基于施工數據的水下深層水泥攪拌樁成樁質量影響因素分析

滕 超，劉志軍，王雪剛

(1.中交四航工程研究院有限公司，廣東 廣州 510230;2.中交交通基礎工程環保與安全重點實驗室，廣東 廣州 510230；3.南方海洋科學與工程廣東省實驗室(珠海)，廣東 珠海 519000)

水下深層水泥攪拌法(deep cement mixing，DCM)常用于近海地區的軟土加固，具有短期可獲取較高的地基強度、加固后地基變形小、對環境影響小等優勢，在日本和北歐已廣泛應用[1]。國內將DCM技術應用于水運工程，是在1989年加固完成的天津港東突堤北側碼頭工程[2]。隨著沿海城市圍海造陸工程大量出現，環保要求越來越高，工期越來越緊張，DCM施工以其環保、沉降小、耗材少、工期短等優點越來越受到重視。

寧華宇[3]以香港機場擴建工程為例，介紹水下DCM施工工藝及其試驗檢測，包括水泥、水原材料選擇及檢驗、水泥漿比重測試及試件成型、鉆芯取樣及芯樣無側限抗壓強度測試等；吳加武[4]結合深中通道項目實踐闡明：采用大型設備施工的水下DCM樁施工質量明顯優于陸上水泥攪拌樁，其對海上工程軟土地基加固是可行有效的；劉志軍等[5]在調研分析水下深層水泥攪拌法復合地基工程設計特點的基礎上，對鉆孔取芯、振動取樣、濕抓取樣、靜力觸探、鉆孔徑向加壓試驗、平板載荷試驗等潛在可行的水下深層水泥攪拌法復合地基檢測方法進行系統性分析；S.Horpibulsuk等[6]研究發現水灰比對固化土的強度和變形特性均起到控制性作用。

本文基于香港三跑水下DCM的勘察、施工、檢測成果，首先對大量的施工原始數據進行處理，統計得到不同DCM樁在各深度的主要施工參數(如噴漿量、噴水量、BRN等)。然后，結合DCM樁臨近勘察孔的土工試驗成果，按不同土類、不同深度進行分類，統計主要施工參數與DCM樁無側限抗壓強度的Pearson相關系數。最后，確定不同土層在不同深度施工時起控制作用的施工參數，為水下DCM樁施工工藝優化提供數據支撐。

1 工程概況

香港機場管理局在現有機場北部實施圍海造地以將機場跑道由2條擴建至3條。在現有機場以北填海拓地約650萬m2,并在周邊建造長約13.4 km的海堤。其中約300萬m2的海床采用深層水泥攪拌法等免挖法進行基礎加固。水下DCM處理其中局部造陸海域，包括C4區及C1、C2、C5護岸區(圖1)，DCM樁總計27 339根，總工程量約200萬m3,樁長5.0～29.0 m，為4軸梅花形，尺寸2.3 m×2.3 m，截面面積4.63 m2。

圖1 香港三跑施工平面布置

1.1 地質

香港三跑DCM施工區域地質情況復雜，主要包括污染淤泥土、海相淤泥和沖積土(圖2)。

1)污染淤泥土。香港機場三跑DCM施工區域自1992年底被作為香港疏浚填土工程中產生的大量污染淤泥的卸置場地，開挖了數個淤泥坑，利用海洋的自我凈化能力來凈化處理這些污染土。污染土淤泥的厚度在海床面以下10～30 m，天然含水率40%～60%，與土的液限非常接近；塑限20%～40%，塑性指數14～30；細粒含量高達80%～90%，其余為粉細砂、砂礫等，土體的有機質含量小于3%。

2)海相淤泥。海相淤泥為自然形成的的原狀海洋沉積物，主要由粉質黏土構成，含有少量細沙及貝殼類物質，厚10～35 m。其天然含水率在40%～60%，塑限20%～40%，塑性指數15～30。海相淤泥土細粒含量高達80%～95%，其余為粉質黏土、砂礫等，土體的有機質含量小于3%。

3)沖積土層。位于海相淤泥土層下部的土層材料包括砂、礫石、黏土，主要為硬塑黏土，壓縮性較小。

圖2 香港三跑DCM施工區域地質三維剖面圖

1.2 施工工藝

水下DCM現場施工主要分為定位、貫入、引拔切土處理、底部噴漿處理、上部噴漿處理、清洗等步驟(圖3)。水下DCM施工主要控制參數有水泥摻量、噴水量、每米攪拌次數(BRN)。施工過程中，系統會對施工電流、注水量、注漿量、上拔速度、下貫速度、高程、噴漿壓力等大量施工工藝參數進行實時記錄，記錄頻率為5 s/次。

圖3 水下DCM施工工藝

2 數據處理

結合檢測結果，對檢測樁的施工數據按1 m為單位統計其實際水泥摻量、BRN、噴水量，并以其最近的勘察孔作為土層劃分依據，以土工試驗成果作為其土層參數，建立起勘察-施工-檢測的因果關系。

2.1 施工數據處理

通常BRN計算公式如式(1)所示。該公式應用的前提是運行速率平穩、鉆速恒定，同時攪拌頭葉片須全部穿過土層。但在底層施工時，攪拌葉片并不能全部通過底層土(圖4)。

BRN=∑M(Nu/Vu+Nd/Vd)

(1)

式中：BRN為每米被加固土體攪拌切割轉動數(r/m)；∑M為單根鉆桿攪拌葉片總數；Nu為攪拌機提升轉動速度(r/min)；Vu為攪拌機的提升速度(m/min)；Nd為攪拌機貫入轉動速度(r/min)；Vd為攪拌機的貫入速度(m/min)。

