超厚回填土樁身防水流沖刷混凝土配制技術研究*

劉軍安，楊大勇，樂 俊，楊慧齊，宋江文，李玉才，楊 浩

(中建三局基礎設施建設投資有限公司，湖北 武漢 430064)

0 引言

樁基工程目前越來越多用于各大高層房屋建筑深基礎、鐵路橋梁基礎和港口海岸等工程，尤其對于濕陷性黃土區域、高填土區域、軟弱土體區域等應用較為廣泛。樁基礎具有良好的承載力以及較好的抗沉降能力，作為基礎樁，主要分為端承樁和摩擦樁兩種類型。

樁基具有良好地層適應性，對于復雜地質環境的樁基，仍存在多種不利于樁身穩定及樁身安全的因素。在地下水豐富的濕陷性黃土區域、沿海沿江區域以及高回填土區域，由于地下水的存在，水流沖刷成了影響樁身安全及質量的主要危害之一。

目前對樁基礎中水流沖刷作用研究較多，但大多數集中在對河流橋梁樁基礎中的水流沖刷作業分析，主要針對土體被水流帶走形成土體掏空過程中水流與土體或者水流與基礎結構的相互作用研究。研究內容主要體現在以下幾個方面[1-4]：①研究樁周土體的沖刷深度和范圍；②研究水流沖刷對地下結構的影響；③研究水流沖刷對樁身侵蝕作用。但未對樁身混凝土本身防沖刷性能進行相關研究。因此對于樁身混凝土的研究，能有效避免水下結構被侵蝕失穩危害，為富水區域樁基施工提供了更多的技術措施。

1 水流沖刷危害

水流沖刷一般指在地表水或地下滲流水的作用下，地基中土顆粒被水流帶走，造成樁身周邊土體流失甚至被掏空的過程。

1)水流沖刷易造成樁周土體流失 對于摩擦樁，對樁摩阻力影響較大，會導致因樁身摩阻力喪失造成樁基沉降而引起結構失穩；對于端承樁，水流沖刷帶來的土體流失，造成樁身周邊土體沉降，增大了樁身的負摩阻力，會造成因超過樁端承載力而失穩破壞的危害。因此水流沖刷對樁身承載力有著重要影響。

2)水流沖刷易形成樁身裸露 對于河道區域橋梁工程以及邊坡護理工程，水流沖刷會造成樁身表面土體流失，進而導致樁基外露而受到水流及空氣的直接侵蝕造成損傷。隨著時間的作用，侵蝕嚴重的造成樁身開裂脫落，暴露樁基鋼筋，造成鋼筋銹蝕而失效，帶來上部結構失穩、變形等危害。

因此，制定有效的樁基防沖刷措施，能夠減少或避免因水流沖刷造成的危害。為確保多雨高回填區域樁基施工質量和安全，結合實際工程，從樁身混凝土性能方向進行研究分析，從而配制出滿足高回填多雨區域樁基設計及施工工藝要求的混凝土。

2 工程概況

目前在建的貴陽龍洞堡國際機場三期擴建工程T3航站樓，根據B3區詳勘報告及施工勘察報告，共有近30根超過70m的超長樁，部分超長樁甚至超過100m，是國內外少有的水下超長樁基施工。同時，施工地質條件復雜，具有4～64m深的未夯實素土回填層及分布有大量的泥夾石、溶洞及巖溶裂隙；地下水主要有巖溶裂隙水，賦存于灰巖溶洞、溶孔及分化裂隙中，局部地段含有少量上層滯水賦存于素填土內。

在如此復雜的地質條件下進行超長樁施工，需要混凝土具有優良的工作性、抗水下沖刷性、水下防擴散性、水下自密實性及超長的凝結時間、超長的工作性保持時間(保塑性)。

3 防沖刷混凝土配制研究

3.1 混凝土性能要求

本工程中，由于樁長超過70m，且底部存在巖溶發育層，混凝土的澆筑時間較長，結合成樁工藝，采用雙套管成孔，在混凝土澆筑時邊澆筑邊上拔，因此混凝土需有良好的性能匹配現場施工，混凝土性能指標如表1所示。

表1 新拌混凝土性能指標

3.2 混凝土基礎配合比確定

水膠比的選擇應同時滿足混凝土強度和耐久性、自密實性要求。按照規范計算，要求水膠比宜低于0.4。膠凝材料用量根據經驗選為540～580kg/m3，通過室內試驗，得到基礎混凝土配合比(見表2)。

表2 混凝土基礎配合比 (kg·m-3)

絮凝劑的不同品種及用量，會直接影響到用水量及外加劑用量，因此在進行基礎配合比試驗時，并未考慮外加劑用量。為了獲得更好的絮凝劑適配混凝土性能，選用兩種型號絮凝劑進行適配，單方添加量均為6kg，通過室內試驗配比，得到兩種型號的絮凝劑制作的混凝土試塊。結果顯示，該類型絮凝劑混凝土試塊雖然工作性能良好，但試塊氣泡過多，通過添加外加劑，仍不能消除氣泡，無法達到要求，因此通過優化，重新得到3種絮凝劑，并進行試配，配合比如表3所示。

