水泥深層攪拌樁的關鍵參數及匹配關系研究

彭瑞

（中交第一航務工程局有限公司，天津 300461）

0 引言

水泥深層攪拌技術簡稱DCM（Deep Cement-Mixing）技術，在香港機場第三跑道工程項目大規模應用后，又在深中通道項目獲得應用。籍此推動，中國工程界關于DCM的認識發生了明顯的變化，公開發表的有關DCM的技術論文有增加的趨勢[1-13]。關于DCM的核心技術，尤其是參數匹配關系，目前流傳的一些論點缺乏系統性，存在較多的模糊地帶，有的可能還存在較大爭議。直接導致兩個后果：一是水泥用量被不合理的加大、施工效率被不合理的降低；二是施工工藝存在較大的不確定性，缺乏關于工藝符合性評估的成套理論。很多情況下，出現DCM成樁質量不滿足要求的問題時，缺乏因果關系明確的解決途徑。

其實這也是香港機場項目DCM施工遇到的問題。作為第一個進入香港機場DCM施工現場的團隊，作為試驗段施工和工藝驗證的責任方，必須解決這些問題。盡管堅持了科學嚴謹的技術路線，比如：全面研究了日本、韓國的DCM施工技術和經驗，針對香港機場項目DCM特點進行了專門的理論分析，進行了嚴格的室內試驗，并據此確定了一套DCM施工參數，但現場試驗結果是失敗的。第一階段現場試驗水泥用量達到了380 kg/m3，樁體鉆芯取樣結果如圖1所示，幾乎選不出合格的芯樣。

本研究就是從這里起步的。研究的最終成果是水泥用量減少到了220 kg/m3，同時，樁體鉆芯取樣結果有非常顯著的改善，如圖2所示。

由此可見，水泥用量并不是唯一的和最重要的參數，否則就無法解釋水泥用量降低了42%，成樁質量卻有顯著提升。決定成樁質量最重要的因素是什么？下文進行主要論述。

圖1 第一階段DCM芯樣照片Fig.1 Core sample of stage 1 of DCM

圖2 第三階段DCM芯樣照片Fig.2 Core sample of stage 3 of DCM

1 理論分析

1.1 目的和思路

理論分析的目的擬從總體上、邏輯上確定：到底哪些參數可能影響到DCM的成樁質量、可能的影響方式和權重、參數間可能的相互關系等。提出上述研究思想主要源于以下事實：一是原狀土的室內試驗結果離散性太大，與現場DCM成樁質量之間的相關性不是很好；二是以1.8倍設計強度對應的原狀土室內試驗確定的水泥用量，作為現場施工的水泥用量，概念和邏輯都不是很清晰。圖3、圖4分別為第一階段原狀土室內試驗（3種土：Case1、Case2、Case3；3種水泥用量：300 kg/m3、350 kg/m3、400 kg/m3；各 10 組試驗）無側限抗壓強度（即UCS）的分布圖和均值圖。很明顯，UCS的離散范圍很大；均值圖雖然表現出一定的趨勢性，但曲線的斜率非常小。本項目設計強度1.2 MPa，1.8倍的設計強度是2.16 MPa，據此由均值曲線求水泥用量（如Case2約為380 kg/m3），顯然邏輯不夠嚴密。

圖3 第一階段室內試驗強度分布圖Fig.3 Distribution of UCS of stage 1 indoor test

圖4 第一階段室內試驗強度均值圖Fig.4 Mean graph of UCS of stage 1 indoor test

因此有必要從微觀、宏觀和作業過程3個層面考慮問題，以厘清參數間的內在聯系。為達到該目的，需要提出假定、建立模型，在此基礎上確定技術路線，設計試驗并以試驗結果驗證假定的正確性。

1.2 基本假定

假定一：采用DCM技術施工形成的水泥土，微觀上是一種蜂窩結構，骨架是由水泥與水經過水化反應后，其生成物與土顆粒再進行活化反應后形成的；骨架之間的空隙由水化反應后多余的自由水填充。

這一微觀假定很重要，從中至少可以推出以下結論：1）最終影響水泥土骨架結構強度的是活化反應而不是水化反應。這樣才抓住了問題的本質，才能找到正確解決問題的途徑。但可能顛覆了很多人的常識；2）水泥是在“超水”狀態下進行水化反應的，除水化水之外，還有很多自由水。此外，在水泥土蜂窩結構中，空隙中充滿水強度高還是空著強度高，這也是一個需要討論的問題。但無論如何，水灰比的大小、DCM攪拌鉆機貫入過程中噴水的多少，都不至于因為水多而對水泥土的強度產生顯著的負面影響。這與混凝土的有關理論完全不同。

