水泥深層攪拌樁的關(guān)鍵參數(shù)及匹配關(guān)系研究

彭瑞

（中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津 300461）

0 引言

水泥深層攪拌技術(shù)簡稱DCM（Deep Cement-Mixing）技術(shù)，在香港機(jī)場第三跑道工程項目大規(guī)模應(yīng)用后，又在深中通道項目獲得應(yīng)用。籍此推動，中國工程界關(guān)于DCM的認(rèn)識發(fā)生了明顯的變化，公開發(fā)表的有關(guān)DCM的技術(shù)論文有增加的趨勢[1-13]。關(guān)于DCM的核心技術(shù)，尤其是參數(shù)匹配關(guān)系，目前流傳的一些論點缺乏系統(tǒng)性，存在較多的模糊地帶，有的可能還存在較大爭議。直接導(dǎo)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(guān)于工藝符合性評估的成套理論。很多情況下，出現(xiàn)DCM成樁質(zhì)量不滿足要求的問題時，缺乏因果關(guān)系明確的解決途徑。

其實這也是香港機(jī)場項目DCM施工遇到的問題。作為第一個進(jìn)入香港機(jī)場DCM施工現(xiàn)場的團(tuán)隊，作為試驗段施工和工藝驗證的責(zé)任方，必須解決這些問題。盡管堅持了科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)募夹g(shù)路線，比如：全面研究了日本、韓國的DCM施工技術(shù)和經(jīng)驗，針對香港機(jī)場項目DCM特點進(jìn)行了專門的理論分析，進(jìn)行了嚴(yán)格的室內(nèi)試驗，并據(jù)此確定了一套DCM施工參數(shù)，但現(xiàn)場試驗結(jié)果是失敗的。第一階段現(xiàn)場試驗水泥用量達(dá)到了380 kg/m3，樁體鉆芯取樣結(jié)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(jié)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(shù)，否則就無法解釋水泥用量降低了42%，成樁質(zhì)量卻有顯著提升。決定成樁質(zhì)量最重要的因素是什么？下文進(jìn)行主要論述。

圖1 第一階段DCM芯樣照片F(xiàn)ig.1 Core sample of stage 1 of DCM

圖2 第三階段DCM芯樣照片F(xiàn)ig.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(shù)可能影響到DCM的成樁質(zhì)量、可能的影響方式和權(quán)重、參數(shù)間可能的相互關(guān)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(nèi)試驗結(jié)果離散性太大，與現(xiàn)場DCM成樁質(zhì)量之間的相關(guān)性不是很好；二是以1.8倍設(shè)計強(qiáng)度對應(yīng)的原狀土室內(nèi)試驗確定的水泥用量，作為現(xiàn)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(nèi)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(cè)限抗壓強(qiáng)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(xiàn)出一定的趨勢性，但曲線的斜率非常小。本項目設(shè)計強(qiáng)度1.2 MPa，1.8倍的設(shè)計強(qiáng)度是2.16 MPa，據(jù)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(yán)密。

圖3 第一階段室內(nèi)試驗強(qiáng)度分布圖Fig.3 Distribution of UCS of stage 1 indoor test

圖4 第一階段室內(nèi)試驗強(qiáng)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(yè)過程3個層面考慮問題，以厘清參數(shù)間的內(nèi)在聯(lián)系。為達(dá)到該目的，需要提出假定、建立模型，在此基礎(chǔ)上確定技術(shù)路線，設(shè)計試驗并以試驗結(jié)果驗證假定的正確性。

1.2 基本假定

假定一：采用DCM技術(shù)施工形成的水泥土，微觀上是一種蜂窩結(jié)構(gòu)，骨架是由水泥與水經(jīng)過水化反應(yīng)后，其生成物與土顆粒再進(jìn)行活化反應(yīng)后形成的；骨架之間的空隙由水化反應(yīng)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(jié)論：1）最終影響水泥土骨架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的是活化反應(yīng)而不是水化反應(yīng)。這樣才抓住了問題的本質(zhì)，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(tài)下進(jìn)行水化反應(yīng)的，除水化水之外，還有很多自由水。此外，在水泥土蜂窩結(jié)構(gòu)中，空隙中充滿水強(qiáng)度高還是空著強(qiáng)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(jī)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(qiáng)度產(chǎn)生顯著的負(fù)面影響。這與混凝土的有關(guān)理論完全不同。

