水陸環(huán)境DCM施工技術(shù)淺析

王正尉 中交一航局第三工程有限公司

1.前言

DCM即深層水泥攪拌（Deep Cement Mixing），是指利用水泥等材料作為固化劑，通過專業(yè)DCM船或特定攪拌機(jī)械，將地基土和固化劑原位強(qiáng)制攪拌，形成具有整體性、水穩(wěn)性和一定強(qiáng)度的復(fù)合地基。DCM可以最大限度利用原土，具有開挖換填少、施工無噪音污染、工程造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。

為選擇合適的水泥品種、摻入量、水灰比、外加劑等，DCM施工前需在工程現(xiàn)場鉆取有代表性的土樣進(jìn)行試驗(yàn)室配合比設(shè)計(jì)；為檢驗(yàn)施工設(shè)備性能和實(shí)際土體加固效果，掌握施工過程所需鉆機(jī)提升/貫入速度、葉片轉(zhuǎn)速、噴漿/水流量、開停泵時間、著底電流等控制參數(shù)，施工前還應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場試樁。

2.水下環(huán)境施工

2.1 工程概況

三跑項(xiàng)目是在現(xiàn)有機(jī)場北側(cè)圍海造地?cái)U(kuò)建新機(jī)場跑道，其中300公頃海床回填前需進(jìn)行水下DC M加固處理。樁基總數(shù)27339根，樁長5.0～29.0m，4軸梅花形布置，尺寸2.3×2.3m，截面面積4.63m2。地質(zhì)條件為淤泥、淤泥質(zhì)黏土、黏土。

圖1 設(shè)計(jì)參考“W”曲線

2.2 船機(jī)設(shè)備

本項(xiàng)目利用專用DCM船進(jìn)行水下施工，該船集土體攪拌和注漿于一體，配有自動化控制系統(tǒng)（注漿系統(tǒng)、調(diào)傾系統(tǒng)、移船定位系統(tǒng)、抱樁器系統(tǒng)），能實(shí)時記錄施工過程中電流、注水量、注漿量、提升貫入速度、鉆頭高程、噴漿壓力等施工工藝參數(shù)，保證施工過程全程受控。

2.3 工藝流程

本項(xiàng)目按設(shè)計(jì)給定的“W”型參考曲線進(jìn)行攪噴施工（圖1），主要流程包括移船定位、貫入、樁底處理、提升噴漿、鉆頭清洗、移位等。從曲線圖上可以看出，施工過程中處理機(jī)要先后穿越海水覆蓋層、砂墊層、淤泥層和黏土持力層，曲線斜率表明處理機(jī)貫入階段下沉速度逐漸降低，提升階段速度基本不變，樁底要進(jìn)行提升復(fù)攪、漿水轉(zhuǎn)換和滯底噴漿處理。

2.4 控制要點(diǎn)

（1）有效噴漿。設(shè)計(jì)要求單根樁體噴漿總量不小于設(shè)計(jì)，每延米噴漿量不少于設(shè)計(jì)量90%。本項(xiàng)目采用重型4軸處理機(jī)，上下共8個出漿口，能保證貫入或提升階段均可以有效噴漿（貫入時采用下噴漿口，提升時用上噴漿口）。為滿足噴漿量要求，處理機(jī)提升貫入速度應(yīng)與灰漿泵排量匹配。

速度V=γc＊Q/(S＊γs＊aw＊(1+w/c)

其中V—提升/下沉速度（m/min）；

γc—水泥漿重度（KN/m3）；

γs —土的重度（KN/m3）；

Q—灰漿泵排量（m3/min)；

S—DCM樁截面積（m2）；

aw—水泥摻入比；

w/c—水泥漿水灰比。

（2）土體切削攪拌次數(shù)。設(shè)計(jì)要求樁體上下8m范圍內(nèi)土體切削次數(shù)不少于900次/延米，以保證加固范圍內(nèi)每一深度土體均得以充分切削攪拌，樁身均勻連續(xù)。為此，施工過程中應(yīng)著重控制處理機(jī)轉(zhuǎn)速和提升/貫入速度。

