下贯能耗监测分析用于揭示水下DCM 施工中土层变化的方法研究及验证

滕超，何丽平

（1.中交四航工程研究院有限公司，广东 广州 510230；2.中交交通基础工程环保与安全重点实验室，广东 广州 510230；3.南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海），广东 珠海 519082）

0 引言

1987 年，在天津港东突堤南侧码头工程[1]，国内首次利用DCM 法加固水下软基，租用日本船舶施工，在后续20 余年间国内鲜有应用。2016年，在香港机场第三跑道项目[2]，国内首次使用自主研发的国产施工船舶，大规模应用DCM 法加固水下软基。2018 年，在深中通道项目[3]，使用自主研发的国产水下DCM 施工船舶加固沉管地基，均取得了良好的加固效果。

邹春晓等[4]指出，随着海上工程对环保、防渗、工后沉降的要求不断提高，以及国内重大工程项目的成功应用，DCM 法加固水下软基具有非常光明的前景。张连昊等[5]提出DCM 船施工质量实时自动检测系统，对整个施工阶段进行实时自动检测，可以有效防止操作人员录入错误施工数据，还可以在施工结束后对记录的数据进行全面分析校对，确保施工质量。万瑜等[6]提出了使用水泥搅拌桩下贯过程中的电流值对土层进行划分，再调整施工工艺参数，可有效保证成桩质量，并节约水泥用量。滕超等[7]提出使用实际记录的水下DCM 施工数据，结合检测结果和勘察资料，可以建立勘察—施工—检测的关联数据，通过相关性分析，可找到影响不同深度和不同土层类型成桩质量的主要施工工艺参数及其控制范围。

由于我国大规模水下DCM 工程项目应用时间较短，项目少，相关研究较少。水下软土地层分布复杂，地层变化较大，但工程勘察孔数量有限，必然存在一定量的施工桩与勘察孔地层分布不一致的情况。而水下DCM 施工工艺参数的选择跟土层类型密切相关，当实际施工桩的土层分布与勘察孔土层分布不一致时，就会导致工艺参数与土层性质不匹配，出现工艺参数设置保守造成材料浪费，或工艺参数设置不足，导致成桩质量有一定风险。万瑜等[6]提出使用下贯过程中的电流值对土层进行划分，并根据实际的划分情况调整参数，可以有效避免工艺参数与土层类型不匹配的情况，进而节省水泥用量。但是，电流值不仅与土层性质有关，还与下贯速度密切相关。本文结合香港三跑机场水下DCM 勘察孔及临近勘察孔的施工桩原始施工数据，利用单位进尺的能耗作为土层识别指导，能有效提高土层划分的准确性。

1 工程概况

香港三跑是在现有机场以北填海约650 hm2，采用深层水泥搅拌法等原位加固措施加固大约300 hm2的海床。水下DCM 处理包括C4 区及C1、C2、C5 护岸区等造陆海域，见图1。深层水泥搅拌桩（DCM）总加固量约200 万m3，桩长在5.0～29.0 m，截面为4 轴梅花形，面积4.63 m2。

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

香港三跑水下DCM 加固区域主要包括污染淤泥土、海相淤泥和冲积土，见图2。

污染淤泥土：是从1992 年底被作为香港疏浚填土工程中产生的大量污染淤泥的卸置场地。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%，塑性指数14～30；细粒含量高达80%～90%，其余为粉细砂、砂砾等，有机质含量小于3%。

海相淤泥：海相淤泥为自然形成的原状海洋沉积物，主要由粉质黏土构成，含有少量细沙及贝壳类物质，厚度约10～35 m。其天然含水率在40%～60%；塑限20%～40%，塑性指数15～30。海相淤泥土细粒含量高达80%～95%，其余为粉质黏土、砂砾等，土体的有机质含量小于3%。

冲积土层：位于海相淤泥土层下部，土层材料包括砂、砾石、黏土，主要为硬塑黏土、压缩性较小。

本文所分析的原始施工数据来自“四航固基”号专业施工船，见图3。该船长72.75 m，宽30 m，桩架高55 m，吃水2.9 m，储备最大处理深度约为甲板以下44.3 m，具备3 个处理机，单个处理机处理面积4.63 m2，在风力≤6 级，水流速度≤2 m/s，波浪≤1.0 m 时能安全作业。

该船舶每套DCM 系统配置一套施工管理系统，见图4，对起重绞车、DCM 处理机、输浆泵等作业设备由施工管理系统集中控制，每5 s 记录1 次原始数据，数据包括搅拌头高程、处理机电流、下贯速度、钻速、喷水流量等。

