流态固化开挖砂质土回填基坑侧壁的应用研究_林泓民.pdf

第 37 卷第 1 期粉 煤 灰 综 合 利 用Vol37No12023 年2 月FLY ASH COMPEHENSIVE UTILIZATIONFeb.2023岩土力学流态固化开挖砂质土回填基坑侧壁的应用研究*Study on the Application of Flow Solidification Backfill of Excavation Sandy Soil to the Side Wall of Foundation Pit林泓民1，2，曹天赐1，3，彭劼1，4(1.河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，江苏 南京 210098;2.上海市隧道工程轨道交通设计研究院，上海 200235;3.明阳智慧能源集团股份有限公司，广东 中山 528437;4.河海大学 江苏省岩土工程技术工程研究中心，江苏 南京 210098)*基金项目:江苏省交通运输厅科技成果转化项目(2021QD07)。作者简介:林泓民(1998)，男，硕士研究生，研究方向:主要从事固化方向的研究。通信作者:彭劼(1971)，男，博士，教授，研究方向:主要从事软土地基固化方面的研究。收稿日期:20220210摘要:随着我国道路建设的发展，如何处理废弃开挖砂质土成为亟需解决的问题，将砂质土流动化后回填便是解决方法之一。通过室内试验研究了水灰比、灰土比对流态固化土的流动度以及无侧限抗压强度的影响，并结合现场试验确定水灰比和灰土比的最优配比。结果表明:流态固化土的流动度随水灰比增加而增加，随灰土比的增加而减小，其中灰土比对流动度的影响较大;强度随水灰比增加而减小，随灰土比增大而增大，其中灰土比对强度的影响较大;现场实测强度相对室内强度较低，灰土比 0.16、水灰比 2 1 为最佳质量配比，满足流动度介于 200250 mm 和回填土强度大于 0.5 MPa 的要求。关键词:资源化利用;砂质土;回填;流动度;无侧限抗压强度;极差分析;方差分析;最优方案中图分类号:TU751文献标志码:A文章编号:10058249(2023)01001406DOI:1019860/jcnkiissn10058249202301003LIN Hongmin1，2，CAO Tianci1，3，PENG Jie1，4(1.Key Laboratory of Ministry of Education for Geomechanics and Embankment Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China;2.Shanghai Tunnel Engineering ail Transit Design and esearch Institute，Shanghai 200235，China;3.Mingyang Wisdom Energy Group Co.，Ltd.，Zhongshan 528437，China;4.Jiangsu esearch Center for Geotechnical Engineering Technology，Hohai University，Nanjing 210098，China)Abstract:With the development of road construction in China，how to deal with abandoned excavated sandy soil has become an urgentproblem to be solved.One of the solutions is to flow sandy soil and then backfill it.The effects of watercement ratio and cementsoilratio on fluidity and unconfined compressive strength of fluid solid soil were studied，and the optimal ratio of watercement ratio andcementsoil ratio was determined by field tests.The fluidity and strength of fluidcured soil at different proportions were