水泥土在水閘基坑管涌破壞中的應(yīng)用

劉 剛 ，夏慶云 ，吳文華 ，金愛妹

（1.浙江廣川工程咨詢有限公司，浙江 杭州 310020；2.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020）

1 問(wèn)題的提出

水泥土是把一定數(shù)量的硅酸鹽水泥、土或骨料，加水拌合后形成的一種地基材料。水泥土目前廣泛應(yīng)用于地基處理、路基改良、渠道防滲、基坑圍護(hù)、軟土加固等。目前對(duì)水泥土性能及其在工程中的應(yīng)用研究比較廣泛。殷仕穎對(duì)過(guò)去學(xué)者關(guān)于水泥土強(qiáng)度的影響因素及其作用機(jī)理的研究?jī)?nèi)容進(jìn)行部分總結(jié)，提出水泥土強(qiáng)度的不同環(huán)境因素的影響規(guī)律，對(duì)增強(qiáng)水泥土強(qiáng)度具有指導(dǎo)意義[1]。芮凱軍等選取3種土樣，按不同的水泥摻入比，研究不同土質(zhì)水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和滲透系數(shù)的差異[2]。徐海波等通過(guò)分析和歸納近年來(lái)水泥土研究成果，總結(jié)水泥土的滲透和強(qiáng)度特性，提出水泥摻入比是影響水泥土滲透和強(qiáng)度的主要因素，滲透系數(shù)隨摻入比或齡期的增加而減小，并趨于一定值[3]。龔曉南等對(duì)水泥土復(fù)合地基和上部結(jié)構(gòu)共同作用分析，復(fù)合地基優(yōu)化設(shè)計(jì)和按沉降控制設(shè)計(jì)，復(fù)合地基工程應(yīng)用及實(shí)例進(jìn)行研究[4]。

本文以浙江省某水閘工程為例，對(duì)水泥土在水閘基坑管涌破壞中的應(yīng)用措施及處理效果進(jìn)行分析論證。

2 水泥土的特性

2.1 水泥土的材料

除有機(jī)土、高塑性的黏土和反應(yīng)不良的砂質(zhì)土外，幾乎一切種類的土都可用作水泥土。最好采用粒狀土，因其比細(xì)粒土更易于弄碎和拌和，需用的水泥量也最少。就黏土來(lái)說(shuō)，細(xì)粒土一般需要較多的水泥來(lái)滿足硬化，通常也較難弄碎進(jìn)行適當(dāng)?shù)陌韬?。水泥土的材料有水泥、外加劑、水等?/p>

（1）水泥。水泥土對(duì)水泥的需要量取決于土的種類和性能。水泥的用量以干重的百分率表示，4.0% ～ 20.0%不等。一般土中的粘性部分越大，對(duì)水泥的需要量也越大。

（2）外加劑。水泥土常用的外加劑主要有三乙醇胺、硫酸鹽、粉煤灰、納米硅、纖維和水玻璃等，不同種類的外加劑水泥土的力學(xué)性質(zhì)有所不同。

（3）水。水泥土的含水率通常為烘干水泥土重量的10.0% ～ 13.0%。飲用水或其他比較干凈的水，酸、堿或有機(jī)質(zhì)的含量未達(dá)到有害程度的水均可使用。氯化物有利于水泥土的早期強(qiáng)度。

2.2 水泥土的強(qiáng)度特性

水泥土強(qiáng)度增加的主要原因是產(chǎn)生的水化物充填土顆粒之間的孔隙，增加顆粒之間的粘結(jié)力；同時(shí)膠體材料粘在土體顆粒表面，增大顆粒的接觸面積，使凝聚分量增大。因此，水泥土內(nèi)摩擦角和粘聚力相對(duì)于土體材料增大。

水泥土的強(qiáng)度指標(biāo)，以水泥土試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度f(wàn)cu來(lái)表征。影響水泥土強(qiáng)度的因素很多，主要有水泥摻入量、齡期、水泥的標(biāo)號(hào)、礦物成分、細(xì)度、土體的含水率、有機(jī)質(zhì)含量、圍壓、溫度及外加劑等[5]。

無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥摻入比關(guān)系曲線見圖1。水泥土的抗壓強(qiáng)度隨水泥摻入比的增加而增大，如不摻入外加劑的試樣，齡期同為28 d，在水泥摻入比分別為7.0%、12.0%和16.8%時(shí)，水泥土強(qiáng)度比為1∶1.99∶4.27；當(dāng)水泥摻入比為7.0% ～ 12.0%時(shí)，水泥土90 d齡期抗壓強(qiáng)度幾乎隨水泥摻入比的增加而呈正比增長(zhǎng)；當(dāng)水泥摻入比為12.0% ～16.8%時(shí)，抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)比例則明顯高于水泥摻入比的增加比例，水泥摻入比較高時(shí)，其強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度也較大。

