下貫?zāi)芎谋O(jiān)測(cè)分析用于揭示水下DCM 施工中土層變化的方法研究及驗(yàn)證

滕超，何麗平

（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(chǔ)工程環(huán)保與安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510230；3.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室（珠海），廣東 珠海 519082）

0 引言

1987 年，在天津港東突堤南側(cè)碼頭工程[1]，國(guó)內(nèi)首次利用DCM 法加固水下軟基，租用日本船舶施工，在后續(xù)20 余年間國(guó)內(nèi)鮮有應(yīng)用。2016年，在香港機(jī)場(chǎng)第三跑道項(xiàng)目[2]，國(guó)內(nèi)首次使用自主研發(fā)的國(guó)產(chǎn)施工船舶，大規(guī)模應(yīng)用DCM 法加固水下軟基。2018 年，在深中通道項(xiàng)目[3]，使用自主研發(fā)的國(guó)產(chǎn)水下DCM 施工船舶加固沉管地基，均取得了良好的加固效果。

鄒春曉等[4]指出，隨著海上工程對(duì)環(huán)保、防滲、工后沉降的要求不斷提高，以及國(guó)內(nèi)重大工程項(xiàng)目的成功應(yīng)用，DCM 法加固水下軟基具有非常光明的前景。張連昊等[5]提出DCM 船施工質(zhì)量實(shí)時(shí)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)整個(gè)施工階段進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)檢測(cè)，可以有效防止操作人員錄入錯(cuò)誤施工數(shù)據(jù)，還可以在施工結(jié)束后對(duì)記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行全面分析校對(duì)，確保施工質(zhì)量。萬(wàn)瑜等[6]提出了使用水泥攪拌樁下貫過(guò)程中的電流值對(duì)土層進(jìn)行劃分，再調(diào)整施工工藝參數(shù)，可有效保證成樁質(zhì)量，并節(jié)約水泥用量。滕超等[7]提出使用實(shí)際記錄的水下DCM 施工數(shù)據(jù)，結(jié)合檢測(cè)結(jié)果和勘察資料，可以建立勘察—施工—檢測(cè)的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)，通過(guò)相關(guān)性分析，可找到影響不同深度和不同土層類(lèi)型成樁質(zhì)量的主要施工工藝參數(shù)及其控制范圍。

由于我國(guó)大規(guī)模水下DCM 工程項(xiàng)目應(yīng)用時(shí)間較短，項(xiàng)目少，相關(guān)研究較少。水下軟土地層分布復(fù)雜，地層變化較大，但工程勘察孔數(shù)量有限，必然存在一定量的施工樁與勘察孔地層分布不一致的情況。而水下DCM 施工工藝參數(shù)的選擇跟土層類(lèi)型密切相關(guān)，當(dāng)實(shí)際施工樁的土層分布與勘察孔土層分布不一致時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致工藝參數(shù)與土層性質(zhì)不匹配，出現(xiàn)工藝參數(shù)設(shè)置保守造成材料浪費(fèi)，或工藝參數(shù)設(shè)置不足，導(dǎo)致成樁質(zhì)量有一定風(fēng)險(xiǎn)。萬(wàn)瑜等[6]提出使用下貫過(guò)程中的電流值對(duì)土層進(jìn)行劃分，并根據(jù)實(shí)際的劃分情況調(diào)整參數(shù)，可以有效避免工藝參數(shù)與土層類(lèi)型不匹配的情況，進(jìn)而節(jié)省水泥用量。但是，電流值不僅與土層性質(zhì)有關(guān)，還與下貫速度密切相關(guān)。本文結(jié)合香港三跑機(jī)場(chǎng)水下DCM 勘察孔及臨近勘察孔的施工樁原始施工數(shù)據(jù)，利用單位進(jìn)尺的能耗作為土層識(shí)別指導(dǎo)，能有效提高土層劃分的準(zhǔn)確性。