studied bylaboratory tests.The results show that the fluidity of fluidcured soil increases with the increase of watercement ratio，and decreaseswith the increase of cementsoil ratio，among which the cementsoil ratio has a greater effect on the fluidity.The strength decreases with1 期林泓民等:流态固化开挖砂质土回填基坑侧壁的应用研究15岩土力学the increase of watercement ratio and increases with the increase of cementsoil ratio，among which the cementsoil ratio has a greatereffect on the strength.When the cementsoil ratio is 0.16 and the watercement ratio is 2 1，the optimal mass ratio meets therequirements that the fluidity is between 200 mm and 250 mm and the backfill strength is greater than 0.5 MPa.Keywords:resource utilization;sandy soil;backfill;mobility;unconfined compressive strength;range analysis;analysis ofvariance;optimal scheme0引言在道路建设过程中，往往会涉及较多的隧道、管廊等开挖工程。在东南沿海地区，开挖土通常力学性能较差、含水率较高，难以直接进行利用。大部分道路工程中的开挖土被废弃，不可避免地占用一定的土地资源，甚至对抛泥区域产生污染。在我国近年来大力提倡绿色、环保、节能发展的背景下，将道路工程中的开挖土进行资源化利用，成为亟需解决的工程和社会问题。开挖土资源化利用的重点是降低含水率和提高强度。外掺固化剂法是合适的资源化利用和处理方法，在实际工程中，使用较多的固化剂仍是无机类的水泥、石灰、粉煤灰1。近年来，将固化剂和高含水率开挖土混合形成的流态固化土逐渐得到应用。由于含水率较高，固化剂和开挖土混合后具有较高的流动性，因此称之为流态固化土，或可控低强度材料(Controlled Low StrengthMaterials，CLSM)，或流动化土2。这是基于传统固化方法的处理方法，其流动性较高，可以自密实的特点，可替代传统的施工工艺。目前已有一些对流态固化土的应用研究，如赵明等3 对比了用水量、浆体量对混凝土流动性的调节规律，结合流变学，认为砂浆流动度与混凝土坍落度关联紧密;王建平4 应用流态水泥土技术对桥涵台背进行回填施工，达到了桥头路面平整的预期目的;赵晓东5 通过对流态水泥土的现场测试，表明其在工程中具有取材方便、强度可调节、高流动性以及免压实性等优点。可以直接利用流态固化土对桥涵台背处路基进行填筑，免去以往填土的压实工序，降低工程造价。除了使用水泥改良外，也有学者尝试添加其他外掺剂进行土体改良。胡冉6 选用不同种类、不同含量的石膏，通过正交试验得出了复合水泥基自流平砂浆流动度、强度等性能，并分析了其微观机理，但目前有关砂性开挖土的流态固化应用尚不充分。本文以南京横江大道工程为背景，结合现场开挖土的工程特性，通过室内试验确定了流态固化方案，并在现场试验中应用于基槽回填，研究了流态固化处理、利用管廊开挖土的方法及效果，对该方法的进一步推广具有重要的指导意义和参考价值。1开挖土特性及处理方法的室内试验1.1试验材料及流态固化方案南京横江大道为城市快速路，位于南京市江北新区。项目沿线约 7 km 的管廊及隧道开挖量达135 万 m3，且弃土距离将达到 30 km 以上，传统弃土的做法造价较高，且江北新区具有较高的环保要求，开展废弃土的处理及资源化利用研究具有紧迫性。试验用开挖土取自于南京横江大道，其基础物理力学性质见表 1，其粒径分布如图 1 所示。