表3 絮凝劑種類確定配合比 (kg·m-3)

通過對比另外3種類型絮凝劑混凝土試塊，其中添加UWB-Ⅰ類混凝土試塊氣泡較多，無法通過添加外加劑消除；UWB-Ⅲ類混凝土稠度大，不利于超長樁澆筑。通過繪制試塊性能參數如圖1所示。

圖1 不同類型絮凝劑性能

從圖1中可以看出，UWB-Ⅱ類型絮凝劑混凝土工作性能較好，11d強度達到43.8MPa，雖然初凝時間<30h，但是初凝時間可通過添加外加劑進行調整，而UWB-Ⅲ類型絮凝劑混凝土初凝時間滿足要求，但混凝土黏稠度不滿足要求，因此選擇UWB-Ⅱ類絮凝劑。

3.3 單方混凝土絮凝劑用量

為獲得較好的混凝土強度以及工作性能，對絮凝劑添加量進行試驗研究，試配了絮凝劑單方添加量為0，6，8，10，12kg，對相應試驗得到的混凝土性能進行統計如圖2所示。

圖2 混凝土性能與絮凝劑添加量關系

從圖2統計結果中可以看出，隨著絮凝劑量的增大，水陸強度比和坍落度呈上升趨勢，但單方用量超過10kg后，混凝土的性能有所下降，同時隨著絮凝劑的增加，混凝土初凝時間延長，因此結合現場施工工藝及地質條件對混凝土性能的要求，單方混凝土絮凝劑添加量宜為6～10kg。絮凝劑添加量為10kg時混凝土的孔內不分散性優良，能夠滿足現場需求，故單方添加量采用10kg。

3.4 外加劑用量試驗研究

為了獲得更長的凝結時間即混凝土的保塑性，在前述混凝土配合比的基礎上，選用兩種不同品牌超緩凝劑，配合其他外加劑進行復合使用。得到混凝土性能參數與超緩凝劑添加量的關系(見圖3,4)。

圖3 混凝土參數與超緩凝劑1關系

圖4 混凝土參數與超緩凝劑2關系

試驗結果顯示，隨著超緩凝劑用量的增加，混凝土初凝時間和保塑時間均有顯著延長，具有良好的混凝土適應性，同時外加劑量的增大，對混凝土后期強度影響較小。在混凝土性能相近的情況下，第1種品牌超緩凝劑添加量相對于第2種少，故超緩凝材料選擇第1種品牌。因此實際混凝土使用過程中，可依據現場實際超長樁施工情況和澆筑情況進行調整。

3.5 混凝土抗水沖刷試驗研究

獲得絮凝劑和超緩凝劑用量的配合比后，對該配合比的混凝土進行室內模擬試驗研究，制作1根長3m，直徑0.5m的樁。采用注水管進行注水模擬樁身水流沖刷，試驗模型如圖5所示。

圖5 模擬水流沖刷模型

模擬試驗采用1組空白對比，1組按前期試驗結果添加絮凝劑，空白組不添加絮凝劑(見表4)。在相同的注水壓力下，加了絮凝劑的混凝土，水沖刷時從模擬樁側面冒出，未加絮凝劑的混凝土直接沖散混凝土漿體，水從模擬樁中間穿過。在相同的沖刷時間內，未加絮凝劑的混凝土面下降速度快，同時添加絮凝劑的混凝土性能更優。

表4 抗水沖刷試驗配合比及結果

經過一定時間水沖刷之后觀察模擬樁狀態，添加了絮凝劑的模擬樁依舊能夠成樁，但未添加絮凝劑的模擬樁因水流沖刷，混凝土漿體被帶走，無法成樁。以上說明絮凝劑具有一定的抗水沖刷性能。

通過從基礎配合比到添加絮凝劑和超緩凝劑配合比的室內試驗和模擬樁水流沖刷試驗，得到適用于現場的防沖刷超緩凝混凝土配合比和試驗性能如表5，6所示。

表5 C40超緩凝水下防沖刷混凝土配合比 (kg·m-3)

表6 新配比混凝土性能檢測

4 結語

超厚回填區樁基施工，由于回填土固結度差，又伴隨當地多雨季節，導致樁基礎易受到水流沖刷造成樁基失穩或破壞。通過室內配合比研究及模擬樁基抗水流沖刷試驗研究，從樁基混凝土本身性能出發，研制出適應該復雜地層施工的超緩凝防沖刷混凝土，主要結論如下。

1)通過添加絮凝劑，能夠有效改善混凝土各項硬化強度性能，同時能提高混凝土抗水流沖刷能力，單方混凝土絮凝劑添加量宜控制在8～10kg。

2)為滿足超長樁混凝土澆筑施工工藝要求，需要通過調整混凝土超緩凝劑和其他添加劑含量，外加劑含量的增加對混凝土硬化性能及強度影響較小，可依據現場時間需求調整添加量。