假定二：DCM樁體的宏觀質(zhì)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(jié)構(gòu)的特性，還取決于大尺度上蜂窩結(jié)構(gòu)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(nèi)試驗在理論上不自洽，需要修正。主要體現(xiàn)在以下三方面：1）選擇天然含水率進(jìn)行攪拌試驗，反應(yīng)的不是施工過程的真實情況；2）室內(nèi)攪拌機(jī)模仿DCM攪拌鉆機(jī)，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(jié)構(gòu)的形成過程有影響，目前的室內(nèi)試驗沒有引入這方面的參數(shù)。

這個假定是在分析了大量有關(guān)日本和韓國的原狀土室內(nèi)試驗結(jié)果與現(xiàn)場芯樣試驗結(jié)果的相關(guān)性資料后，大膽提出的（并首次用于解決香港機(jī)場項目DCM施工參數(shù)設(shè)計）。

假定四：DCM施工作業(yè)過程中，關(guān)鍵參數(shù)都是可測量的，在一定的精度范圍內(nèi)是可控制的，在正常波動范圍內(nèi)是可實現(xiàn)自動反饋調(diào)整的。

1.3 基礎(chǔ)模型

建立DCM參數(shù)與DCM成樁質(zhì)量的關(guān)系模型，認(rèn)為DCM參數(shù)的匹配關(guān)系決定DCM的成樁質(zhì)量，且存在特定的匹配邏輯和最佳匹配關(guān)系。模型的邏輯主線是參數(shù)分類，依據(jù)上述假定對各類參數(shù)的功能進(jìn)行重新定義，以最大限度減小不同類別參數(shù)之間的不可描述的關(guān)聯(lián)關(guān)系，同時建立參數(shù)之間的精確關(guān)系或經(jīng)驗關(guān)系。

第一類參數(shù)：原狀土室內(nèi)試驗有關(guān)參數(shù)。依據(jù)上述假定，有必要減少其數(shù)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(jī)的實際攪拌效果等要求。將原狀土室內(nèi)試驗?zāi)康暮喕癁椋簝H揭示活化反應(yīng)的最佳效果。

第二類參數(shù)：水泥用量。同樣依據(jù)上述假定簡化其關(guān)聯(lián)關(guān)系，將其重新定義為：理想狀態(tài)下，達(dá)到活化反應(yīng)最佳效果的最小水泥用量。

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

第四類參數(shù)：原土攪拌過程控制參數(shù)。細(xì)化“切土攪拌次數(shù)”定義，分為“總切土攪拌次數(shù)”和“凈切土攪拌次數(shù)”。提出“預(yù)攪拌”概念并相應(yīng)增加有關(guān)參數(shù)。增加最小切土速率、預(yù)攪拌切土過程的注水量等參數(shù)。

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

第六類參數(shù)：DCM攪拌鉆機(jī)的可調(diào)節(jié)參數(shù)。包括提升/貫入速率、攪拌刀片旋轉(zhuǎn)速率、注漿壓力和速率、動作提前/滯后時間等。

1.4 分析結(jié)論

用上述模型分析第一階段的室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗結(jié)果，可得出如下結(jié)論：

1）應(yīng)按“揭示活化反應(yīng)最佳效果”的原則，重新設(shè)計原狀土室內(nèi)試驗；

2）選用“達(dá)到活化反應(yīng)最佳效果的最小水泥用量”設(shè)計現(xiàn)場試驗；

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

4）通過匹配第四類、第六類參數(shù)解決剩余問題。

上述4條結(jié)論，體現(xiàn)了本研究試驗設(shè)計的技術(shù)路線。實際上它從一個側(cè)面簡要反映了DCM核心技術(shù)中參數(shù)匹配的關(guān)鍵邏輯和關(guān)系。也正是這4條結(jié)論，推動解決了DCM技術(shù)在香港機(jī)場項目應(yīng)用前期遇到的所有技術(shù)問題。

穩(wěn)定性提高：由一個環(huán)路化成三個環(huán)路，三個環(huán)路獨(dú)立運(yùn)行互不干擾，末端的變化不會影響到主機(jī)（傳統(tǒng)的一個環(huán)路末端變化一定會影響到主機(jī)，三個小環(huán)的末端變化影響到主機(jī)的概率變小。）。

2 試驗設(shè)計及結(jié)果分析

2.1 第二階段原狀土室內(nèi)試驗成果

第二階段原狀土室內(nèi)試驗成果如圖5、圖6所示。

圖5 第二階段室內(nèi)試驗強(qiáng)度分布圖Fig.5 Distribution of UCS of stage 2 indoor test

圖6 第二階段室內(nèi)試驗強(qiáng)度均值圖Fig.6 Mean graph of UCS of stage 2 indoor test

重新設(shè)計原狀土室內(nèi)試驗后，試驗結(jié)果的離散范圍顯著縮小。按圖6的Case2曲線，“達(dá)到活化反應(yīng)最佳效果的最小水泥用量”僅為220 kg/m3。

