水泥深层搅拌桩的关键参数及匹配关系研究

彭瑞

（中交第一航务工程局有限公司，天津 300461）

0 引言

水泥深层搅拌技术简称DCM（Deep Cement-Mixing）技术，在香港机场第三跑道工程项目大规模应用后，又在深中通道项目获得应用。籍此推动，中国工程界关于DCM的认识发生了明显的变化，公开发表的有关DCM的技术论文有增加的趋势[1-13]。关于DCM的核心技术，尤其是参数匹配关系，目前流传的一些论点缺乏系统性，存在较多的模糊地带，有的可能还存在较大争议。直接导致两个后果：一是水泥用量被不合理的加大、施工效率被不合理的降低；二是施工工艺存在较大的不确定性，缺乏关于工艺符合性评估的成套理论。很多情况下，出现DCM成桩质量不满足要求的问题时，缺乏因果关系明确的解决途径。

其实这也是香港机场项目DCM施工遇到的问题。作为第一个进入香港机场DCM施工现场的团队，作为试验段施工和工艺验证的责任方，必须解决这些问题。尽管坚持了科学严谨的技术路线，比如：全面研究了日本、韩国的DCM施工技术和经验，针对香港机场项目DCM特点进行了专门的理论分析，进行了严格的室内试验，并据此确定了一套DCM施工参数，但现场试验结果是失败的。第一阶段现场试验水泥用量达到了380 kg/m3，桩体钻芯取样结果如图1所示，几乎选不出合格的芯样。

本研究就是从这里起步的。研究的最终成果是水泥用量减少到了220 kg/m3，同时，桩体钻芯取样结果有非常显著的改善，如图2所示。

由此可见，水泥用量并不是唯一的和最重要的参数，否则就无法解释水泥用量降低了42%，成桩质量却有显著提升。决定成桩质量最重要的因素是什么？下文进行主要论述。

图1 第一阶段DCM芯样照片Fig.1 Core sample of stage 1 of DCM

图2 第三阶段DCM芯样照片Fig.2 Core sample of stage 3 of DCM

1 理论分析

1.1 目的和思路

理论分析的目的拟从总体上、逻辑上确定：到底哪些参数可能影响到DCM的成桩质量、可能的影响方式和权重、参数间可能的相互关系等。提出上述研究思想主要源于以下事实：一是原状土的室内试验结果离散性太大，与现场DCM成桩质量之间的相关性不是很好；二是以1.8倍设计强度对应的原状土室内试验确定的水泥用量，作为现场施工的水泥用量，概念和逻辑都不是很清晰。图3、图4分别为第一阶段原状土室内试验（3种土：Case1、Case2、Case3；3种水泥用量：300 kg/m3、350 kg/m3、400 kg/m3；各 10 组试验）无侧限抗压强度（即UCS）的分布图和均值图。很明显，UCS的离散范围很大；均值图虽然表现出一定的趋势性，但曲线的斜率非常小。本项目设计强度1.2 MPa，1.8倍的设计强度是2.16 MPa，据此由均值曲线求水泥用量（如Case2约为380 kg/m3），显然逻辑不够严密。

图3 第一阶段室内试验强度分布图Fig.3 Distribution of UCS of stage 1 indoor test

图4 第一阶段室内试验强度均值图Fig.4 Mean graph of UCS of stage 1 indoor test

因此有必要从微观、宏观和作业过程3个层面考虑问题，以厘清参数间的内在联系。为达到该目的，需要提出假定、建立模型，在此基础上确定技术路线，设计试验并以试验结果验证假定的正确性。

1.2 基本假定

假定一：采用DCM技术施工形成的水泥土，微观上是一种蜂窝结构，骨架是由水泥与水经过水化反应后，其生成物与土颗粒再进行活化反应后形成的；骨架之间的空隙由水化反应后多余的自由水填充。

这一微观假定很重要，从中至少可以推出以下结论：1）最终影响水泥土骨架结构强度的是活化反应而不是水化反应。这样才抓住了问题的本质，才能找到正确解决问题的途径。但可能颠覆了很多人的常识；2）水泥是在“超水”状态下进行水化反应的，除水化水之外，还有很多自由水。此外，在水泥土蜂窝结构中，空隙中充满水强度高还是空着强度高，这也是一个需要讨论的问题。但无论如何，水灰比的大小、DCM搅拌钻机贯入过程中喷水的多少，都不至于因为水多而对水泥土的强度产生显著的负面影响。这与混凝土的有关理论完全不同。