假定二：DCM樁體的宏觀質量（以樁體鉆芯取樣獲得的芯樣為代表），不僅取決于水泥土蜂窩結構的特性，還取決于大尺度上蜂窩結構的不均勻性。不均勻性對取芯率和芯樣UCS的影響是顯著的。

假定三：原狀土室內試驗在理論上不自洽，需要修正。主要體現在以下三方面：1）選擇天然含水率進行攪拌試驗，反應的不是施工過程的真實情況；2）室內攪拌機模仿DCM攪拌鉆機，攪拌效果與實際情況相差很大；3）土體埋深對攪拌效果及水泥土微觀結構的形成過程有影響，目前的室內試驗沒有引入這方面的參數。

這個假定是在分析了大量有關日本和韓國的原狀土室內試驗結果與現場芯樣試驗結果的相關性資料后，大膽提出的（并首次用于解決香港機場項目DCM施工參數設計）。

假定四：DCM施工作業過程中，關鍵參數都是可測量的，在一定的精度范圍內是可控制的，在正常波動范圍內是可實現自動反饋調整的。

1.3 基礎模型

建立DCM參數與DCM成樁質量的關系模型，認為DCM參數的匹配關系決定DCM的成樁質量，且存在特定的匹配邏輯和最佳匹配關系。模型的邏輯主線是參數分類，依據上述假定對各類參數的功能進行重新定義，以最大限度減小不同類別參數之間的不可描述的關聯關系，同時建立參數之間的精確關系或經驗關系。

第一類參數：原狀土室內試驗有關參數。依據上述假定，有必要減少其數量及所代表的特性，不再提出代表天然含水率、模仿DCM攪拌鉆機的實際攪拌效果等要求。將原狀土室內試驗目的簡化為：僅揭示活化反應的最佳效果。

第二類參數：水泥用量。同樣依據上述假定簡化其關聯關系，將其重新定義為：理想狀態下，達到活化反應最佳效果的最小水泥用量。

第三類參數：水泥土宏觀分析參數。除了取芯率、UCS外，需要增加樁體芯樣的表觀特征參數（包括切片）、攪拌效果的評價參數等。

第四類參數：原土攪拌過程控制參數。細化“切土攪拌次數”定義，分為“總切土攪拌次數”和“凈切土攪拌次數”。提出“預攪拌”概念并相應增加有關參數。增加最小切土速率、預攪拌切土過程的注水量等參數。

第五類參數：DCM攪拌鉆機的固定參數。包括攪拌頭類型和尺度，噴漿口的類型、數量、位置，攪拌刀片的類型、刀面角度、每層刀片數、刀片層數和層間距，注漿泵的類型、水/漿轉換閥門的位置、各段注漿管的內徑和長度等。增加注漿系統的時間滯后效應參數。

第六類參數：DCM攪拌鉆機的可調節參數。包括提升/貫入速率、攪拌刀片旋轉速率、注漿壓力和速率、動作提前/滯后時間等。

1.4 分析結論

用上述模型分析第一階段的室內試驗和現場試驗結果，可得出如下結論：

1）應按“揭示活化反應最佳效果”的原則，重新設計原狀土室內試驗；

2）選用“達到活化反應最佳效果的最小水泥用量”設計現場試驗；

3）選用新定義的“水泥土宏觀分析參數”綜合分析第一階段的試驗成果，界定問題并推斷因果關系；

4）通過匹配第四類、第六類參數解決剩余問題。

上述4條結論，體現了本研究試驗設計的技術路線。實際上它從一個側面簡要反映了DCM核心技術中參數匹配的關鍵邏輯和關系。也正是這4條結論，推動解決了DCM技術在香港機場項目應用前期遇到的所有技術問題。

穩定性提高：由一個環路化成三個環路，三個環路獨立運行互不干擾，末端的變化不會影響到主機（傳統的一個環路末端變化一定會影響到主機，三個小環的末端變化影響到主機的概率變小。）。

2 試驗設計及結果分析

2.1 第二階段原狀土室內試驗成果

第二階段原狀土室內試驗成果如圖5、圖6所示。

圖5 第二階段室內試驗強度分布圖Fig.5 Distribution of UCS of stage 2 indoor test

圖6 第二階段室內試驗強度均值圖Fig.6 Mean graph of UCS of stage 2 indoor test

重新設計原狀土室內試驗后，試驗結果的離散范圍顯著縮小。按圖6的Case2曲線，“達到活化反應最佳效果的最小水泥用量”僅為220 kg/m3。

2.2 第二階段現場試驗

用新定義的“水泥土宏觀分析參數”綜合分析第一階段試驗成果，得出以下結論：1）取芯率低的主要原因是“活化反應”不充分，沒有形成有效的“蜂窩結構的骨架”；2）芯樣切片揭示：較大土塊的平均含量超過切片面積的22%，說明“預攪拌”不充分；3）水泥分布不均勻，說明攪拌效果較差；4）普遍存在較大的無水空隙或散狀粒料，推測可能有“干攪拌”區域。