1 工程概況

香港三跑是在現(xiàn)有機(jī)場(chǎng)以北填海約650 hm2，采用深層水泥攪拌法等原位加固措施加固大約300 hm2的海床。水下DCM 處理包括C4 區(qū)及C1、C2、C5 護(hù)岸區(qū)等造陸海域，見(jiàn)圖1。深層水泥攪拌樁（DCM）總加固量約200 萬(wàn)m3，樁長(zhǎng)在5.0～29.0 m，截面為4 軸梅花形，面積4.63 m2。

圖1 香港三跑施工平面布置圖Fig.1 Layout plan of construction site for Hongkong International Airport third runway project

香港三跑水下DCM 加固區(qū)域主要包括污染淤泥土、海相淤泥和沖積土，見(jiàn)圖2。

污染淤泥土：是從1992 年底被作為香港疏浚填土工程中產(chǎn)生的大量污染淤泥的卸置場(chǎng)地。污染土淤泥的厚度在海床面以下10～30 m，天然含水率40%～60%，接近其液限；塑限20%～40%，塑性指數(shù)14～30；細(xì)粒含量高達(dá)80%～90%，其余為粉細(xì)砂、砂礫等，有機(jī)質(zhì)含量小于3%。

海相淤泥：海相淤泥為自然形成的原狀海洋沉積物，主要由粉質(zhì)黏土構(gòu)成，含有少量細(xì)沙及貝殼類(lèi)物質(zhì)，厚度約10～35 m。其天然含水率在40%～60%；塑限20%～40%，塑性指數(shù)15～30。海相淤泥土細(xì)粒含量高達(dá)80%～95%，其余為粉質(zhì)黏土、砂礫等，土體的有機(jī)質(zhì)含量小于3%。

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

本文所分析的原始施工數(shù)據(jù)來(lái)自“四航固基”號(hào)專(zhuān)業(yè)施工船，見(jiàn)圖3。該船長(zhǎng)72.75 m，寬30 m，樁架高55 m，吃水2.9 m，儲(chǔ)備最大處理深度約為甲板以下44.3 m，具備3 個(gè)處理機(jī)，單個(gè)處理機(jī)處理面積4.63 m2，在風(fēng)力≤6 級(jí)，水流速度≤2 m/s，波浪≤1.0 m 時(shí)能安全作業(yè)。

該船舶每套DCM 系統(tǒng)配置一套施工管理系統(tǒng)，見(jiàn)圖4，對(duì)起重絞車(chē)、DCM 處理機(jī)、輸漿泵等作業(yè)設(shè)備由施工管理系統(tǒng)集中控制，每5 s 記錄1 次原始數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包括攪拌頭高程、處理機(jī)電流、下貫速度、鉆速、噴水流量等。

2 理論分析

巖土工程勘察有多種土層識(shí)別的檢測(cè)手段，其中十字板剪切是應(yīng)用較廣的一種現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方法，測(cè)試飽和軟黏性土不排水抗剪強(qiáng)度和靈敏度，通過(guò)該參數(shù)的測(cè)試，可劃分軟黏性土的類(lèi)別。水下DCM 加固地基加固的土層主要是飽和軟黏性土，攪拌葉片豎向投影后可簡(jiǎn)化為十字板，攪拌過(guò)程與十字板剪切破壞土體的過(guò)程類(lèi)似。

因此，在不考慮下貫時(shí)可以將水下DCM 下貫攪拌的過(guò)程簡(jiǎn)化類(lèi)比作十字板剪切試驗(yàn)過(guò)程，見(jiàn)圖5，圖中D 為葉片旋轉(zhuǎn)的直徑，H 為葉片旋轉(zhuǎn)的豎向投影高度。

圖5 十字板剪切與水下DCM 攪拌對(duì)比示意圖Fig.5 Schematic comparison of crossboard shearing and underwater DCM mixing

攪拌頭不下貫與土體相互攪拌切割，其受力與十字板剪切試驗(yàn)相似，計(jì)算不下貫時(shí)的扭矩，取單層攪拌葉片分析，見(jiàn)圖6。

圖6 攪拌頭葉片示意圖Fig.6 Illustration of mixer head blades

扭矩分為兩部分，葉片旋轉(zhuǎn)一周后，一部分用于克服側(cè)面形成圓柱面的土體抗剪強(qiáng)度M1，一部分用于克服頂面和底面形成環(huán)形的土體抗剪強(qiáng)度M2。