假定二：DCM桩体的宏观质量（以桩体钻芯取样获得的芯样为代表），不仅取决于水泥土蜂窝结构的特性，还取决于大尺度上蜂窝结构的不均匀性。不均匀性对取芯率和芯样UCS的影响是显著的。

假定三：原状土室内试验在理论上不自洽，需要修正。主要体现在以下三方面：1）选择天然含水率进行搅拌试验，反应的不是施工过程的真实情况；2）室内搅拌机模仿DCM搅拌钻机，搅拌效果与实际情况相差很大；3）土体埋深对搅拌效果及水泥土微观结构的形成过程有影响，目前的室内试验没有引入这方面的参数。

这个假定是在分析了大量有关日本和韩国的原状土室内试验结果与现场芯样试验结果的相关性资料后，大胆提出的（并首次用于解决香港机场项目DCM施工参数设计）。

假定四：DCM施工作业过程中，关键参数都是可测量的，在一定的精度范围内是可控制的，在正常波动范围内是可实现自动反馈调整的。

1.3 基础模型

建立DCM参数与DCM成桩质量的关系模型，认为DCM参数的匹配关系决定DCM的成桩质量，且存在特定的匹配逻辑和最佳匹配关系。模型的逻辑主线是参数分类，依据上述假定对各类参数的功能进行重新定义，以最大限度减小不同类别参数之间的不可描述的关联关系，同时建立参数之间的精确关系或经验关系。

第一类参数：原状土室内试验有关参数。依据上述假定，有必要减少其数量及所代表的特性，不再提出代表天然含水率、模仿DCM搅拌钻机的实际搅拌效果等要求。将原状土室内试验目的简化为：仅揭示活化反应的最佳效果。

第二类参数：水泥用量。同样依据上述假定简化其关联关系，将其重新定义为：理想状态下，达到活化反应最佳效果的最小水泥用量。

第三类参数：水泥土宏观分析参数。除了取芯率、UCS外，需要增加桩体芯样的表观特征参数（包括切片）、搅拌效果的评价参数等。

第四类参数：原土搅拌过程控制参数。细化“切土搅拌次数”定义，分为“总切土搅拌次数”和“净切土搅拌次数”。提出“预搅拌”概念并相应增加有关参数。增加最小切土速率、预搅拌切土过程的注水量等参数。

第五类参数：DCM搅拌钻机的固定参数。包括搅拌头类型和尺度，喷浆口的类型、数量、位置，搅拌刀片的类型、刀面角度、每层刀片数、刀片层数和层间距，注浆泵的类型、水/浆转换阀门的位置、各段注浆管的内径和长度等。增加注浆系统的时间滞后效应参数。

第六类参数：DCM搅拌钻机的可调节参数。包括提升/贯入速率、搅拌刀片旋转速率、注浆压力和速率、动作提前/滞后时间等。

1.4 分析结论

用上述模型分析第一阶段的室内试验和现场试验结果，可得出如下结论：

1）应按“揭示活化反应最佳效果”的原则，重新设计原状土室内试验；

2）选用“达到活化反应最佳效果的最小水泥用量”设计现场试验；

3）选用新定义的“水泥土宏观分析参数”综合分析第一阶段的试验成果，界定问题并推断因果关系；

4）通过匹配第四类、第六类参数解决剩余问题。

上述4条结论，体现了本研究试验设计的技术路线。实际上它从一个侧面简要反映了DCM核心技术中参数匹配的关键逻辑和关系。也正是这4条结论，推动解决了DCM技术在香港机场项目应用前期遇到的所有技术问题。

稳定性提高：由一个环路化成三个环路，三个环路独立运行互不干扰，末端的变化不会影响到主机（传统的一个环路末端变化一定会影响到主机，三个小环的末端变化影响到主机的概率变小。）。

2 试验设计及结果分析

2.1 第二阶段原状土室内试验成果

第二阶段原状土室内试验成果如图5、图6所示。

图5 第二阶段室内试验强度分布图Fig.5 Distribution of UCS of stage 2 indoor test

图6 第二阶段室内试验强度均值图Fig.6 Mean graph of UCS of stage 2 indoor test

重新设计原状土室内试验后，试验结果的离散范围显著缩小。按图6的Case2曲线，“达到活化反应最佳效果的最小水泥用量”仅为220 kg/m3。

2.2 第二阶段现场试验

用新定义的“水泥土宏观分析参数”综合分析第一阶段试验成果，得出以下结论：1）取芯率低的主要原因是“活化反应”不充分，没有形成有效的“蜂窝结构的骨架”；2）芯样切片揭示：较大土块的平均含量超过切片面积的22%，说明“预搅拌”不充分；3）水泥分布不均匀，说明搅拌效果较差；4）普遍存在较大的无水空隙或散状粒料，推测可能有“干搅拌”区域。