2.2 第二階段現(xiàn)場試驗

用新定義的“水泥土宏觀分析參數(shù)”綜合分析第一階段試驗成果，得出以下結(jié)論：1）取芯率低的主要原因是“活化反應(yīng)”不充分，沒有形成有效的“蜂窩結(jié)構(gòu)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(yù)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(qū)域。

上述問題涉及到的參數(shù)很多，增加了試驗方案設(shè)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(shù)主要是攪拌刀片總切土攪拌次數(shù)，其中貫入階段的預(yù)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(xiàn)場試驗成本很高，只能設(shè)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(shù)組合。

第二階段現(xiàn)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(diào)整參數(shù)匹配后，成樁質(zhì)量明顯提升。

表1 第二階段現(xiàn)場試驗分組參數(shù)表Table 1 Grouping parameters for stage 2 in-situ test

圖7 第二階段DCM芯樣照片F(xiàn)ig.7 Core sample of stage 2 of DCM

應(yīng)該說本階段試驗還是不成功的。綜合分析，得出以下結(jié)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(yù)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(dá)到要求；3）還存在較大的無水空隙或散狀粒料，推測預(yù)攪拌的注水量不足。據(jù)此進(jìn)一步優(yōu)化參數(shù)匹配，設(shè)計第三階段試驗。

2.3 第三階段現(xiàn)場試驗

在第二階段S-2.2.1組的基礎(chǔ)上進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，做1組試驗（3根樁），用于最終效果驗證。調(diào)整后的參數(shù)組合如表2所示。

表2 第三階段現(xiàn)場試驗分組參數(shù)表Table 2 Grouping parameters for stage 3 in-situ test

本階段參數(shù)調(diào)整有3個關(guān)鍵點：1）加快貫入階段預(yù)攪拌時刀片的轉(zhuǎn)速，提升破土能力，同時將預(yù)攪拌次數(shù)增加到280次；2）降低噴漿提升階段攪拌刀片的轉(zhuǎn)速，同時也降低提升速率，達(dá)到慢攪、充分?jǐn)噭虻男Ч?）增加了總切土攪拌次數(shù)，由760次增到813次，增加了近7%。基于第二階段試驗基本上驗證了本文所做假定及所建立基礎(chǔ)模型的有效性，加之第一、二兩階段試驗的關(guān)聯(lián)分析所提供的數(shù)據(jù)支撐，基本上可以判定上述參數(shù)匹配滿足在現(xiàn)場實現(xiàn)“活化反應(yīng)最佳效果的”要求。樁體鉆芯取樣結(jié)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(cè)限抗壓強(qiáng)度（UCS）試驗結(jié)果如圖8所示，除頂部區(qū)域外，強(qiáng)度均大于1.2 MPa，且1組試驗中的3根樁，強(qiáng)度隨標(biāo)高變化的趨勢也非常相似。

圖8 第三階段現(xiàn)場試驗28 d強(qiáng)度-標(biāo)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(dá)到活化反應(yīng)最佳效果的最小水泥用量”設(shè)計現(xiàn)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(xiàn)場試驗結(jié)果證明沒問題，如圖8所示。這是因為原狀土室內(nèi)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(jié)構(gòu)形成過程產(chǎn)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(biāo)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(shù)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(shè)計了最為精簡的試驗方案。嚴(yán)格講，正常開展該項工作還應(yīng)增加很多試驗內(nèi)容。需要說明的是香港機(jī)場DCM施工項目已經(jīng)圓滿完工，大量原型觀測證明試驗結(jié)果可靠。

3）“預(yù)攪拌”很重要嗎？

這要看土質(zhì)，依據(jù)“水泥土宏觀分析參數(shù)”確定，不能一概而論。但就香港機(jī)場項目而言，預(yù)攪拌不充分，或預(yù)攪拌過程加水不足，是導(dǎo)致DCM成樁質(zhì)量不合格的主要原因。

4 結(jié)語

DCM技術(shù)的核心內(nèi)容是參數(shù)匹配。研究DCM要深入研究參數(shù)匹配問題。香港機(jī)場DCM施工實踐證明本文提出的參數(shù)匹配模型是有效的。