覆蓋型巖溶地區(qū)成槽施工中填充材料的摻配優(yōu)化研究

羅 柱

（廣東建科源勝工程檢測有限公司 廣東東莞523710）

0 引言

⑴研究的背景和意義

巖溶現(xiàn)象的定義一直備受學(xué)術(shù)界的討論，隨著學(xué)者們的探索歸納，對巖溶的定義逐漸統(tǒng)一［1］：主要受地下水和地表水的影響，可溶性巖石受到破壞和改造的過程都統(tǒng)稱為巖溶作用；學(xué)術(shù)界普遍把該現(xiàn)象分為化學(xué)侵蝕作用過程和外力作用過程，通過兩種外力的綜合作用，日積月累的就形成了地下形態(tài)、地表形態(tài)或者兩者相結(jié)合的形態(tài)，此類形態(tài)均被稱作巖溶地貌，也被稱作卡斯特地貌。根據(jù)巖溶現(xiàn)象發(fā)生的位置和外露于地表的形狀，把該現(xiàn)象分為地表和地下兩種巖溶形態(tài)，且兩者之間有著密切的關(guān)聯(lián)，互相作用，很多地表形態(tài)都是巖溶地塊內(nèi)部作用的結(jié)果。

北江航道擴能升級項目建設(shè)中，白石窯樞紐船閘工程地處巖溶發(fā)育高度集中地區(qū)，地質(zhì)勘探結(jié)果顯示地基情況復(fù)雜，為順利、有效地完成地下連續(xù)墻圍堰施工，根據(jù)施工圖專家評審意見，對臨時工程地連墻施工增加溶洞處理措施?；谠摴こ淘谌芏刺畛涮幚淼氖┕すに囈?，結(jié)合現(xiàn)場地基勘探結(jié)果，對填充材料摻配進(jìn)行優(yōu)化處理，確保地下連續(xù)墻成孔效率性和工程施工的安全性，對于進(jìn)一步提高施工過程中的經(jīng)濟(jì)效益具有很好的現(xiàn)實意義。

⑵研究的現(xiàn)狀

通過收集相關(guān)文獻(xiàn)可知，在溶洞處理的施工工藝上，采用最普遍的方法是先進(jìn)行溶洞的地質(zhì)勘探，了解溶洞的發(fā)育情況，然后進(jìn)行填充處理后再成槽灌注。

石振明等人［2］提出在吉安永和大橋樁基部位施工中，針對地基基礎(chǔ)巖溶大面積發(fā)育的情況，使用了片石、黃泥回填混合料進(jìn)行溶洞內(nèi)部的處理。

林開明［3］提出在雪峰大橋施工時，針對工程樁基礎(chǔ)所處地區(qū)石灰?guī)r溶蝕大面積發(fā)育，巖溶情況非常惡劣，工藝上采用了塊石加黏土回填、灌注素混凝土等填充材料進(jìn)行溶洞處理。

鐘黨磊［4］在廣州市軌道交通五號線高架區(qū)間沖孔灌注樁基礎(chǔ)成孔施工中提出，應(yīng)對高架區(qū)間地基處于裂斷帶和溶洞等不良地段，采取了軟塑粉質(zhì)黏土和粉細(xì)砂進(jìn)行填充處理。

李自峰［5］提出在北鄉(xiāng)特大橋樁基礎(chǔ)施工時，樁基礎(chǔ)位處巖溶發(fā)育地區(qū)，勘探顯示溶洞大部分為串珠狀形態(tài)，現(xiàn)場采取了加壓灌注漿液法、導(dǎo)管灌注砂漿法、填充黏性土及碎石法。

綜合上述學(xué)者的研究成果，目前在溶洞處理工藝上，諸多的工程工藝采用的填充手段有：黏性土、片石、砂土、水泥漿、砂漿、素混凝土等，各種填充材料均是根據(jù)施工實際情況來進(jìn)行選用，且各種填充材料的使用效果和經(jīng)濟(jì)性也各有優(yōu)缺點。因此通過填充材料的材料級配、摻配優(yōu)化，進(jìn)一步改善填充工藝的效果和經(jīng)濟(jì)性是非常具有探索意義的。