每延米土體切削次數(shù)BRN=∑M＊(Nu/Vu+Nd/Vd)

式中

∑M—攪拌葉片總枚數(shù)（片）；

Nu—攪拌機(jī)下沉轉(zhuǎn)速（r/min）；

Vu—攪拌機(jī)下沉速度（m/min）；

Nd—攪拌機(jī)提升轉(zhuǎn)速（r/min）；

Vd—攪拌機(jī)提升速度（m/min）。

（3）樁底補(bǔ)償處理。處理機(jī)每軸鉆頭葉片共3層6葉，越靠近樁底，葉片數(shù)量越少，有效切土次數(shù)也越少，因此鉆頭需要滯底重復(fù)噴漿攪拌，并在樁底進(jìn)行往復(fù)攪噴，以達(dá)到充分?jǐn)嚢枘康摹?/p>

2.5 遇到問題和解決措施

（1）漿水轉(zhuǎn)換等待時間長，效率低。按原設(shè)計(jì)參考曲線，復(fù)攪提升后貫入噴漿前，處理機(jī)需在頂部停留大概5分鐘以完成漿水轉(zhuǎn)換（見圖1），效率低下。經(jīng)過分析計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證，最終將漿水轉(zhuǎn)換開始時間節(jié)點(diǎn)提前至貫入階段末，這樣可以保證復(fù)攪提升后不間斷進(jìn)行噴漿作業(yè)，省掉了漿水轉(zhuǎn)換等待時間。

圖2 調(diào)整后的施工曲線

（2）樁體頂部松散，芯樣強(qiáng)度低。取芯試驗(yàn)顯示樁體頂部松散，強(qiáng)度低。經(jīng)過分析認(rèn)為主要是頂部淤泥層土質(zhì)軟，土體流動性強(qiáng)，再加上鉆頭出水前在砂墊層摩擦清洗，水泥漿流失嚴(yán)重所致。為此，施工過程中對工藝進(jìn)行了改進(jìn)，延長處理機(jī)樁頂滯留時間，增加樁頂噴漿量以彌補(bǔ)漿液損失，同時取消鉆頭砂墊層清洗步驟，縮短鉆頭在砂墊層中持續(xù)時間。改進(jìn)工藝后，樁頂質(zhì)量明顯提高。

（3）底部樁體泥包夾雜，成樁質(zhì)量差。通過全樁長取芯發(fā)現(xiàn)，底部樁體質(zhì)量遠(yuǎn)不如中部和上部，軟硬層交界面位置常伴有泥包夾雜（施工過程中表現(xiàn)為電流持續(xù)高位運(yùn)行）。分析原因，一是交界面位置土體軟硬程度不同，對鉆頭轉(zhuǎn)速和貫入速度要求也不一樣，不及時調(diào)整會造成攪拌不充分，形成泥包夾雜；二是黏土持力層自身強(qiáng)度較高，含水量低，粘性大，易粘住鉆頭，造成攪拌不均勻。為解決此問題，一是提高黏土層噴水量，使土層軟化，便于攪拌；二是降低處理機(jī)轉(zhuǎn)速和貫入速度，增加土體切削次數(shù)；三是在原有一次復(fù)攪提升基礎(chǔ)上增加二次重復(fù)攪拌，攪拌范圍擴(kuò)大至軟硬土層交界面以上。

綜合上述3項(xiàng)問題和解決措施對施工曲線進(jìn)行調(diào)整，如圖2所示。

3.陸上環(huán)境施工

3.1 工程概況

產(chǎn)業(yè)園項(xiàng)目是在港區(qū)既有吹填場地上進(jìn)行園區(qū)建設(shè)，其中道路及市政設(shè)施用地采用DCM樁陸上加固。總樁長92萬延米，樁徑0.5m，單根樁長8-12m，正三角形布置，復(fù)合地基承載力120kPa，28天樁身無側(cè)限抗壓強(qiáng)度≥0.6MPa，樁尖進(jìn)入持力層0.5m以上。地質(zhì)條件為貧黏土、粉質(zhì)黏土-粉砂。

