提高DCM 成桩质量施工控制要点研究

李猛

（中交海洋建设开发有限公司，天津 300451）

0 引言

在工程软基处理施工中，常以水泥作为固化剂的主要材料，通过与土体强制搅拌形成增强体的复合地基，称为深层水泥搅拌桩（DCM）复合地基[1-2]。在香港的某填海造地工程中，在海上采用DCM 工艺为该工程的软弱地基进行加固处理。

地质条件的改变对于DCM 成桩质量影响较大。前期地质条件进行勘测，施工中及时收录施工数据，在DCM 工艺成桩后，通过选取有代表性的桩体钻芯取样，标准养护28 d、90 d 检测。结合地质资料对不同的土体特性进行分析，总结不同特性的土体对水泥搅拌桩体强度发展的影响，针对性提出提高DCM 成桩质量施工控制要点，为完善DCM 施工工艺提供一定的参考。

1 工程概况

香港某国际机场项目采用DCM 工艺对海底基础进行加固，DCM 桩身的水泥掺量不设定最大值，不同区域海床的DCM 无侧限抗压强度分别为800 kN/m2、1000 kN/m2、1200 kN/m2、1400 kN/m2，通过试验来确定水泥掺量等数据。单个DCM 桩群设计截面积为4.6277 m2，由4 个直径1300 mm的单桩组成，DCM 桩群断面形式如图1 所示。设计图纸要求成桩芯样的28 d 抗压强度应达到设计强度的100%，质量要求较高。

图1 DCM 桩群断面形式图Fig.1 Section form of DCM pile group

1.1 土体情况

根据现场的地质勘探资料，自上而下分别为海相沉积物、硬质“干壳”、砂层、硬质黏土和风化岩。其中海相沉积物为质地柔软的淤泥层，相比之下，下方冲积层沉积物的组成则较为复杂，包含了与全球气候变化的若干阶段相关的冲积、河口、海相沉积物形成的土层。这些沉积物表面有明显的整体通道化特征，而土体内部表面则明显呈侵蚀状，以及由于长时间暴露而发生质变的硬质“干壳”和老沉积土。

分析施工区域地质剖面图，可以明确该施工区域内的土体存在明显交错，DCM 施工贯入过程中会穿过多个土层。

1.2 土体分析

施工区域内的土体成分复杂，在施工之前应对土体性质进行分析，充分了解土体特性并进行试桩。DCM 船应针对不同地层进行搅拌速度、提升/贯入速度和水泥掺量等工艺调整，总结施工要点以便对DCM 桩的施工质量进行有效控制。现场地质情况见表1。

表1 工程地质情况分析汇总表Table 1 Summary table of engineering geological analysis

2 工艺研究

2.1 工艺简介

在工程施工过程中，DCM 船根据设计文件要求而编制的W 曲线[3]作为工艺指导依据，进行DCM 桩的施工。

整个施工过程主要分为4 个阶段，分别是：

1） 自处理机下放开始，至设计桩底位置。此阶段中，主要进行处理机的喷水贯入。贯入过程主要经过淤泥层、冲击砂层和硬质黏土3 个主要土层。

2） 自设计桩底至喷浆前的回打。由于硬质黏土透水性较差、不易打碎，为保证后续喷浆后的土体混合搅拌质量，此阶段增加搅拌时间。

3） 处理机下喷浆口的喷浆搅拌。DCM 船每个处理机装有4 个搅拌轴。每个搅拌轴的上部和下部均有一个喷浆口，分别用于钻入和提升阶段喷浆，用于施工过程中的水泥浆喷射。此阶段使用下部喷浆口进行喷浆贯入搅拌。同时为保证桩底位置的搅拌质量，当处理机到达此处后将进行原地搅拌，保证搅拌次数达到设计要求。

4） 自桩底位置上提至桩顶。此阶段，在达到第一次开始喷浆位置后使用上喷浆口进行喷浆。施工中为保证桩体喷浆的连续性，进行水泥桩搭接处理。之后边喷浆边上提搅拌，该阶段主要在淤泥层中进行。