圖1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥摻入比關(guān)系曲線圖

對(duì)水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥摻入比的關(guān)系曲線，按二次拋物線進(jìn)行回歸分析，即

式中：fcu為無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，MPa；αw為水泥滲入比，%；A，B，C為回歸系數(shù)。

擬合結(jié)果表明：不管齡期多長(zhǎng)及是否添加外加劑，各曲線擬合相關(guān)系數(shù)均在0.982以上，說(shuō)明二次拋物線方程表達(dá)水泥無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥摻入比之間的關(guān)系是合適的。

2.3 水泥土的滲透特性

水泥與土中水發(fā)生水解反應(yīng)，生成氫氧化鈣、含水硅酸鈣、含水鋁酸鈣、含水鐵酸鈣和水化硫鋁酸鈣等細(xì)顆粒膠體物質(zhì)，部分顆粒填充于土體顆粒間，減小顆粒間的孔隙，甚至阻斷連通的孔隙通道，使水泥土滲透系數(shù)減小。

水泥土的滲透系數(shù)與水泥摻入比有明顯關(guān)系，在滿足滲透性要求的情況下，10.0%左右的水泥摻入比是最經(jīng)濟(jì)的，繼續(xù)提高水泥摻入比并不能有效地減小水泥土的滲透系數(shù)。

在黏性土中將粉煤灰、石灰與水泥一起摻入形成水泥二灰土可有效減小水泥土的滲透系數(shù)，達(dá)到減料增效節(jié)約的目的；在粉土中將粉煤灰與水泥一起摻入可有效減小水泥土的滲透系數(shù)[6-8]。

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

浙江省某涵閘建筑物等級(jí)為3級(jí)，設(shè)計(jì)流量21.4 m3/s。尺寸為3.00 m×4.20 m（凈寬×凈高）。地基由表層向下依次為：Ⅱ2粉質(zhì)黏土厚約0.70 m，中壓縮性，屬中等透水性，易沖刷破壞；Ⅱ3粉土厚約1.00 m，滲透系數(shù)較大，易產(chǎn)生滲透破壞；Ⅲ砂礫石地基厚約5.30 m，強(qiáng)度較高，厚度大，分布穩(wěn)定，屬中等 ～ 強(qiáng)透水性。土體物理參數(shù)見表1。

表1 土體物理參數(shù)表

外河側(cè)常水位47.00 m，基坑設(shè)計(jì)底高程44.70 m。施工單位采用黏性土（黃土）圍堰進(jìn)行施工截流，未對(duì)圍堰基礎(chǔ)采取豎向防滲措施，導(dǎo)致基坑側(cè)發(fā)生管涌破壞，基坑大量進(jìn)水，施工無(wú)法進(jìn)行（見圖2）。

圖2 水閘基坑管涌剖面圖

大范圍管涌發(fā)生后，參建單位對(duì)事故原因進(jìn)行分析。主要原因是基坑內(nèi)外側(cè)水位差達(dá)到3.10 m，地基土層以砂卵石為主，滲透坡降較大，砂卵石土層顆粒級(jí)配差，導(dǎo)致細(xì)顆粒從粗顆?？p隙中被滲水帶出，發(fā)生管涌。由于發(fā)生管涌破壞，基坑地基承載力下降嚴(yán)重，施工人員很容易陷入地基 0.40 ～ 0.50 m。

3.2 處理措施

本項(xiàng)目工期緊，大范圍管涌發(fā)生后，亟需解決干地施工和提高地基承載力的問(wèn)題。而外河側(cè)常水位由于功能需要，長(zhǎng)期維持在47.00 m，無(wú)法降低外河側(cè)水位再施工，需要考慮其他方案。

綜合考慮降低措施成本、處理效果等，本次采取的工程措施為：①水平防滲措施：水閘基礎(chǔ)采用水泥土置換壓實(shí)（黃土+20.0%水泥+速凝劑），換填深度不小于1.70 m。②垂直防滲措施：水閘齒槽位置水泥土向下延伸1.50 m，延長(zhǎng)滲徑（見圖3）。