⑶研究思路

北江航道擴能升級項目建設(shè)中，白石窯樞紐船閘工程在設(shè)計施工圖中提出，溶洞地貌在進(jìn)行處理時，需要先探明溶洞發(fā)育的分布情況和具體部位溶洞的深度、空間體積大小，分別采用不同的鉆孔注漿方案進(jìn)行處理。

①對于空間高度小于3 m 的溶洞（小型溶洞），先在溶洞外圍進(jìn)行鉆孔注入水玻璃和水泥混合漿液作為格擋面，然后在溶洞中間部位鉆孔注入水泥漿進(jìn)行填充；

②對于空間高度大于3 m 的各種類型溶洞（含特大溶洞），可采用套管注水泥砂漿或水泥漿。

施工過程中發(fā)現(xiàn)了諸多的工藝問題：

①該工程臨江而建，區(qū)域內(nèi)流動地下水豐富，在處理大型、超大型溶洞時，注入水泥漿和砂漿受地下水活動影響，溶洞填充效果不理想，成槽進(jìn)度緩慢，多次注漿后仍達(dá)不到理想的填充封堵效果。

②注入砂漿工藝中，需要消耗大量河砂，加大了施工成本。

③注入水泥漿的工藝需消耗大量的水泥原材，不利于有效控制施工成本。

因此，結(jié)合現(xiàn)場實際生產(chǎn)情況，為改善溶洞填充效果、提高施工經(jīng)濟(jì)效益、減少天然河砂的使用量，我們選用黏性土和水泥的混合材料進(jìn)行填充。當(dāng)處理大型、超大型溶洞時，在已成槽孔中投入塊石，然后在塊石的空隙間填充黏性土和水泥的混合材料。黏性土和水泥的摻配經(jīng)過優(yōu)化試驗對比，結(jié)合本工程實際生產(chǎn)需要，選擇最優(yōu)的摻配方案，為灌注樁有效成槽提供保障，也進(jìn)一步提高施工的經(jīng)濟(jì)性。

1 混合料試驗

1.1 原材選用

1.1.1 黏性土

混合材料中的黏性土采用項目所在地附近開挖的一種低液限黏土（CL），該黏性土具有較好密實性和防滲透性，且顆粒分布較好，比較適合用于縫隙和溶洞填充，土的性能如表1所示。

表1 粘性土性能Tab.1 Clay Property

1.1.2 水泥

表2 水泥的性能Tab.2 Properties of Cement

1.1.3 水

本次拌和用水采用飲用自來水，符合《水工混凝土水質(zhì)分析試驗規(guī)程：DL/T 5152—2017》的標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.2 混合料配合比設(shè)計

⑴ 參考《水泥土配合比設(shè)計規(guī)程：JGJ/T 233—2011》［6］，對本次混合料的配合比進(jìn)行設(shè)計，具體按照以下的步驟進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的確定：①取樣檢測黏性土的天然含水率和天然密度值；②取樣檢測黏性土風(fēng)干后的含水率；③確定水泥摻量；④根據(jù)工藝要求，確定水泥漿的水灰比；⑤根據(jù)以上參數(shù)，計算混合料中各種材料的用量；⑥進(jìn)行混合料的適配試驗；⑦最終確定水泥土的摻和比例。

⑵根據(jù)生產(chǎn)需要，水泥摻入比基準(zhǔn)值選擇水泥摻量為0%、6%、8%、10%進(jìn)行4組配比試驗，水泥漿水灰比選擇0.5，1#～4#試驗各適配材料用量如表3所示。

