深层水泥搅拌法(deep cement mixing,DCM)是20世纪50年代由美国首先研制，并应用于陆域工程。自1975年正式在海上工程中应用以来，海上DCM工法在日本发展迅速，应用最为广泛，几乎遍布整个日本岛。海上DCM处理软弱地基，能有效克服传统重力式结构中基床大开挖、大回填、易回淤、易污染等问题。进入21世纪前，由于施工设备短缺、施工技术不完善等制约因素，海上DCM在我国鲜有应用，仅在天津和烟台等地有小规模应用 ^[1,2]。近10年来，海上DCM开始大规模地在我国海洋工程地基处理中推广应用，随着香港机场第三跑道项目、香港综合废物处理设施项目、香港东涌填海项目及深圳至中山跨江通道项目相继采用海上DCM加固地基，我国海上DCM正处于蓬勃发展阶段。

　　 关于海上DCM工法，日本学者M.Terashi ^[3]及M.Kitazume等 ^[4]对其设计、施工、检测等方面进行介绍，但对具体施工过程与关键技术缺乏深入分析;刘亚平 ^[5]对水泥土配合比、地基隆起、桩端硬土层施工工艺、冷缝处理等几个技术问题进行分析;徐超等 ^[6]、贺迎喜等 ^[7]通过室内配合比试验研究水泥土强度影响因素，并对比现场工艺试桩桩体检测结果;岑文杰等 ^[8]对水下DCM在浅表层砂中的成桩问题进行分析。此外，不少学者在海上DCM复合地基承载特性、破坏机理与水泥土强度增长机理等方面开展研究 ^{[9,10,11,12,13]}。

　　 “W”施工工艺曲线、贯入与提升过程中，喷水喷浆控制、桩顶超软弱层与桩底硬土层处理、着底判断标准及施工控制指标BRN(每米切割搅拌次数)等是海上DCM工法应用中涉及的关键技术，目前国内外已有的相关文献中鲜有研究，将成为我国海上DCM技术水平进一步提升的制约因素。

　　 为此，本文基于工程实践，并通过计算分析与室内配合比试验，对海上DCM工法及其施工关键技术进行总结分析。

　　 海上DCM工法主要分为工程规划、勘察、初步设计与施工图设计、施工、竣工(质量检测)等阶段，工法应用的整体流程如图1所示。其中，施工图设计阶段主要任务是基于上部结构、工程地质条件、环境等因素，通过计算分析并确定地基承载力、沉降与稳定性均满足要求的DCM软基处理加固形式，并提出DCM桩体强度、桩端持力层等设计要求。在正式施工前需通过水泥土室内配合比试验与现场DCM工艺试桩(含试桩检测)确定施工配合比。需要指出的是，海上DCM正式施工前现场试桩包括初始试桩试验与工艺试桩，前者旨在验证DCM处理机性能，并建立满足DCM桩端持力层与嵌固深度设计要求的施工着底判断标准，现场试验时处理机下贯与提升过程中均不喷浆(水泥浆);后者旨在验证和完善DCM施工工艺设计参数以指导后续正式施工，并确定施工配合比。

　　 海上DCM施工的关键装备是DCM船，装备技术要求高。作为目前世界海上DCM工法应用最为广泛的国家，日本拥有不同等级处理能力的DCM船近50艘。1992年中交第一航务工程局有限公司研制了我国第一代DCM船，并在烟台港西港池二期工程中得到成功应用 ^[1]。2016年中交第四航务工程局有限公司成功自主研发了“四航固基”号DCM施工专用船舶，其具有自动化程度高、设备先进、处理能力强、安全环保等优点。

　　 “四航固基”号DCM船主要功能系统有船舶定位调载系统、制浆与泥浆泵送系统、桩架系统、处理机系统、施工作业控制系统、环保节能系统等。通过室内自动化施工作业控制系统，可实现DCM在手动、半自动、全自动3种模式下施工。该船船长72m、型宽30m、型深4.8m，设计吃水2.9m，最大与最小作业吃水分别为3.2,2.4m;船艏设有3组直径为1.3m的4轴DCM处理机，单组处理机单次处理面积为4.63m²。处理深度为水面以下42～45m，可根据需要进行加长改造。

　　 与陆上DCM工法相比，海上DCM在工法应用整体流程、施工装备、施工工艺、施工环境等方面均存在较显著差异。其中，与陆上DCM常用的“两搅两喷”“四搅两喷”“四搅四喷”等施工工艺相比，海上DCM工法通常采用“W”曲线型施工工艺。

　　 “四航固基”号DCM船上每组处理机配有4根钻杆，设有8处喷浆口(见图2)，其中，4处位于每根钻杆底部，用于下贯时喷水与桩端处理喷浆;另外4处位于上部中心杆底端，用于提升喷浆加固土体;上、下喷浆口间距为3.68m。国内某项目海上DCM现场施工工艺流程如图3所示。