圖3 水閘基坑地基處理剖面圖

3.3 施工過(guò)程

施工過(guò)程：①岸上制備水泥土：黃土+20.0%C30水泥+速凝劑，拌和均勻。②圍堰基坑側(cè)坡腳設(shè)置1.00 m厚土袋壓重。③水下開挖換填區(qū)域土方。④將水泥土迅速填入開挖坑，回填壓實(shí)。⑤待地基承載力滿足要求后澆筑基礎(chǔ)，在基礎(chǔ)原管涌位置預(yù)留φ5PVC埋管，以便后期必要時(shí)對(duì)地基進(jìn)行灌漿處理。

圖4 水閘基坑水泥土處理后效果圖

3.4 處理效果

水閘地基通過(guò)水泥土處理約7 d后，取得明顯的防滲和提高地基承載力的效果。水泥土處理后地基管涌數(shù)量明顯減少，7 d后水閘地基由原先10多處管涌減少至3處，且管涌滲流量明顯減??；7 d后的地基承載力已由80 kPa提高至600 kPa，地基承載力明顯提高，滿足閘基設(shè)計(jì)承載力120 kPa。同時(shí)在基坑一側(cè)設(shè)排水溝，通過(guò)水泵排除基坑滲水。水閘基坑水泥土處理效果見圖4。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)成果[9]，不同齡期水泥土抗壓強(qiáng)度隨水泥摻量的變化見圖5 ～ 7。水泥含量20.0%的水泥土，7 d齡期抗壓強(qiáng)度達(dá)到1.2 MPa左右；隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，水泥土的強(qiáng)度不斷增加；28 d齡期水泥土抗壓強(qiáng)度達(dá)到2.2 MPa左右，其28 d強(qiáng)度比7 d強(qiáng)度增長(zhǎng)了83.3%；90 d齡期水泥土抗壓強(qiáng)度達(dá)到3.2 MPa左右，其90 d強(qiáng)度比28 d強(qiáng)度增長(zhǎng)了45.5%。本工程水泥土7 d齡期抗壓強(qiáng)度達(dá)到600 kPa，明顯小于實(shí)驗(yàn)室抗壓強(qiáng)度值1.2 MPa，分析其原因，主要由于本工程地基土質(zhì)與文獻(xiàn)[9]中試驗(yàn)的土質(zhì)條件不同，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)施工條件不如室內(nèi)條件，土體水泥摻合的均勻程度以及養(yǎng)護(hù)條件等均可能影響土體的強(qiáng)度增長(zhǎng)。

圖5 7 d齡期水泥土抗壓強(qiáng)度隨水泥摻量的變化圖

圖6 28 d齡期水泥土抗壓強(qiáng)度隨水泥摻量的變化圖

圖7 90 d齡期水泥土抗壓強(qiáng)度隨水泥摻量的變化圖

經(jīng)水泥土處理后，水閘地基局部仍有少量管涌。經(jīng)分析，主要是由于土層不均勻形成。7 d后基礎(chǔ)管涌保持在置換初期產(chǎn)生的管涌數(shù)量，后期沒(méi)有新的管涌產(chǎn)生。由于7 d后水泥土比較堅(jiān)實(shí)，可以針對(duì)仍存在的管涌進(jìn)行水泥封堵處理，并在澆筑閘底板過(guò)程中在管涌位置預(yù)埋φ5PVC管及地基沉降監(jiān)測(cè)設(shè)備，在必要時(shí)進(jìn)行基礎(chǔ)灌漿。

經(jīng)后期觀測(cè)，水閘安全穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié) 語(yǔ)

（1）水泥土置換可有效的減小地基滲透性，提高土體的抗?jié)B性能。水泥與土中水發(fā)生水解反應(yīng)生成細(xì)顆粒膠體物質(zhì)，填充顆粒間的孔隙，加強(qiáng)土顆粒之間的聯(lián)系，甚至阻斷連通的孔隙通道，本次采用水泥土處理管涌地基，以較小的代價(jià)取得良好的效果。

（2）水泥土置換還可以有效提高地基承載力，其強(qiáng)度受水泥用量、齡期、外加劑等因素的影響較大，當(dāng)水泥摻量達(dá)到20.0%時(shí)，采用水泥土進(jìn)行軟弱地基處理可取得比較理想的強(qiáng)度提升效果。

（3）本工程水閘基坑屬于低水頭滲透破壞，水泥土置換取得良好效果，可為類似工程提供參考。但對(duì)于高水頭的大型基坑滲透破壞，采用垂直截滲措施安全性更能夠保證。