DCM 船喷浆口位置如图2 所示。

图2 DCM 船喷浆口位置图Fig.2 Shotcrete location of the DCM vessel

2.2 试桩成桩分析

2.2.1 试桩芯样取样

在试桩结束后，选取同一地质条件下的2 根设计强度相同桩进行检测。根据设计要求，在成桩不少于28 d 后，对计划进行检测的桩体进行抽样，分别检测28 d 和90 d 的无侧限抗压强度。芯样取出后，试验工程师首先对成桩芯样的表观质量进行检查，并分析汇总，形成记录。

2.2.2 芯样分析

设计文件检测要求，每1 m 桩长取出一个20 cm长的芯样，在标准养护环境下养护，进行28 d 和90 d 无侧限抗压强度UCS 检测，检测结果见图3。

图3 1 号2 号桩试验检测结果Fig.3 The test result of No.1 and No.2 piles

从图3 两根DCM 试桩的强度检测分布可以看出，两根桩均在标高约-15.0～-17.0 mPD 左右的位置呈现明显分界趋势。查看地质勘探资料可知此区间为土体自柔软砂质黏土层向硬质黏土层过渡的范围，也是土体中的有机质含量增加与pH 值增长的分界点。

在汇总试验数据和芯样分析的基础上，结合地质勘探资料，可以得出以下结论：

1） 原始地层中砂质土芯样的抗压强度更高，说明砂质土更易与水泥浆结合反应固化，有助于成桩质量；

2） 硬质黏土土体中的有机质含量高，成桩强度低。其原因可归为两点：

①在硬质黏土中的有机质含量高，有机物分解过程中产生酸性物质[4]。水泥浆呈弱碱性，在DCM 桩施工过程中，土体内的酸性物质与水泥浆发生中和反应[5]，减弱了水泥浆与水中游离的二氧化硅、活性氧化铝发生火山灰反应强度，影响凝结后形成水泥土的胶结强度，从而影响桩体强度；

②相较于砂质土层，硬质黏土土层的颗粒细小，相互之间黏结力较强，在贯入和提升过程中不易搅拌均匀，容易形成泥包留在桩内，从而降低了桩身强度[6]。

3 要点控制

针对试桩总结的经验，本工程DCM 船在进行海上深层水泥搅拌桩的施工过程中，从以下方面对施工过程进行控制：

1） 处理机的转速。本工程的技术规格书要求DCM 桩的上下8 m 桩体的单米搅拌次数不得低于900 r/min，中间部分桩体则不得低于450 r/min。在搅拌桩的上下8 m 和硬质黏土层进行充分搅拌，保证搅拌次数满足设计要求。

2） 处理机升降速度。在本工程应用中，在不同地质土层中采取不同的升降速度[7]。针对不易搅拌均匀的硬质黏土，适当降低升降速度，防止桩孔缩颈和形成泥包。速度控制直接影响泥浆的流速和单米的搅拌次数，在施工中应对其进行计算。保证在满足搅拌次数BRN 和水泥掺量的情况下，计算适合设备发挥最优性能的喷浆流速和转速。按公式（1）、公式（2）计算：

式中：∑M 为处理机搅拌翼数量，片；Nu为处理机贯入时的转速，r/min；Vu为处理机贯入时的速度，m/min；Nd为处理机提升时的转速，r/min；Vd为处理机提升时的速度，m/min。

式中：Q 为喷浆流速，L/min；S 为单根DCM 桩截面积，m2；L 为喷浆区域的长度，m；M 为设计配合比，kg/m3；W/C 为水灰比；ρ 为设计配合比下的水泥浆密度，g/cm3；V 为处理机上提/贯入时的速度，m/min。

3） 成桩过程喷浆量。对于透水性差的硬质黏土层，高转速的同时慢速钻进和提升，充分搅拌土体，增加水泥浆喷浆量，提升桩体强度[8]。

DCM 施工中，通过对以上施工要点进行严格控制，成桩质量得到很大提升，施工质量得到各方好评。

4 结语

DCM 作为一种新型的环保、高效的海洋地基处理工艺，将会越来越多用于海洋地基处理施工。对香港某工程试桩强度进行分析并总结施工要点，后续正式DCM 施工取得良好效果。对于不同地区的土体构成与施工条件，其复杂性和多变性对桩体强度的发展有着很大的影响。因此，在DCM 施工中，需要根据实际情况不断收集施工数据，不断丰富DCM 工艺的理论和实践经验，为我国D CM 施工工艺的完善贡献力量。