型鋼水泥土復(fù)合攪拌樁用新型水泥土研究

申曉明,高春蕾,孫 佳,姚云飛,池 帥,張琳娜

(1.中交路橋華東工程有限公司,上海 201203;2.中國(guó)建筑科學(xué)研究院有限公司,北京 100013; 3.建筑安全與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100013;4.國(guó)家建筑工程技術(shù)研究中心,北京 100013)

型鋼水泥土復(fù)合攪拌樁支護(hù)結(jié)構(gòu),也稱為SMW(Soil Mixing wall)工法。SMW工法的基本原理是在水泥土深層攪拌樁中插入型鋼形成一種新穎的樁排式地下連續(xù)墻。基于軟土基坑的復(fù)雜性和特殊性,型鋼水泥攪拌樁作為一種新型的施工技術(shù)在深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)施工中已被推廣應(yīng)用,尤其在土質(zhì)松軟、含水量較大等地質(zhì)環(huán)境差的工程中,型鋼水泥攪拌樁具有支護(hù)性能好、施工便捷、止水效果好、造價(jià)低、型鋼可回收利用等特點(diǎn),其應(yīng)用越來(lái)越廣泛。水泥土攪拌樁將水泥粉末或水泥漿通過(guò)動(dòng)力泵送到地下,采用攪拌葉將其與軟弱土體進(jìn)行充分?jǐn)嚢枋怪纬蓸扼w。型鋼水泥土攪拌樁中水泥土不僅起到基坑隔水作用,更重要的是還承擔(dān)著對(duì)型鋼的包裹嵌固作用。型鋼水泥土攪拌樁的設(shè)計(jì)施工參數(shù),例如水泥和土用量比例,目前多憑借經(jīng)驗(yàn)施工法開展相關(guān)工作,施工質(zhì)量難以得到保證。

隨著國(guó)家雙碳戰(zhàn)略發(fā)展的要求,固廢綜合利用的不斷推進(jìn),國(guó)內(nèi)外學(xué)者從水泥土配比各項(xiàng)影響因素出發(fā)進(jìn)行的相關(guān)技術(shù)研究也不斷增多。魏建平[1]通過(guò)進(jìn)行水泥土攪拌樁室內(nèi)配合比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)抗壓強(qiáng)度隨水泥摻量提高而增加、隨齡期增長(zhǎng)而增大,不同地基土,水灰比的選擇也會(huì)有所不同。阮波等[2]對(duì)淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土水泥土進(jìn)行室內(nèi)配比試驗(yàn),研究發(fā)現(xiàn)水泥標(biāo)號(hào)對(duì)水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響最大,其次是水泥摻入比,影響最小的是含水率。沈建國(guó)等[3]研究發(fā)現(xiàn)使用大摻量摻合料可以保證水泥土的力學(xué)性能,也可以提高復(fù)合地基水泥土的防腐蝕性能。徐威等[4]研究發(fā)現(xiàn)石粉作為一種外摻劑能大幅提高水泥土的強(qiáng)度。綜上可以看出通過(guò)調(diào)整相應(yīng)的水泥土配比摻加一定量摻合料可以改善相應(yīng)的力學(xué)、防腐等性能。

論文以阜寧縣棚戶區(qū)改造(湖畔景苑)EPC工程總承包項(xiàng)目為依托,通過(guò)對(duì)該項(xiàng)目攪拌支護(hù)樁涉及的填土、粉質(zhì)粘土、灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn),得到了相應(yīng)的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響規(guī)律。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土為阜寧縣棚戶區(qū)改造(湖畔景苑)EPC工程總承包項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)土樣,三層土樣勘探結(jié)果數(shù)據(jù)如下:1層素填土:雜色,結(jié)構(gòu)松散,濕-很濕,主要成分為粉質(zhì)黏土,夾少量碎磚、石子等建筑垃圾,上部含大量植物根莖,土質(zhì)不均勻。場(chǎng)區(qū)普遍分布,為人工填土。2層粉質(zhì)黏土:灰黃色,可塑向下漸變軟塑,飽和,含少量鐵錳質(zhì)氧化物,土質(zhì)欠均勻。3層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土:灰黃-灰色,流塑,飽和,不均勻夾少量粉性土或粉砂薄層(單層厚度2～5 mm),具微層理,土質(zhì)欠均勻。其中,粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土指標(biāo)見表1。