　　 为保证土体切割与搅拌均匀，减小贯入阻力，处理机下贯过程中底部喷浆口通常需适量喷水 ^[5]。喷水量与土层土质条件有关，并根据下贯时电流值进行适当调整。当桩顶区域为流泥或浮泥层时，由于土体自身含水量大，处理机下贯至该土层时可不喷水，避免因土体含水量过多而对成桩效果产生不利影响。对桩底硬土层进行上下反复切割搅拌后，通过底部喷浆口喷浆加固桩底土层。需要指出的是，在到达指定的起始喷浆位置前须提前喷浆以将管路中的水排净，确保下贯过程中水泥浆流量稳定。考虑到持力层土体强度较高，为了确保桩底土层加固效果，此阶段可反复提升1～2m增加底部的搅拌次数。完成底部搅拌加固后处理机开始提升搅拌，并启动上部中心喷浆口喷浆加固，直至顶部砂垫层后停止喷浆，最后提升出砂垫层，清洗管路与钻头。

　　 基于上述施工工艺，DCM施工过程中处理机钻头运行路径所形成的时程曲线，即为“W”曲线，如图4所示。在DCM桩施工前，须提前设计好“W”曲线并输入系统，明确各土层中下贯与提升过程施工参数，如转速N、喷水流量Q_w、喷浆流量Q_c、下贯或提升速度V。现场施工中，海上DCM桩是可通过自动化程序完成，“W”施工工艺曲线则是程度执行的依据和标准，曲线中明确了操作程序需执行的不同阶段、钻进至不同土层的施工参数。需要指出的是，“W”施工工艺曲线形式与设备性能及参数、土层条件、施工工艺等密切相关。

　　 工程设计中，通常以静力触探测试(CPT)锥尖阻力值作为确定海上DCM桩桩端持力层的依据，进而确定DCM施工桩长。由于工程址区的CPT测点数量有限，根据CPT测试结果仅能得出假定的持力层。实际施工中，一般以贯入过程中施工管理系统上显示的处理机电流值来判断是否到达持力层。正式施工前，通过现场初始试桩试验，旨在建立DCM处理机着底判断标准，即建立不同深度下设备响应参数(通常为扭矩，以处理机电流来表征)与土层CPT锥尖阻力值之间的关系。

　　 试桩试验开始前，在每组处理机将要施工的第1簇试验桩桩位处进行3个等间距的CPT测试。根据设计要求的持力层CPT锥尖阻力值，每个CPT测点可确定1个持力层位置，三者平均即可得到此DCM桩的持力层位置。初始试桩试验中，当处理机按一定的下贯速度、喷水量和转速下贯，施工管理系统会自动记录处理机贯入持力层时设备响应参数，将此电流值作为该处理机在持力层中的电流特征值，即建立土层力学参数与处理机下贯电流之间的关系，据此确定DCM桩着底判断标准。

　　 由海上DCM工法应用整体流程及现场施工工艺可知，影响DCM施工质量的关键参数包括被加固土体性质、水泥(固化剂)种类与掺量、水灰比、外掺料，以及处理机贯入速度、提升速度、搅拌轴转速、喷浆量和喷浆方式等工艺参数。其中，每米土体切割搅拌次数BRN(blade ration number)是海上DCM施工中一项重要控制指标，BRN是一个综合性的工艺参数，与上述各施工工艺参数密切相关。另外，工程实践表明，土体总含水率(包括土体自身含水量、下贯喷水量以及水泥浆液中含水量)对DCM桩体强度影响大。

　　 BRN是一个综合性工艺参数，计算式为:

　　 式中:∑M为单根钻杆搅拌叶片总数;N_d,N_u分别为处理机贯入与提升转动速度(r/min);V_d,V_u分别为处理机贯入与提升速度(m/min)。

　　 BRN只计入喷浆阶段的切割搅拌次数，即有效切割搅拌次数。当前海上DCM施工通常采用提升喷浆的施工工艺(桩底部分区域下贯喷浆)，此时，BRN计算式为:

　　 根据水泥掺量A₀，可计算得出每米喷浆量q(L/m),q为每米桩体的总受浆量，计算式为:

　　 式中:S为单桩截面积(m²);A₀为加固单位体积土体所需掺入的水泥质量(kg/m³);α为水灰比;ρ_w为搅拌用水密度(kg/m³);ρ_c为水泥密度(kg/m³)。

　　 根据提升与贯入速度及每米喷浆量，可计算得出喷浆流量，分为以下2种情况。

　　 1)当前海上DCM施工工艺中，通常采用提升喷浆的方式，此时，喷浆流量Q_c1(L/min)计算式为:

　　 2)若采用贯入与提升均喷浆的施工工艺，且每米总喷浆量保持不变，则喷浆流量Q_c2(L/min)计算式为:

　　 式中:q_d,q_u分别为贯入与提升过程中每米喷浆量(L/m)。

　　 由式(3)～式(6)可知，在一定水泥掺量下，喷浆流量与处理机提升(贯入)速度呈正相关关系，而通常喷浆流量与喷浆压力密切相关。另外，处理机转速与表征处理机土体贯入切割能力的扭矩呈负相关关系，而实际施工中处理机电流值反映了土体贯入切割难易程度。因此，作为一个衍生参数，BRN与处理机贯入和提升速度、转速以及搅拌叶片数量相关，同时BRN值的调整也将影响喷浆流量(喷浆压力)、处理机扭矩(电流)等关键施工工艺参数。

　　 对于海上DCM施工，工程设计文件中通常会给定BRN最小值。

　　 1)方法1保持贯入与提升速度不变，可提高处理机转速。将降低处理机扭矩，处理机切割土体能力减弱，可能造成搅拌困难，尤其是在硬土层中。因此，需结合工程地质条件，确定满足处理机切割土体能力下的最高转速。

　　 2)方法2保持转速不变，降低提升与贯入速度。一方面，降低速度将影响施工效率;另一方面，提升与贯入速度降低时将减小喷浆流量，在既有制浆与泥浆泵送系统下，为减小喷浆流量通常需降低喷浆压力(柱塞泵)，易造成喷浆管路堵塞。另外，喷浆压力的调整还需考虑注浆泵的性能，保证注浆泵良好运行。

　　 3)方法3由于BRN值仅计入喷浆阶段的切割搅拌次数，而当前海上DCM工法通常采用提升喷浆的施工工艺，实际上，陆上DCM“两搅两喷”施工工艺应用广泛，在三轴搅拌桩施工中较为常见。因此，可以考虑将海上DCM施工工艺调整为贯入与提升过程中均喷浆，但保持水泥掺量不变。采用喷浆贯入与喷浆提升的施工工艺，被加固土体存在2次受浆搅拌机会，水泥土拌合应更为均匀。方法3能较大幅度甚至成倍提高BRN值，或者在满足设计要求的BRN值下，可进一步提高贯入或提升速度，从而提高施工效率，但当前对该工艺缺乏相关研究与工程应用，其成桩效果有待检验。

　　 对于方法1与方法2，关键在于确定满足施工质量与施工效率的经济技术平衡点。在海上DCM正式施工前，需进行现场初始试桩试验与工艺试桩，建立设备特征参数与地层条件及深度之间的关系，分析不同地层条件下扭矩、转速、下贯(提升)速度、喷浆压力等参数的合理范围，进而确定适用的BRN取值区间。

　　 室内配合比试验中，水泥土试样中总含水量由试验土样自身含水量与掺入水泥浆液中含水量两部分组成，总含水率为水泥土试样中总含水量与干土质量的比值。以取自香港某海上DCM工程项目址区的冲积层黏土为研究对象，通过水泥土室内配合比试验分析总含水率对水泥土强度的影响。试验土样基本参数如表1所示。

　　 开展2组水泥土室内配合比试验，水泥土掺量分别为220,240kg/m³，对应的水泥掺入比分别为11.4%,12.4%，水灰比均为0.9;每组试验中获得相应总含水率为0.7w_l,0.9w_l,1.0w_l,1.1w_l,1.3w_l的28d龄期水泥土无侧限抗压强度(w_l为试验土样液限含水率，即47.8%)。根据拟定的总含水率、水灰比与水泥掺量，可计算得出试验土样自身含水率，进而通过干土制样法配制土样进行水泥土室内配合比试验，如图5所示。

　　 本试验中28d龄期水泥土无侧限抗压强度随水泥土总含水率与土样液限比值的变化规律，以及其他学者的试验结果如图6所示 ^[14]。从图6中可看出，对于香港冲积层黏土，随着总含水率增大，水泥土强度先增大后减小;当总含水率接近土样液限时水泥土强度最大，搅拌加固效果最好，此时对应的试验土样含水率约为33%。本试验所用土样与文献[14]中试验土样以及两者的水泥掺量、水灰比均不同，导致水泥土强度存在一定差异，但其随总含水率的变化规律基本一致。

　　 因此，在海上DCM现场施工中，基于被加固土层物理性质，以及既定的水泥掺量与水灰比，可确定下贯过程中的合理喷水量，从而使加固效果最佳。本次试验结果已在香港某海上DCM工程实践中得到成功应用。

　　 1)“W”施工工艺曲线决定了海上DCM施工过程中处理机钻头运行路径以及不同阶段、不同土层中的施工参数，是海上DCM施工的准绳。

　　 2)施工控制指标BRN是综合性衍生参数，其数值的调整涉及多个施工工艺及设备特征参数，可根据地层条件确定合理的BRN取值区间。

　　 3)当前海上DCM工法通常采用提升喷浆的施工工艺，在保持水泥掺量不变的前提下，理论上可优化调整为下贯与提升过程均喷浆的工艺，大幅度提高BRN值或提高施工效率，可通过现场试桩验证工艺可行性。

　　 4)对于香港某海上DCM工程址区的冲积层黏土，当总含水率接近土体液限时，水泥土强度最高，加固效果最好;实际施工中可据此确定处理机下贯至不同土层时的合理喷水量。