上述问题涉及到的参数很多，增加了试验方案设计的难度。在水泥用量固定的情况下，搅拌效果是主要矛盾。反映搅拌效果的参数主要是搅拌刀片总切土搅拌次数，其中贯入阶段的预搅拌过程和喷浆提升阶段的净搅拌过程，切土搅拌所起的作用不同，需要分开考虑。由于现场试验成本很高，只能设计3组试验（每组3根桩，共9根桩），因此选择了表1所示的参数组合。

第二阶段现场试验效果最好的是S-2.2.1组，同一土层与第一阶段试验可对比的芯样照片如图7所示。调整参数匹配后，成桩质量明显提升。

表1 第二阶段现场试验分组参数表Table 1 Grouping parameters for stage 2 in-situ test

图7 第二阶段DCM芯样照片Fig.7 Core sample of stage 2 of DCM

应该说本阶段试验还是不成功的。综合分析，得出以下结论：1）芯样切片揭示：较大土块的平均含量还是超过了切片面积的9%，说明“预搅拌”还不充分；2）仍然存在水泥分布不均匀的切片，说明搅拌效果还未达到要求；3）还存在较大的无水空隙或散状粒料，推测预搅拌的注水量不足。据此进一步优化参数匹配，设计第三阶段试验。

2.3 第三阶段现场试验

在第二阶段S-2.2.1组的基础上进行参数调整，做1组试验（3根桩），用于最终效果验证。调整后的参数组合如表2所示。

表2 第三阶段现场试验分组参数表Table 2 Grouping parameters for stage 3 in-situ test

本阶段参数调整有3个关键点：1）加快贯入阶段预搅拌时刀片的转速，提升破土能力，同时将预搅拌次数增加到280次；2）降低喷浆提升阶段搅拌刀片的转速，同时也降低提升速率，达到慢搅、充分搅匀的效果；3）增加了总切土搅拌次数，由760次增到813次，增加了近7%。基于第二阶段试验基本上验证了本文所做假定及所建立基础模型的有效性，加之第一、二两阶段试验的关联分析所提供的数据支撑，基本上可以判定上述参数匹配满足在现场实现“活化反应最佳效果的”要求。桩体钻芯取样结果最终证明：试验成功。芯样照片已在本文引言部分（图2）展示了，完整性非常好，表面光滑、色泽均匀；28 d无侧限抗压强度（UCS）试验结果如图8所示，除顶部区域外，强度均大于1.2 MPa，且1组试验中的3根桩，强度随标高变化的趋势也非常相似。

图8 第三阶段现场试验28 d强度-标高图Fig.8 Curves of 28 d UCS and elevation of stage 3 in-situ test

3 问题讨论

1）选用“达到活化反应最佳效果的最小水泥用量”设计现场试验是否有问题？

单纯从理论上看好像有问题：没有考虑安全裕度。但现场试验结果证明没问题，如图8所示。这是因为原状土室内试验忽略了土体埋深（土压力）这一约束条件，对搅拌效果及水泥土微观结构形成过程产生的有利影响。对于同一或特性相近的土层，这一影响几乎是线性的，如本文介绍的Case2土样（标高范围为-11.3～-22.5 m），UCS随埋深的增长率接近10%，有足够的安全裕度。

2）本研究的试验数量是否足够？

由于时间和成本限制，且本研究立足于快速解决具体问题，因而设计了最为精简的试验方案。严格讲，正常开展该项工作还应增加很多试验内容。需要说明的是香港机场DCM施工项目已经圆满完工，大量原型观测证明试验结果可靠。

3）“预搅拌”很重要吗？

这要看土质，依据“水泥土宏观分析参数”确定，不能一概而论。但就香港机场项目而言，预搅拌不充分，或预搅拌过程加水不足，是导致DCM成桩质量不合格的主要原因。

4 结语

DCM技术的核心内容是参数匹配。研究DCM要深入研究参数匹配问题。香港机场DCM施工实践证明本文提出的参数匹配模型是有效的。