3.2 施工設(shè)備

本項(xiàng)目采用PH5D型單軸水泥攪拌樁機(jī)，配套設(shè)備有灰漿攪拌機(jī)、集料斗、灰漿泵、壓力膠管、電氣控制柜等。為確保施工參數(shù)準(zhǔn)確，樁機(jī)上氣壓表、轉(zhuǎn)速表、電流表、電子稱等裝置使用前需經(jīng)過標(biāo)定。

3.3 工藝流程

本項(xiàng)目為陸上DCM，采用四攪兩噴工藝（圖3），主要工藝流程包括樁位放樣→鉆機(jī)就位調(diào)平→正循環(huán)攪拌下沉→反循環(huán)噴漿提升至預(yù)定停漿面→重復(fù)攪拌下鉆至設(shè)計(jì)深度→提鉆噴漿至設(shè)計(jì)標(biāo)高→成樁結(jié)束→清洗管道，施工下一根樁。

3.4 控制要點(diǎn)

圖3 四攪兩噴流程示意圖

（1）漿液制備。本項(xiàng)目水泥摻量取18%（水泥與加固土體重量比），水灰比0.55，土體容重取19kN/m3，樁徑500mm，

每延米水泥用量為G=π×d2/4×19 kN/m3×18%=67kg

每延米用水量=67＊0.55=36.85kg

水泥漿采用高速攪漿機(jī)制拌，拌和時間不少于30s；存入儲漿池中的泥漿應(yīng)持續(xù)慢攪以防離析。

（2）下沉和提升。為保證加固土體連續(xù)均勻，鉆機(jī)下沉提升速度應(yīng)保持勻速，并與噴漿量匹配。遇到硬層時，應(yīng)適當(dāng)降低轉(zhuǎn)速和下沉速度，復(fù)攪時應(yīng)采用中低速檔鉆進(jìn)和提升。

本項(xiàng)目樁機(jī)下沉速度控制在1.25-1.30m/s之間，提升速度控制在1.15-1.20m/s之間，噴漿壓力控制在0.4-0.6Mpa。

（3）樁頂樁底處理。為保證樁底、樁頂成樁質(zhì)量，首次提鉆噴漿時應(yīng)在樁底部持續(xù)停留噴漿30秒，樁頂施工時停漿面應(yīng)高出設(shè)計(jì)標(biāo)高0.5m。

3.5 遇到問題和解決措施

通過取芯試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，樁體質(zhì)量沿深度方向逐漸變差，深度4m以下部位，完整性和樁芯強(qiáng)度明顯不如上部樁體。分析原因，一是深度范圍內(nèi)土體強(qiáng)度變大，攪拌不充分；二是人為因素導(dǎo)致鉆機(jī)提降速度不均勻，單位土體攪拌次數(shù)差異大；三是為追求施工進(jìn)度，底部停留時間不符合技術(shù)要求。為解決此問題，一方面降低硬土層內(nèi)鉆機(jī)下沉提升速度，增加土體切削攪拌次數(shù)，使其充分拌和；二是控制同一土層內(nèi)鉆機(jī)勻速提降，保證樁體連續(xù)均勻；三是增加底部樁體噴漿量和停留時間。技術(shù)改進(jìn)后，成樁質(zhì)量得到明顯提高。

4.結(jié)束語

無論水陸環(huán)境，有效噴漿量和土體攪拌均勻程度都是DCM成樁質(zhì)量的決定因素，處理機(jī)（樁機(jī)）提降速度應(yīng)與土質(zhì)、噴漿量匹配，施工時應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注樁底和軟硬層交界面處置，水下環(huán)境還應(yīng)做好樁頂補(bǔ)漿處理工作。