表 1土样基本物理力学性质指标Table 1Basic physical and mechanical properties of soil samples颗粒分析/%砂粒含量粉粒含量黏粒含量密度/(g/cm3)干密度/(g/cm3)含水率/%孔隙比84.112.43.51.951.5228.00.815图 1土样粒径分布图Fig.1Particle size distribution of soil sample根据 JTG E402007 公路土工试验规程中对土工程分类的规定，初步判定试验土为粉土质细砂。由于该土含泥量较高(15.9%)，胶结性状差，难以直接作为填筑材料，也无法作为细骨料使用。考虑到横江大道沿线管廊及隧道回填量较16粉煤灰综合利用37 卷岩土力学大，拟将该开挖土处理后回填基槽。处理后需要满足的具体要求如下:(1)7 d 设计抗压强度 0.5 MPa;(2)流动度控制在 200250 mm。开挖土初始含水率为 28%，为了达到上述处理目标，PO 325 水泥掺量与干土的质量比分别为 12%、14%、16%、18%、20%;除了土中的初始含水外，试验中另外添加了水泥质量的 1、2、3倍水，水灰比为 1 1、2 1、3 1。如图 2(a)所示，将土、水泥、水混合后放入杯中，土中水析明显，水的析出不利于连续施工和处理，因此需要适当添加保水剂以防止该现象的发生7。试验采用了 10 万黏度的纤维素醚，掺入量为干土质量的 0.1%、0.2%，共 30 组 试 验。掺 入 后 如图 2(b)所示，各种材料混合后无离析现象。(a)无保水剂(b)有保水剂图 2表面水离析现象Fig.2Surface water segregation1.2室内试验1.2.1流动度测试按照配置方案(表 2)将原状土和各种材料混合搅拌，搅拌后进行流动度测试。采用美国、日本的平板圆筒法8，即将直径和高度为 8 cm 的圆筒装满流态固化土，向上提起圆筒后测量坍塌体在平板上形成的最大直径与最小直径的平均值，该平均值即为流态固化土的流动度。1.2.2无侧限抗压强度试验将原状土和各种材料混合，搅拌后 1 h 内制成直径 50 mm、高度 100 mm 的圆柱试件，放入恒温恒湿箱养护，养护温度(20 3)，相对湿度大于 95%，养护 7 d 后进行无侧限抗压试验，每组试验均有 3 个平行样。采用南京泰克奥无侧限抗压仪进行测试，荷载精度为0.5%，加载板的速度为1.5 mmmin。2试验结果及分析2.1流态固化土的流动度试验结果表 2 为流态固化室内试验配比方案与结果。由表 2 可以看出，保水剂掺量对流动度影响很小，故以保水剂掺量为 0.1%的数据为例，来比较水灰比、灰土比对流动度的影响。表 2流态固化室内试验配合比方案及试验结果Table 2Test results of mix proportion scheme forlaboratory test of fluid curing编号原状干土 水泥 水/g保水剂/%流动度/mm7 d 无侧限抗压强度/kPa灰土比水灰比12100 12 400.12523090.121 10.22552940.121 134100 12 520.12911320.122 10.22941410.122 156100 12 640.1316720.123 10.2318700.123 178100 14 420.12415390.141 10.22435470.141 1910100 14 560.12782720.142 10.22812850.142 11112100 14 700.12941010.143 10.2296980.143 11314100 16 440.12287130.161 10.22317050.161 11516100 16 600.12644130.162 10.22664300.162 11718100 16 760.12811150.163 10.22831200.163 11920100 18 460.12138190.181 10.22158320.181 12122100 18 640.12494640.182 10.22524980.182 12324100 18 820.12721510.183 10.22751480.183 12526100 20 480.11859940.201 10.218710210.201 12728100 20 680.12255330.202 10.22285300.202 12930100 20 880.12522370.203 10.22542400.203 1注:灰土比为水泥与原状干土的比值;水灰比为除去土中的初始含水外，水与水泥的比值。