2 理论分析

岩土工程勘察有多种土层识别的检测手段，其中十字板剪切是应用较广的一种现场检测方法，测试饱和软黏性土不排水抗剪强度和灵敏度，通过该参数的测试，可划分软黏性土的类别。水下DCM 加固地基加固的土层主要是饱和软黏性土，搅拌叶片竖向投影后可简化为十字板，搅拌过程与十字板剪切破坏土体的过程类似。

因此，在不考虑下贯时可以将水下DCM 下贯搅拌的过程简化类比作十字板剪切试验过程，见图5，图中D 为叶片旋转的直径，H 为叶片旋转的竖向投影高度。

图5 十字板剪切与水下DCM 搅拌对比示意图Fig.5 Schematic comparison of crossboard shearing and underwater DCM mixing

搅拌头不下贯与土体相互搅拌切割，其受力与十字板剪切试验相似，计算不下贯时的扭矩，取单层搅拌叶片分析，见图6。

图6 搅拌头叶片示意图Fig.6 Illustration of mixer head blades

扭矩分为两部分，叶片旋转一周后，一部分用于克服侧面形成圆柱面的土体抗剪强度M1，一部分用于克服顶面和底面形成环形的土体抗剪强度M2。

式中：M1为克服圆柱面土体抗剪强度所需力矩，N·m；cu为土体抗剪强度，kPa；d 为钻杆直径，m；l 为叶片长度，m；B 为叶片宽，m；θ 为叶片倾角，（°）；M2为克服顶面和底面土体抗剪强度所需力矩，N·m；M0为未下贯时克服土体抗剪强度的总力矩，N·m。

在考虑下贯时，搅拌头螺旋下贯时叶片剪切的土体由环形柱体，变为螺旋形柱体。但其与土体相互作用的表面积（侧面积以及上、下底面积）均未发生改变，见图7，从剪切土层投影面积来看不会对剪切、破坏土体的扭矩产生影响。

图7 未下贯和下贯时叶片扫掠结果对比图Fig.7 Comparison diagram of blade sweeping results during downflow and non-downflow conditions

在未下贯时，以十字板剪切原理为基础进行推导，其中底层叶片以原状土的抗剪强度为计算指标，但仅限于旋转第1 圈，实际上在搅拌桩旋转第2 圈以后土样均为扰动土样，此时应考虑土体的灵敏度。当下贯时，底层叶片破坏的土体中，底部为原状土，上部为扰动土，见图8。

式中：h2为底层叶片搅拌原状土厚度，m；n 为转速，r/min；V 为下贯速度，m/min；h1为底层叶片搅拌扰动土厚度，m；M 为下贯时搅拌头的扭矩，N·m；St为土体灵敏度。

由于本文研究分析的搅拌头的结构形式是相同的，在不同土层中并未发生变化，因此搅拌头扭矩与土体的抗剪强度成正比。由于水泥搅拌桩施工下贯过程中输入功率可由电流值及电压实时计算，输出功率等于输入功率，输出功率主要用于电机发热和对外做功，对外做功主要用于钻杆转动、克服摩擦以及切割、破坏土体。

式中：P 为功率；t 为时间；W1为处理机发热能耗；W2为处理机对外做功；W3为钻杆转动所需动能部分的能耗；W4为钻杆器摩擦部分的能耗；W5为搅拌头对土做的功。

施工过程中电压恒定，并实时记录电流值，可通过施工过程中记录的电流值求得输入功Pt。下贯过程中转速控制不变，钻杆的摩擦力变化不大，处理机温度变化不大，因此，单位时间内发热、钻杆动能、摩擦损耗可为常数处理，暂定为P1。取单位深度hλ的土体作为分析步长，在穿过该深度土体的过程中搅拌头对土做功可以通过式（9）计算：

式中：It=h为在高程为h 时的电流值；It=h0为单位统计段起始时刻的电流值；It=h0+hλ为终止时刻的电流值；U 为电压；tλ为施工原始记录的时间间隔（本次使用的原始数据记录时间间隔为5 s）；v 为下贯速度。

由于下贯过程中转速恒定，电机输出功耗与损耗功率和搅拌轴的扭矩密切相关，而损耗功率可简化为定值。因此对于同一根桩，通过统计下贯不同单位深度土层的输出功耗，直接反映了该段土层的抗剪强度，可作为划分土层类别依据。

由于施工时必然已有勘察资料，项目范围内土的种类是明确的，因此在进行土层划分时，只需要明确土层在何处分层即可，无需确定土层的具体力学指标。

3 应用研究及验证

搅拌头的运动主要受处理机和起重绞车两套独立的动力系统控制，起重机主要控制搅拌头升降，处理机主要控制搅拌头旋转，本文主要研究的是搅拌头旋转受土层阻力的影响，因此只考虑处理机电机的能耗。为验证能耗和电流对土层划分的有效性，结合现场实际施工情况，取离勘察孔位最近的DCM 施工桩下贯阶段电流、喷水量与勘察孔土层划分进行对比分析，施工桩与勘察孔坐标如表1 所示，施工桩L16-051 距离勘察孔P283-DH023 仅2.0 m，施工桩LB28-081 距离勘察孔P283-DH012 仅1.8 m，可认为该施工桩的土层分层与勘察孔的土层分布一致。