表1 現(xiàn)場(chǎng)土樣物理力學(xué)指標(biāo)

試驗(yàn)用水泥選用江蘇八菱形海螺水泥生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥PO42.5,相關(guān)指標(biāo)見表2。

表2 水泥化學(xué)成分

試驗(yàn)用土固化劑采用雙組分,組分1與組分2相關(guān)指標(biāo),見表3。

表3 固化劑主材化學(xué)成分 /%

1.2 試驗(yàn)方案與試樣制備

依據(jù)該項(xiàng)目設(shè)計(jì)圖紙相關(guān)規(guī)定,工程基坑總體采用雙軸水泥土攪拌樁壩體(內(nèi)插H500×300×11×18型鋼)、放坡相結(jié)合的圍護(hù)形式。采用PO42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥,要求水泥應(yīng)新鮮、干燥、無(wú)結(jié)塊現(xiàn)象。

采用膠凝材料純水泥和固化劑摻加土樣進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn),摻加比例為膠凝材料/(土樣+膠凝材料),具體見表4,土流動(dòng)度控制在(170±10)mm。

表4 膠凝材料摻加比例

1.3 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

依據(jù)JGJ/T 233—2011《水泥土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》附錄B.2的相關(guān)試驗(yàn)方法進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)和結(jié)果計(jì)算。

2 結(jié)果與分析

2.1 抗壓強(qiáng)度結(jié)果

分別測(cè)試試塊7 d、14 d、28 d抗壓強(qiáng)度結(jié)果,具體見表5、圖1。

表5 試件抗壓強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果

依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以看出:1)隨著固化劑的摻量增加,素填土、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土抗壓強(qiáng)度均增加;2)素填土與粉質(zhì)黏土在固化劑摻量10%、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土在固化劑摻量12%即可達(dá)到設(shè)計(jì)要求的0.8 MPa;3)素填土、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土在固化劑摻量14%時(shí)的試件抗壓強(qiáng)度均高于摻加水泥15%的試件抗壓強(qiáng)度;4)摻加水泥和固化劑的試件,隨著齡期的增長(zhǎng),抗壓強(qiáng)度均增長(zhǎng)。

2.2 成本分析

每噸土所需固化膠凝材料摻加量與價(jià)格成本見表6。

表6 膠凝材料摻加量與對(duì)應(yīng)成本

按照設(shè)計(jì)要求,水泥土28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度需大于0.8 MPa。根據(jù)已滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ),按鹽城區(qū)域固化劑原材料購(gòu)入成本價(jià)和水泥交易價(jià)格計(jì)算,即使按照固化劑最大摻量14%,每方土最終經(jīng)濟(jì)成本仍可以降低約11.7%,因此采用固化劑替換部分水泥進(jìn)行土體固化經(jīng)濟(jì)效益顯著。

3 結(jié) 論

通過(guò)控制不同影響因素,開展了水泥土配合比試驗(yàn),研究了阜寧縣棚戶區(qū)改造(湖畔景苑)EPC工程總承包項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)土樣配制的水泥土的力學(xué)特性,并對(duì)比純水泥進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性分析。

a.在相同養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi),隨著水泥或固化劑摻入比的增大,水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均提高。

b.摻加水泥和固化劑的試件,隨著齡期的增長(zhǎng),抗壓強(qiáng)度均增長(zhǎng)。

c.摻加固化劑的水泥土抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求,且摻加量少于水泥摻加量。

d.采用固化劑替換部分水泥進(jìn)行土體固化經(jīng)濟(jì)效益顯著。