上述問題涉及到的參數很多，增加了試驗方案設計的難度。在水泥用量固定的情況下，攪拌效果是主要矛盾。反映攪拌效果的參數主要是攪拌刀片總切土攪拌次數，其中貫入階段的預攪拌過程和噴漿提升階段的凈攪拌過程，切土攪拌所起的作用不同，需要分開考慮。由于現場試驗成本很高，只能設計3組試驗（每組3根樁，共9根樁），因此選擇了表1所示的參數組合。

第二階段現場試驗效果最好的是S-2.2.1組，同一土層與第一階段試驗可對比的芯樣照片如圖7所示。調整參數匹配后，成樁質量明顯提升。

表1 第二階段現場試驗分組參數表Table 1 Grouping parameters for stage 2 in-situ test

圖7 第二階段DCM芯樣照片Fig.7 Core sample of stage 2 of DCM

應該說本階段試驗還是不成功的。綜合分析，得出以下結論：1）芯樣切片揭示：較大土塊的平均含量還是超過了切片面積的9%，說明“預攪拌”還不充分；2）仍然存在水泥分布不均勻的切片，說明攪拌效果還未達到要求；3）還存在較大的無水空隙或散狀粒料，推測預攪拌的注水量不足。據此進一步優化參數匹配，設計第三階段試驗。

2.3 第三階段現場試驗

在第二階段S-2.2.1組的基礎上進行參數調整，做1組試驗（3根樁），用于最終效果驗證。調整后的參數組合如表2所示。

表2 第三階段現場試驗分組參數表Table 2 Grouping parameters for stage 3 in-situ test

本階段參數調整有3個關鍵點：1）加快貫入階段預攪拌時刀片的轉速，提升破土能力，同時將預攪拌次數增加到280次；2）降低噴漿提升階段攪拌刀片的轉速，同時也降低提升速率，達到慢攪、充分攪勻的效果；3）增加了總切土攪拌次數，由760次增到813次，增加了近7%?；诘诙A段試驗基本上驗證了本文所做假定及所建立基礎模型的有效性，加之第一、二兩階段試驗的關聯分析所提供的數據支撐，基本上可以判定上述參數匹配滿足在現場實現“活化反應最佳效果的”要求。樁體鉆芯取樣結果最終證明：試驗成功。芯樣照片已在本文引言部分（圖2）展示了，完整性非常好，表面光滑、色澤均勻；28 d無側限抗壓強度（UCS）試驗結果如圖8所示，除頂部區域外，強度均大于1.2 MPa，且1組試驗中的3根樁，強度隨標高變化的趨勢也非常相似。

圖8 第三階段現場試驗28 d強度-標高圖Fig.8 Curves of 28 d UCS and elevation of stage 3 in-situ test

3 問題討論

1）選用“達到活化反應最佳效果的最小水泥用量”設計現場試驗是否有問題？

單純從理論上看好像有問題：沒有考慮安全裕度。但現場試驗結果證明沒問題，如圖8所示。這是因為原狀土室內試驗忽略了土體埋深（土壓力）這一約束條件，對攪拌效果及水泥土微觀結構形成過程產生的有利影響。對于同一或特性相近的土層，這一影響幾乎是線性的，如本文介紹的Case2土樣（標高范圍為-11.3～-22.5 m），UCS隨埋深的增長率接近10%，有足夠的安全裕度。

2）本研究的試驗數量是否足夠？

由于時間和成本限制，且本研究立足于快速解決具體問題，因而設計了最為精簡的試驗方案。嚴格講，正常開展該項工作還應增加很多試驗內容。需要說明的是香港機場DCM施工項目已經圓滿完工，大量原型觀測證明試驗結果可靠。

3）“預攪拌”很重要嗎？

這要看土質，依據“水泥土宏觀分析參數”確定，不能一概而論。但就香港機場項目而言，預攪拌不充分，或預攪拌過程加水不足，是導致DCM成樁質量不合格的主要原因。

4 結語

DCM技術的核心內容是參數匹配。研究DCM要深入研究參數匹配問題。香港機場DCM施工實踐證明本文提出的參數匹配模型是有效的。