表3 每m3混合料摻配試驗用量Tab.3 Mixing Test Dosage per m3

1.3 無側(cè)限抗壓強度試驗

⑴本次試驗方法采用文獻(xiàn)［6］附錄B 中B.2 方法進(jìn)行，考慮施工工藝的要求，試驗齡期選擇養(yǎng)護(hù)天數(shù)為7 d［7］，在達(dá)到規(guī)定養(yǎng)護(hù)周期后，按照以下具體步驟進(jìn)行試驗：

①從養(yǎng)護(hù)室中取出試件，用毛巾擦干表面水分，將試塊放置于墊板中心位置，注意試件承壓面必須與成型一面垂直擺放。啟動試驗機后，需注意調(diào)節(jié)試驗機球座的位置，保證上壓板與受壓面完全接觸，均衡受力。

② 加載試驗過程中，需嚴(yán)格控制速率范圍在0.03～0.15 kN/s 之間，持續(xù)加載，直至破壞，記錄試驗的破壞荷載值。

首先，東博會的品牌發(fā)展還不是特別成熟。近十多年來，隨著南寧東博會的成功舉辦，南寧的會展業(yè)走上了一條高速發(fā)展的道路。但由于南寧經(jīng)濟(jì)底子薄，人才吸引力度薄弱，和其他省份相比，我們的會展業(yè)還不夠成熟。東博會相比周邊的廣交會等大型展覽會，實力相差較大，導(dǎo)致其吸引力不強，影響來參加展會的人員數(shù)量和質(zhì)量，在一定程度上也影響其會展旅游以及南寧的整體旅游。

③該試驗的無側(cè)限抗壓強度由破壞荷載和承壓面積計算得到：

式中：fcu為該水泥土達(dá)到規(guī)定齡期后試件抗壓強度（MPa）；P 為試件受壓破壞后的荷載值（N）；A 為試件受壓面的面積（mm2）。

⑵試驗結(jié)束后，通過式⑴分別計算1#～4#試驗中混合料抗壓強度，以試驗中摻加的水泥量百分比作為橫坐標(biāo)，對應(yīng)的混合材料計算出來的抗壓強度作為縱坐標(biāo)，在圖表中用曲線圖繪制出兩者的關(guān)系曲線，如圖1所示。

圖1 水泥摻量與無側(cè)限抗壓強度關(guān)系曲線Fig.1 Relation Curve between Cement Content and Unconfined Compressive Strength

1.4 滲透系數(shù)試驗

⑴混合料滲透系數(shù)采用文獻(xiàn)［6］附錄B 中B.5 滲透試驗進(jìn)行試驗，試驗齡期選擇養(yǎng)護(hù)7 d 試件進(jìn)行試驗［8］，試驗應(yīng)按下列步驟進(jìn)行：

①到齡期后，從養(yǎng)護(hù)室把試件取出，脫模后使用濕抹布對試件進(jìn)行擦拭，使試件表面無多余水分；使用密封材料在試件側(cè)面進(jìn)行全面涂抹，然后把試件安裝到試模中，按要求將試模裝入滲透儀，并把一干燥濾紙放置在試件上端面。

②按照試驗規(guī)范要求，調(diào)節(jié)壓力開關(guān)，進(jìn)行逐級加壓，當(dāng)加壓至最后一級壓力后，目測有水珠從水泥土試件表面滲出，記錄下有水滲出時的水壓值，在該水壓下，用量筒小心收集水泥土試件表面滲出的水量。

③使用滴定管讀取水泥土表面收集的滲水量，記錄此時水的溫度。

④在加壓試驗中，通過觀測試件滲水后的情況，確定試驗需要加壓的時間。

⑤當(dāng)試件加壓穩(wěn)定后，需不定時觀察濾紙部位，便于發(fā)現(xiàn)密封后的試件是否在其側(cè)面滲水，若發(fā)現(xiàn)有滲水出現(xiàn)，要及時停止試驗，把試件重新進(jìn)行密封處理，確保試驗的有效性。