1 期林泓民等:流态固化开挖砂质土回填基坑侧壁的应用研究17岩土力学如图 3(a)所示，灰土比在 0.120.20 之间时，随着灰土比的增加流动度逐渐减小，这是由于水泥与水混合之后会迅速发生水化反应，消耗了其中一部分水，所以流动度有所降低;如图 3(b)所示，线性拟合后相关系数均大于 0.96，拟合效果良好。当水灰比为 1 1、2 1 与 3 1 时，随着水灰比的增加流动度值逐渐增大，这是因为流态固化土的流动性源自于水910，故而水灰比越高，则其流动度越大。(a)水灰比(b)灰土比图 3流态固化土水灰比、灰土比与流动度的关系Fig.3elationship between watercement ratio，limesoilratio and fluidity of fluid solidified soil2.2流态固化土的无侧限抗压强度按照要求，回填土的 7 d 抗压强度应大于等于0.5 MPa，且保水剂掺量对无侧限抗压强度的影响也较小。发现水灰比及灰土比和无侧限抗压强度值均存在线性关系，如图 4 所示。由表 2 可知，7 d 无侧限抗压强度最高可达1021 kPa，仅从强度要求来看，第 7、8、13、14、25、26、27、28 组的 7 d 无侧限抗压强度能达到试验要求。同流动度一样，7 d 无侧限抗压强度也受到水灰比和灰土比的共同影响:当灰土比保持不变时，流态固化土的 7 d 无侧限抗压强度会随着水灰比增大而减小，这是因为过高的水灰比会导致多余的水分滞留于流态固化土内部，使其内部产生孔隙，随后削弱 7 d 无侧限抗压强度;当水灰比保持不变时，流态固化土的 7 d 无侧限抗压强度会随着灰土比的增大而增大，具体原因是水泥与水反应生成的钙矾石(3CaOAl2O33CaSO432 H2O)是水泥水化反应的主要产物，其对于 7 d 无侧限抗压强度的贡献很大。因此，在水分充足的前提下，灰土比逐渐增大时，将会产生更多的钙矾石，7 d 无侧限抗压强度也会随之增大。(a)水灰比(b)灰土比图 4水灰比、灰土比与 7 d 无侧限抗压强度关系Fig.4elationship between water cement ratio，lime soil ratio and7 d unconfined compressive strength18粉煤灰综合利用37 卷岩土力学2.3显著性因素影响分析由极差分析可知，对于无侧限抗压强度而言，水灰比的极差值远大于灰土比的极差值，说明水灰比对无侧限抗压强度影响显著;而对于流动度而言，两者的极差值大致相近，说明两者对流动度的影响差别不大1112，结果见表 3。表 3流动度和无侧限抗压强度极差分析Table 3ange analysis of mobility and unconfinedcompressive strength极差无侧限抗压强度/kPa流动度/mm水灰比灰土比水灰比灰土比K1674.800171.000223.800286.333K2762.800304.000261.400271.000K3835.200413.667283.000253.667K4478.000244.667K5588.000220.667方差分析就是采用数理统计的方法，对所得结果进行分析，以判断各种因素对研究对象某些特性值的影响大小。自由度、方差构造 F 越大，因素影响越明显，即可判断影响因素作用是否显著13，结果见表 4。表 4流动度和无侧限抗压强度方差分析Table 4Analysis of variance of mobility and unconfinedcompressive strength影响来源流动度/mm无侧限抗压强度/kPa离差平方和 SF离差平方和 SF水灰比8 974.933400.0597 338 56.53333.648灰土比7 574.267168.8123 085 82.2677.074由 表4可 知，F水灰比流动度=400.059 F灰土比流动度=168.812，水灰比对流动度的影响较灰土比显著。所以，在工程应用中，如果流态土的流动度不达标，在保证强度满足的条件下，可以增加水的用量。由 F水灰比强度=33.648F灰土比强度=7.074 可知，水灰比对强度的影响较灰土比显著。在本项目中，水泥最大掺量为 20%，而水灰比为 1 1、2 1、3 1时，所以水灰比是强度的主要影响因素，这与张凯东、刘萌等学者的研究结论一致1415。在工程应用中，如果流态固化土的强度不达标，在保证流动度满足的条件下，可以减少水的用量。