表1 勘察孔与临近DCM 施工桩位置对比表Table 1 Comparison table of survey hole locations and adjacent DCM construction piles

勘察孔P283-DH023 和P283-DH012 的各土层的描述及层顶标高，见表2。其中P283-DH023揭示的施工桩长范围内主要有淤泥、淤泥质土和砂质粉土，P283-DH012 揭示的施工桩长范围内主要有淤泥、淤泥质土和粉质黏土。

表2 勘察孔土层描述及层顶标高表Table 2 Table of soil layer description and top elevation of survey holes

根据施工桩L16-051 和LB28-081 的原始施工数据，统计每0.2 m 范围内的平均电流和能耗，并与各自临近勘察孔揭示的地层分布对比见图9和图10。

图9 施工桩LB28-081 每0.2 m 能耗和电流与土层对比图Fig.9 Comparison graph of energy consumption and current at every 0.2 m with soil layer of construction pile LB28-081

图10 施工桩L16—051 每0.2 m 能耗和电流与土层对比图Fig.10 Comparison graph of energy consumption and current at every 0.2 m with soil layer of construction pile L16-051

根据电流和能耗与实际勘察孔揭示的土层划分对比可知：

1）无论是电流还是能耗，在不同土层的界面处都出现了明显的波动；

2）在同一种土层中能耗比电流稳定，例如，施工桩LB28-081 的淤泥层中，在-7.5 m 处平均电流出现突变，从97～103 A 降到76～82 A，而能耗依然稳定在0.41～0.62 kW·h，因此采用能耗进行土层划分相对于用电流更稳定、有效；

3）施工桩L16-051 在13.0 m 处电流明显降低，同时能耗明显增大，经对原始数据分析，主要原因是在该深度的下贯速度由1.0 m/min 下降到0.5 m/min，导致电流减小，同时下贯速度降低，通过同一深度范围所需时间增大，导致能耗提升；

4）搅拌头贯入新土层的过程是循序渐进的，但从对比数据图可知，下贯阶段的单位进尺能耗足以确定土层在何处分界，中间循序渐进的变化并不是确定分层界面所必须要解决的问题。

结合以上研究成果，利用单位进尺能耗，选取一个断面对每根施工桩的地层进行重新划分，在正常情况下，由于该区域仅1 个勘察孔，通常认为该断面处的地层分布与之一致，见图11。

图11 根据勘察孔预测土层分布情况Fig.11 Prediction of soil layers distribution based on survey holes

但通过统计各桩原始数据对每根施工桩进行土层划分后，其地层分布见图12。

图12 根据能耗识别土层分布情况Fig.12 Identification of soil layers distribution based on energy consumption

将图11 与图12 重叠后可发现，灰色区域为根据实际施工数据及能耗划分土层与预估的土层分布不一致，见图13。经统计，对于该断面，识别土层与预测土层不一致的加固方量占总加固方量的15.8%。

图13 识别土层与预测土层不一致的区域Fig.13 Inconsistent areas of identified soil layers and predicted soil layers

当实际土层与预测土层不一致时，通常意味着对于该部分土层施工参数冗余（导致浪费）或不足（成桩质量有风险）。对于该断面，在底部加固范围内识别土层与预测土层不一致的加固方量占54.2%。

4 结语

本文基于香港三跑临近勘察孔的施工桩实际下贯参数，统计了单位进尺下在不同深度的能耗和电流，经对比得到主要结论如下：

1）水下DCM 施工下贯过程的原始数据统计单位进尺的能耗，可以作为土层识别的重要指标；

2）通过水下DCM 施工下贯的能耗划分土层，其准确性相对于通过电流划分土层更稳定、可靠；

3）对于该施工船舶处理香港机场的土层时，通过能耗对选取的分析断面的施工桩进行土层划分后，识别土层与预测土层不一致的加固方量占总加固方量的15.8%，识别土层与预测土层不一致的加固方量占底部加固方量的54.2%。

虽然本文研究提出的下贯能耗指标相对于传统的电流指标更能稳定、可靠地指导识别土层类型，但仍需进一步深入研究及完善。这主要是因为水下DCM 施工下贯过程中，下贯深度较大时，为了防治土体压入出浆口导致管道堵塞，通常需要喷水，在处理机电流较大时会加大喷水流量，而喷水会软化土体，降低土层的抗剪强度，本文并未分析喷水量对土层识别的影响。后续将深入研究喷水量的影响，进一步提高土层识别的准确性和可靠性。