式中：M1為克服圓柱面土體抗剪強(qiáng)度所需力矩，N·m；cu為土體抗剪強(qiáng)度，kPa；d 為鉆桿直徑，m；l 為葉片長(zhǎng)度，m；B 為葉片寬，m；θ 為葉片傾角，（°）；M2為克服頂面和底面土體抗剪強(qiáng)度所需力矩，N·m；M0為未下貫時(shí)克服土體抗剪強(qiáng)度的總力矩，N·m。

在考慮下貫時(shí)，攪拌頭螺旋下貫時(shí)葉片剪切的土體由環(huán)形柱體，變?yōu)槁菪沃w。但其與土體相互作用的表面積（側(cè)面積以及上、下底面積）均未發(fā)生改變，見(jiàn)圖7，從剪切土層投影面積來(lái)看不會(huì)對(duì)剪切、破壞土體的扭矩產(chǎn)生影響。

圖7 未下貫和下貫時(shí)葉片掃掠結(jié)果對(duì)比圖Fig.7 Comparison diagram of blade sweeping results during downflow and non-downflow conditions

在未下貫時(shí)，以十字板剪切原理為基礎(chǔ)進(jìn)行推導(dǎo)，其中底層葉片以原狀土的抗剪強(qiáng)度為計(jì)算指標(biāo)，但僅限于旋轉(zhuǎn)第1 圈，實(shí)際上在攪拌樁旋轉(zhuǎn)第2 圈以后土樣均為擾動(dòng)土樣，此時(shí)應(yīng)考慮土體的靈敏度。當(dāng)下貫時(shí)，底層葉片破壞的土體中，底部為原狀土，上部為擾動(dòng)土，見(jiàn)圖8。

式中：h2為底層葉片攪拌原狀土厚度，m；n 為轉(zhuǎn)速，r/min；V 為下貫速度，m/min；h1為底層葉片攪拌擾動(dòng)土厚度，m；M 為下貫時(shí)攪拌頭的扭矩，N·m；St為土體靈敏度。

由于本文研究分析的攪拌頭的結(jié)構(gòu)形式是相同的，在不同土層中并未發(fā)生變化，因此攪拌頭扭矩與土體的抗剪強(qiáng)度成正比。由于水泥攪拌樁施工下貫過(guò)程中輸入功率可由電流值及電壓實(shí)時(shí)計(jì)算，輸出功率等于輸入功率，輸出功率主要用于電機(jī)發(fā)熱和對(duì)外做功，對(duì)外做功主要用于鉆桿轉(zhuǎn)動(dòng)、克服摩擦以及切割、破壞土體。

式中：P 為功率；t 為時(shí)間；W1為處理機(jī)發(fā)熱能耗；W2為處理機(jī)對(duì)外做功；W3為鉆桿轉(zhuǎn)動(dòng)所需動(dòng)能部分的能耗；W4為鉆桿器摩擦部分的能耗；W5為攪拌頭對(duì)土做的功。

施工過(guò)程中電壓恒定，并實(shí)時(shí)記錄電流值，可通過(guò)施工過(guò)程中記錄的電流值求得輸入功Pt。下貫過(guò)程中轉(zhuǎn)速控制不變，鉆桿的摩擦力變化不大，處理機(jī)溫度變化不大，因此，單位時(shí)間內(nèi)發(fā)熱、鉆桿動(dòng)能、摩擦損耗可為常數(shù)處理，暫定為P1。取單位深度hλ的土體作為分析步長(zhǎng)，在穿過(guò)該深度土體的過(guò)程中攪拌頭對(duì)土做功可以通過(guò)式（9）計(jì)算：

式中：It=h為在高程為h 時(shí)的電流值；It=h0為單位統(tǒng)計(jì)段起始時(shí)刻的電流值；It=h0+hλ為終止時(shí)刻的電流值；U 為電壓；tλ為施工原始記錄的時(shí)間間隔（本次使用的原始數(shù)據(jù)記錄時(shí)間間隔為5 s）；v 為下貫速度。