2.4流态固化现场试验研究试验研究区域为南京市江北新区横江大道(西江互通连接线城南河路至 S356 段)，项目范围内分布隧道、管廊，开挖土方较大，开挖土大部分为粉土质细砂，将开挖土进行流态固化后用于回填。流态固化试验段施工起点为综合管廊 JD29(GL5+480GL5+510)，拉森钢板桩与综合管廊主体结构侧墙之间的沟槽回填，长度为 30 m，回填厚度为0.2 m。流态固化试验段平面图和剖面图如图 5 所示。(a)平面图(b)11 剖面图图 5流态固化试验示意图Fig.5Schematic diagram of fluidic solidification test表 5 为室内和现场测得 7 d 无侧限抗压强度。由表 5 可以看出，为满足流动度 200250 mm、7 d无侧限抗压强度设计值0.5 MPa 的要求，建议采1 期林泓民等:流态固化开挖砂质土回填基坑侧壁的应用研究19岩土力学用 0.16 的灰土比、水灰比 2 1、外加剂(保水剂)0.1%的方案。该方案的现场强度为0.5 MPa，符合现场工况实际需求。表 57 d 无侧限抗压强度Table 5Field 7 d unconfined compressive strength序号水泥掺量/%水灰比7 d 无侧限抗压强度/MPa室内测试现场实测12142 10.2720.423 10.1010.3134162 10.4130.553 10.1150.4356182 10.4640.663 10.1510.513结论以南京横江大道工程为背景研究一种以原状粉土质细砂为原料、以水泥为胶凝材料的流态固化土回填基坑侧壁，测试了水灰比和灰土比对于其流动度、7 d 无侧限抗压强度的影响，得出了以下结论:(1)当灰土比保持一致时，流态固化土的流动度随着水灰比的增大而增大;当水灰比保持一致时，流动化土的流动度随着灰土比的增大而减小。通过极差和方差分析，对于粉土质细砂而言，水灰比对流动度影响较大。(2)当灰土比保持不变时，流态固化土的 7 d无侧限抗压强度随着水灰比的增大而减小;当水灰比保持不变时，7 d 强度随着灰土比的增大而增大。通过极差和方差分析可知，水灰比对 7 d 无侧限抗压强度的影响要大于灰土比。(3)在流动度、无侧限抗压强度满足现场工程要求的前提下，本项目流态固化土的最佳质量配比为灰土比 0.16、水灰比 2 1，同时适用于操作空间狭窄的管沟回填工程且满足管沟回填的强度要求。参考文献 1 樊恒辉，高建恩，吴普特，等.水泥基土壤固化剂固化土的物 理 化 学 作 用 J.岩 土 力 学，2010，31(12):37413745.2 汪伟，张同生，陈灿峰，等.可控低强度材料(CLSM)性能评价方法分析 J/OL.硅酸盐通报:112 20211104.3 赵明，李仰根，张晓乐.混凝土流动性调控关键参数研究 J.粉煤灰综合利用，2015(5):1114.4 王建平.水泥土在台背回填工程中的应用 J.内蒙古公路与运输，2011(1):911.5 赵晓冬.流态水泥土工程设计研究 J.道路工程，2011(17):9395.6 胡冉.复合水泥基自流平砂浆性能研究 D.上海:上海交通大学，2017.7 曹政，谢海峰，钟世云.纤维素醚掺量对石膏砂浆性能的影响 J.粉煤灰综合利用，2014，27(6):3335+39.8 LEE J，L T.Method to rapidly assess the index properties offinegraineddredgedmaterials J GeotechnicalTestingJournal，2004，27(5):464468 9 林泓民，白兰兰，彭劼，等.含泥量对砂质土流态固化处理效果的影响研究 J.河北工程大学学报(自然科学版)，2022，39(3):3035.10 朱伟，赵笛，范惜辉，等.渣土改良为流动化回填土的应用 J.河海大学学报(自然科学版)，2021，49(2):134139.11 曹天赐.PAM 改善水泥固化土力学特性及机理研究 D.南京:河海大学，2021.12 李乾毓.不同分子量 PAM 对水泥固化土工程性质的影响及作用机理研究 D.南京:河海大学，2021.13 黄星辰，梁星敏，于新，王敏，管运文.基于多因素方差分析的半柔性路面混合料劈裂强度研究 J.河南科学，2022，40(11):17431752.14 张凯东.流动化渣土回填基坑侧壁的应用研究 D.镇江:江苏科技大学，2021.15 刘萌.建筑渣土制备可控低强材料及性能研究 D.北京:北京建筑大学，2016.