圖4 攪拌頭觸底時有效攪拌葉片

為統計實際有效BRN值，首先提取噴漿后的原始記錄(BRN只計入噴漿后的攪拌次數)，再統計有效攪拌葉片在土層中的停留時間內的攪拌次數并進行累加，按式(2)計算。

(2)

式中：BRNh=i為高程i處的BRN值(r/m)；vdh=i為高程i處的鉆桿鉆速(r/min)；t為數據記錄間隔時間(s)；n為攪拌頭葉片總數；L為攪拌頭長度，取整數(m)。

由于底部噴漿階段采用下噴漿口噴漿，而上拔階段采用上噴漿口噴漿，所以，噴漿量分2部分統計，再將2個階段的高程調整后相加，水泥摻量按式(3)計算。

(3)

施工階段的噴水以下噴漿口為主，噴水量無需特殊處理，按式(4)計算。

(4)

式中：wh=i為高程i處的每米噴水量(kg/m3)；ρw為水的密度(kg/L)；Vwh=i為高程i處的噴水流速(L/min)。

2.2 勘察數據處理

根據香港三跑項目勘察資料，不同施工區域的DCM樁參考該區域最臨近的鉆孔，以該鉆孔的主要土工參數作為不同深度的土層參數。部分施工區域主要土工參數如表1所示。

表1 部分施工區域主要土工參數

3 相關性分析

根據室內土工試驗報告，分析區域內地層中的土主要有淤泥、淤泥質黏土、黏土3種。其中淤泥主要分布在1～11 m，但由于表層成樁質量與其他深度的成樁質量有明顯區別，故本次分析中將其分為淺表層淤泥(主要深度范圍1～7 m)，以及中層淤泥(主要深度范圍6～11 m)。淤泥質黏土在3～27 m均有分布，黏土主要深度范圍為10～19 m。故按土層參數簡化為3類，并針對其進行分析。各類土的主要參數如表2所示。

表2 土層深度及主要土工參數

針對3類土按不同深度分別統計主要參數與無側限抗壓強度(unconfined compressive strength，簡稱UCS)之間的Pearson相關系數。Pearson相關系數r適用于測度兩數值變量的相關性，按式(5)計算。

(5)

X=(x1,x2,…xn)

(6)

Y=(x1,x2,…xn)

(7)

式中：X，Y為2個隨機變量。xi為X中第i個變量，yi為Y中第i個變量，-1≤r≤1描述了2個變量線性相關的方向和程度：r> 0時，2個變量之間為正相關；r< 0時，2個變量之間為負相關；r=±1時，2個變量完全相關；r=0時，2個變量之間不存在線性相關關系。計算結果如表3所示。

表3 不同土層主要參數與UCS的Pearson相關系數

由表3可知，對于淤泥，淺表層淤泥(1～6 m)由于含水率高、液性指數高、流動性強，施工時易攪拌均勻、水泥漿易散失，成樁質量較差，不合格率達13.3%，水泥摻量及BRN與UCS不顯著正相關，因此加大水泥摻量及提高BRN，對提高水泥土無側限抗壓強度的效果均不明顯；土壓力與無側限抗壓強度呈顯著正相關(圖5)。因此，提高淺層淤泥成樁質量，主要通過鋪砂提高土壓力的方式來實現。對于中層淤泥，水泥摻量、BRN均與無側限抗壓強度呈顯著正相關關系，同時該土層成樁質量好，不合格率最低達0.7%。

圖5 淤泥(1～6 m)深度與無側限抗壓強度散點圖

對于淤泥質黏土，淺層淤泥質黏土液性指數相對較低，流動性一般，施工時易攪勻，水泥漿不易散失，土壓力與無側限抗壓強度呈顯著正相關性，而噴水量與之呈顯著負相關性；中層淤泥質黏土與噴水量呈顯著負相關性，與土壓力呈顯著負相關；深層淤泥質黏土與水泥摻量呈顯著正相關，與噴水量、土壓力呈顯著負相關。因此，提高淤泥質黏土成樁質量，無論深淺均可采取降低噴水量的方式。

同時，深層淤泥質黏土(≥20 m)成樁質量最差，不合格率達21.5%。當噴水量超過300 kg/m3時其UCS明顯降低(圖6)，因此，在深層淤泥質黏土施工時噴水量應控制在300 kg/m3以內。

圖6 淤泥質黏土(≥20 m)噴水量與無側限抗壓強度散點圖

對于黏土，其自身強度較高，易粘住攪拌頭，攪拌均勻性是影響黏土層成樁無側限抗壓強度最主要的因素，BRN與成樁無側限抗壓強度呈顯著正相關性，且深度越大，相關性越顯著。同時，不合格樣本均出現在BRN< 1 200 r/m內(圖7)。因此，提高黏土層成樁質量，主要通過提高BRN的方式，建議提高BRN至1 200 r/m。

圖7 黏土(10～19 m)每米攪拌次數與無側限抗壓強度

4 結論

1)水下DCM成樁質量較差的部位主要集中在淺表層淤泥(1～6 m)及深層淤泥質黏土(≥20 m)，是水下DCM施工的難點。

2)對于淺表層淤泥(1～6 m)，UCS與土壓力呈顯著正相關關系，與水泥摻量、BRN、噴水量等相關性不明顯，提高其成樁質量主要采取鋪墊砂層提高土壓力的方式。

3)對于淤泥質黏土，噴水量與樁體強度呈顯著負相關關系，施工中應采取降低噴水量的措施，同時，對于深層淤泥質黏土(≥20 m)，應將噴水量控制在低于300 kg/m3。

4)對于黏土，BRN與樁體強度呈顯著正相關關系，所有不合格樣本BRN< 1 200 r/m，因此，提高黏土層成樁質量應采取提高BRN的措施，建議提高至1 200 r/m。