⑥試驗結(jié)束后，通過以下計算公式，求得該組試件的滲透系數(shù)值：

式中：kT為本次試驗中水泥土試件在T℃水溫下的滲透系數(shù)（cm/s）；t 為試驗中收集滲出水量的時間間隔（s）；A 為計算受壓截面積，由試件中間部位截面計算可得（cm2）；h 為滲透試驗中水滲透的距離（cm）；V 為試驗中用量筒收集的滲出水量（mL）；i 為水力梯度；p為試驗中出現(xiàn)滲水時的水壓值（MPa）；γw為水的重度（N/cm3），一般取值為0.0098 N/cm3；k20為水的測量溫度在標(biāo)準(zhǔn)溫度時，水泥土對應(yīng)的滲透系數(shù)（cm/s）；ηT為溫度為T ℃時，水的黏滯系數(shù)，通過查表可得；η20為溫度為20℃時，水的黏滯系數(shù)，通過查表可得。

⑵根據(jù)式⑵～⑷分別計算1#～4#混合料的滲透系數(shù)，以水泥摻量為橫坐標(biāo)，對應(yīng)的混合料滲透系數(shù)為縱坐標(biāo)，繪制兩者關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 水泥摻量與滲透系數(shù)關(guān)系曲線Fig.2 The Relation Curve between Cement Content and Permeability Coefficient

1.5 小結(jié)

⑴通過對抗壓強度試驗計算結(jié)果分析可以發(fā)現(xiàn)，在黏性土中加入一定摻量的水泥，經(jīng)攪拌混合后，該混合料無側(cè)限抗壓強度值隨著摻加的水泥量的增加而呈現(xiàn)線性遞增的關(guān)系［9］，而摻加水泥量從0%增加至6%的陡增速度最明顯，從6%～10%陡增速度逐漸放緩。

⑵通過分析滲透系數(shù)試驗結(jié)果可知到，摻加不同摻量水泥的黏性土，該混合料滲透系數(shù)隨著水泥摻加量的增加而呈現(xiàn)明顯下降的趨勢，特別是而摻量從0%增加至6%的下降最為明顯，而摻量從6%～10%，滲透系數(shù)下降逐漸放緩。

⑶綜上所述，摻加水泥的黏性土在抗?jié)B性能和抗壓強度上均有非常明顯的改進(jìn)，水泥摻量從0%～6%的變化，混合料的性能變化最明顯。因此，結(jié)合白石窯樞紐船閘工程地質(zhì)勘探情況和現(xiàn)場實際生產(chǎn)情況，經(jīng)過溶洞處理試驗方案論證，最終決定選擇水泥摻量為6%作為施工指導(dǎo)配比。針對大型溶洞（6 m以上）、超大型溶洞（10 m 以上），在使用混合材料進(jìn)行填充前，先填充適量的塊石，等塊石填充穩(wěn)定后，再填充黏性土混合料，進(jìn)行縫隙封堵，達(dá)到不漏漿、不塌孔的填充效果［10］。

2 結(jié)論

⑴在溶洞處理工藝上，進(jìn)行填充材料的優(yōu)化選擇和配比試驗，能更有效、更直觀的改進(jìn)溶洞填充工藝，有利于工程成本控制加快推進(jìn)工程進(jìn)度，符合工程創(chuàng)新的理念。

⑵摻加水泥對改進(jìn)粘性土的抗?jié)B性能和抗壓性能具有非常明顯的作用，針對不同的使用要求，選擇需要的水泥摻量，可更好的解決工程困難。

⑶選擇替代材料，間接減少了天然河砂的使用，一定程度緩解了河砂過度開采的現(xiàn)狀。

⑷該混合材料除了在溶洞填充處理上使用外，在其他方面也是應(yīng)用廣泛，特別是在進(jìn)行不良地基處理領(lǐng)域，具有非常大的應(yīng)用前景，有非常大的探索價值。

⑸混合材料中還可根據(jù)使用需要，可以添加外加劑、摻合料等成分，對于該混合材料配比優(yōu)化的工作還可以更進(jìn)一步的探索。