由于下貫過(guò)程中轉(zhuǎn)速恒定，電機(jī)輸出功耗與損耗功率和攪拌軸的扭矩密切相關(guān)，而損耗功率可簡(jiǎn)化為定值。因此對(duì)于同一根樁，通過(guò)統(tǒng)計(jì)下貫不同單位深度土層的輸出功耗，直接反映了該段土層的抗剪強(qiáng)度，可作為劃分土層類(lèi)別依據(jù)。

由于施工時(shí)必然已有勘察資料，項(xiàng)目范圍內(nèi)土的種類(lèi)是明確的，因此在進(jìn)行土層劃分時(shí)，只需要明確土層在何處分層即可，無(wú)需確定土層的具體力學(xué)指標(biāo)。

3 應(yīng)用研究及驗(yàn)證

攪拌頭的運(yùn)動(dòng)主要受處理機(jī)和起重絞車(chē)兩套獨(dú)立的動(dòng)力系統(tǒng)控制，起重機(jī)主要控制攪拌頭升降，處理機(jī)主要控制攪拌頭旋轉(zhuǎn)，本文主要研究的是攪拌頭旋轉(zhuǎn)受土層阻力的影響，因此只考慮處理機(jī)電機(jī)的能耗。為驗(yàn)證能耗和電流對(duì)土層劃分的有效性，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工情況，取離勘察孔位最近的DCM 施工樁下貫階段電流、噴水量與勘察孔土層劃分進(jìn)行對(duì)比分析，施工樁與勘察孔坐標(biāo)如表1 所示，施工樁L16-051 距離勘察孔P283-DH023 僅2.0 m，施工樁LB28-081 距離勘察孔P283-DH012 僅1.8 m，可認(rèn)為該施工樁的土層分層與勘察孔的土層分布一致。

表1 勘察孔與臨近DCM 施工樁位置對(duì)比表Table 1 Comparison table of survey hole locations and adjacent DCM construction piles

勘察孔P283-DH023 和P283-DH012 的各土層的描述及層頂標(biāo)高，見(jiàn)表2。其中P283-DH023揭示的施工樁長(zhǎng)范圍內(nèi)主要有淤泥、淤泥質(zhì)土和砂質(zhì)粉土，P283-DH012 揭示的施工樁長(zhǎng)范圍內(nèi)主要有淤泥、淤泥質(zhì)土和粉質(zhì)黏土。

表2 勘察孔土層描述及層頂標(biāo)高表Table 2 Table of soil layer description and top elevation of survey holes

根據(jù)施工樁L16-051 和LB28-081 的原始施工數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)每0.2 m 范圍內(nèi)的平均電流和能耗，并與各自臨近勘察孔揭示的地層分布對(duì)比見(jiàn)圖9和圖10。

圖9 施工樁LB28-081 每0.2 m 能耗和電流與土層對(duì)比圖Fig.9 Comparison graph of energy consumption and current at every 0.2 m with soil layer of construction pile LB28-081

圖10 施工樁L16—051 每0.2 m 能耗和電流與土層對(duì)比圖Fig.10 Comparison graph of energy consumption and current at every 0.2 m with soil layer of construction pile L16-051

根據(jù)電流和能耗與實(shí)際勘察孔揭示的土層劃分對(duì)比可知：

1）無(wú)論是電流還是能耗，在不同土層的界面處都出現(xiàn)了明顯的波動(dòng)；

2）在同一種土層中能耗比電流穩(wěn)定，例如，施工樁LB28-081 的淤泥層中，在-7.5 m 處平均電流出現(xiàn)突變，從97～103 A 降到76～82 A，而能耗依然穩(wěn)定在0.41～0.62 kW·h，因此采用能耗進(jìn)行土層劃分相對(duì)于用電流更穩(wěn)定、有效；

3）施工樁L16-051 在13.0 m 處電流明顯降低，同時(shí)能耗明顯增大，經(jīng)對(duì)原始數(shù)據(jù)分析，主要原因是在該深度的下貫速度由1.0 m/min 下降到0.5 m/min，導(dǎo)致電流減小，同時(shí)下貫速度降低，通過(guò)同一深度范圍所需時(shí)間增大，導(dǎo)致能耗提升；

