆口和着底智能控制系统，可保证桩端粗砂层质量。另外，本工程DCM桩长约20 m，直径2.3 m，长径比小，刚度大，桩端土层强度亦可得到充分发挥。因此，本工程桩端天然地基承载力折减系数α按广东省标准取0.8。

由式(5)～式(6)计算得到的DCM单桩竖向承载力特征值由桩周土及桩端土总抗力控制，且接近桩身强度控制值。由式(4)得到DCM桩复合地基承载力特征值fspk=135 kPa。

4 主要施工工艺和加固效果

水下DCM桩采用“W”曲线型搅喷施工工艺，其主要施工步骤为：钻杆入水→钻杆入土→钻进搅拌喷水切土→坐底搅拌喷浆→桩底区段复搅喷浆→上提搅拌喷浆→桩顶区段复搅喷浆→钻杆提出水面。土中钻入和提升速度为0.3 m/min～1.0 m/min，本工程DCM桩桩长约20 m，单桩施工时间约140 min，单船三台桩簇处理机，可同时施工3根DCM桩。

DCM桩施工结束至少28 d后，选取4根DCM桩进行现场抽芯，取芯器为双管单动(双重管)与三管单动取芯器(三重管)，现场根据芯样强度调整取芯器。测定芯样无侧限抗压强度，采用式(1)推算得到28 d现场抽芯抗压强度最小值为1.52 MPa，满足抗压强度不小于1.2 MPa的设计要求。项目实施过程中，深层水平位移及表层沉降位移观测等监测项目指标正常。可见，本工程采用DCM桩进行海上软土地基处理是有效可行的。

5 结 语

(1) 由于陆上和水上施工设备不同，其形成的搅拌桩直径和强度有很大区别，采用大型设备施工的水下DCM桩施工质量明显优于陆上水泥搅拌桩，其对海上工程软土地基加固是有效可行的。

(2) 海底表层流泥换填粗粒料并铺设土工加筋层，具有以下作用：增加上覆压力保证桩顶质量；利用流失的水泥浆液充填粗粒料，减少拱淤并形成硬壳层；增加对桩顶的约束，减少桩顶侧向变形，对复合地基稳定性和承载力有利；提高桩间土承载能力，减少桩土应力比，有利于复合地基受力和刚度均匀化。

(3) 水下DCM桩复合地基相关理论研究滞后于工程实践，还需进一步深入研究。