4）攪拌頭貫入新土層的過(guò)程是循序漸進(jìn)的，但從對(duì)比數(shù)據(jù)圖可知，下貫階段的單位進(jìn)尺能耗足以確定土層在何處分界，中間循序漸進(jìn)的變化并不是確定分層界面所必須要解決的問(wèn)題。

結(jié)合以上研究成果，利用單位進(jìn)尺能耗，選取一個(gè)斷面對(duì)每根施工樁的地層進(jìn)行重新劃分，在正常情況下，由于該區(qū)域僅1 個(gè)勘察孔，通常認(rèn)為該斷面處的地層分布與之一致，見(jiàn)圖11。

圖11 根據(jù)勘察孔預(yù)測(cè)土層分布情況Fig.11 Prediction of soil layers distribution based on survey holes

但通過(guò)統(tǒng)計(jì)各樁原始數(shù)據(jù)對(duì)每根施工樁進(jìn)行土層劃分后，其地層分布見(jiàn)圖12。

圖12 根據(jù)能耗識(shí)別土層分布情況Fig.12 Identification of soil layers distribution based on energy consumption

將圖11 與圖12 重疊后可發(fā)現(xiàn)，灰色區(qū)域?yàn)楦鶕?jù)實(shí)際施工數(shù)據(jù)及能耗劃分土層與預(yù)估的土層分布不一致，見(jiàn)圖13。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，對(duì)于該斷面，識(shí)別土層與預(yù)測(cè)土層不一致的加固方量占總加固方量的15.8%。

圖13 識(shí)別土層與預(yù)測(cè)土層不一致的區(qū)域Fig.13 Inconsistent areas of identified soil layers and predicted soil layers

當(dāng)實(shí)際土層與預(yù)測(cè)土層不一致時(shí)，通常意味著對(duì)于該部分土層施工參數(shù)冗余（導(dǎo)致浪費(fèi)）或不足（成樁質(zhì)量有風(fēng)險(xiǎn)）。對(duì)于該斷面，在底部加固范圍內(nèi)識(shí)別土層與預(yù)測(cè)土層不一致的加固方量占54.2%。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于香港三跑臨近勘察孔的施工樁實(shí)際下貫參數(shù)，統(tǒng)計(jì)了單位進(jìn)尺下在不同深度的能耗和電流，經(jīng)對(duì)比得到主要結(jié)論如下：

1）水下DCM 施工下貫過(guò)程的原始數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)單位進(jìn)尺的能耗，可以作為土層識(shí)別的重要指標(biāo)；

2）通過(guò)水下DCM 施工下貫的能耗劃分土層，其準(zhǔn)確性相對(duì)于通過(guò)電流劃分土層更穩(wěn)定、可靠；

3）對(duì)于該施工船舶處理香港機(jī)場(chǎng)的土層時(shí)，通過(guò)能耗對(duì)選取的分析斷面的施工樁進(jìn)行土層劃分后，識(shí)別土層與預(yù)測(cè)土層不一致的加固方量占總加固方量的15.8%，識(shí)別土層與預(yù)測(cè)土層不一致的加固方量占底部加固方量的54.2%。

雖然本文研究提出的下貫?zāi)芎闹笜?biāo)相對(duì)于傳統(tǒng)的電流指標(biāo)更能穩(wěn)定、可靠地指導(dǎo)識(shí)別土層類(lèi)型，但仍需進(jìn)一步深入研究及完善。這主要是因?yàn)樗翫CM 施工下貫過(guò)程中，下貫深度較大時(shí)，為了防治土體壓入出漿口導(dǎo)致管道堵塞，通常需要噴水，在處理機(jī)電流較大時(shí)會(huì)加大噴水流量，而噴水會(huì)軟化土體，降低土層的抗剪強(qiáng)度，本文并未分析噴水量對(duì)土層識(shí)別的影響。后續(xù)將深入研究噴水量的影響，進(jìn)一步提高土層識(shí)別的準(zhǔn)確性和可靠性。