GS土體硬化劑的現(xiàn)場非原位試驗研究

摘要：目前對GS土體硬化劑的研究以室內(nèi)試驗為主，對施工現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)的分析較少。通過施工現(xiàn)場超深三軸攪拌樁非原位試驗，對比了水泥與GS土體硬化劑的應(yīng)用效果，分別從深層土體水平位移、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、成樁質(zhì)量3個方面進(jìn)行試驗與分析。試驗結(jié)果表明：施工參數(shù)相同情況下，應(yīng)用不同硬化劑的深層土體水平位移變化趨勢相似，但GS固化土成樁后的水平位移回落要高于水泥土；成樁初期GS固化土強(qiáng)度增長速率大于水泥土，且GS固化土達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度值的時間較短；GS固化土的成樁質(zhì)量優(yōu)于水泥土，在工程應(yīng)用中可以縮短養(yǎng)護(hù)時間節(jié)省工期，可較好地滿足工程應(yīng)用需求。研究成果可為GS土體硬化劑應(yīng)用于典型上海軟土地基的類似工程提供參考。

關(guān) 鍵 詞：GS土體硬化劑；非原位試驗；深層土體位移；無側(cè)限抗壓強(qiáng)度；成樁質(zhì)量

中圖法分類號：TU472 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S2.047

0 引言

隨著中國城市化進(jìn)程的加速，出現(xiàn)超大超深基坑的頻率逐漸升高，其中加固土是基坑工程中不可忽視的部分，尤其在安全等級較高的基坑工程中^［1-5］。

GS土體硬化劑是一種新型巖土固化材料，該材料以無機(jī)膠凝材料為主料、活性激發(fā)材料為輔料、特種調(diào)和材料為調(diào)料、工業(yè)固廢為填料形成一種與土體混合后效果更好的復(fù)合型材料^［6］。近年來新型固化劑因成本低、強(qiáng)度高、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)^［7-10］，多應(yīng)用于試驗研究和現(xiàn)場工程中，國內(nèi)外學(xué)者對此做出了研究。

Hammad等^［11］對大理石粉和水泥組成的粘結(jié)劑其水泥比和水膠比進(jìn)行試驗，結(jié)果表明混合料極大地提高了土體強(qiáng)度和整體性。朱祎坤等^［12］通過改變高分子固化劑摻量與土體條件，從宏觀上研究了高分子固化劑對水泥強(qiáng)度的影響，試驗結(jié)果顯示高分子水泥土的抗壓強(qiáng)度大于普通水泥土。張玉蘋等^［13］研究了無機(jī)土壤固化劑的固化效果，摻入堿性激發(fā)劑在一定程度上可以改善固化效果，同時摻入促凝劑可以在短時間內(nèi)達(dá)到較高的固化強(qiáng)度。丁彥平等^［14］從宏觀與微觀角度研究了養(yǎng)護(hù)齡期、固化劑摻入量對砂土力學(xué)特性的影響，試驗結(jié)果表明抗壓、抗剪強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)周期、固化劑摻量成正比關(guān)系。張振^［15］、李光耀^［16］等分析了GS固化劑和水泥的摻量、齡期對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，得到GS固化海底淤泥土表現(xiàn)為應(yīng)變軟化規(guī)律，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期增加，增長速率逐漸減小。

大量學(xué)者通過室內(nèi)試驗對GS土體硬化劑的力學(xué)性能進(jìn)行了詳細(xì)研究，但施工現(xiàn)場與室內(nèi)試驗條件迥然不同，試驗數(shù)據(jù)僅能作為參考，缺乏指導(dǎo)現(xiàn)場施工的數(shù)據(jù)支撐。為探究GS土體硬化劑在工程中的適用性，本文以一深基坑工程為背景，通過非原位試驗對比分析水泥與GS土體硬化劑在攪拌樁施工過程中對周邊土體產(chǎn)生的影響，并對試樁取芯，探究水泥固化土與GS固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度以及樁身完整性的差異，為后續(xù)工程提供參考。

1 工程概況

基坑工程鄰近地鐵隧道區(qū)間，距離地鐵人行出入口結(jié)構(gòu)最近距離為8 m，基坑深度為13.9 m，安全等級一級，基坑圍護(hù)采用地下連續(xù)墻加坑外槽壁加固形式。根據(jù)設(shè)計要求，軌道交通保護(hù)側(cè)坑外槽壁加固采用超深三軸水泥土攪拌樁套接一孔施工，攪拌樁規(guī)格為：Ф850@600，樁長約45.5 m，采用普通硅酸鹽水泥或GS土體硬化劑，水灰比不大于1.2，攪拌下沉速度控制在0.5～0.8 m/min范圍內(nèi)，攪拌提升速度宜小于1 m/min，噴漿壓力不宜大于0.8 MPa。

現(xiàn)場地層勘察結(jié)果顯示，工程土質(zhì)為典型的上海軟土，在超深三軸攪拌樁施工時，可能出現(xiàn)樁身不均勻、強(qiáng)度低等質(zhì)量缺陷^［17-18］。由于基坑安全等級較高，為保證成樁質(zhì)量擬采用GS作為土體硬化劑。根據(jù)設(shè)計單位規(guī)定，該工程三軸攪拌樁槽壁加固施工位置緊鄰地鐵，在鄰地鐵側(cè)槽壁加固施工前需在坑內(nèi)進(jìn)行非原位試驗，以觀察GS作為土體硬化劑的成樁效果，為后續(xù)施工參數(shù)提供依據(jù)，其中各地層力學(xué)性能參數(shù)見表1。

2 非原位試驗

為深入研究超深三軸攪拌樁施工期間對地鐵的車站及隧道區(qū)間的影響，在三軸攪拌樁正式施工前，選取基坑內(nèi)地鐵界定50 m范圍線外進(jìn)行非原位試驗，以觀測三軸水泥攪拌樁施工對土體產(chǎn)生的擠土效應(yīng)和GS土體硬化劑的成樁效果，并為后續(xù)施工提供參考。

2.1 試驗參數(shù)設(shè)計

本次試驗共設(shè)2組超深三軸攪拌樁試樁，試驗組一（SZ-01、SZ-02、SZ-03）采用普通硅酸鹽水泥作為固化劑，水泥摻量為20%，樁長45.50 m；試驗組二（SZ-04、SZ-05、SZ-06）采用GS土體硬化劑作為固化劑，GS土體硬化劑摻量為20%，樁長45.50 m，如圖1所示。

第一組試樁的施工順序為：SZ-01→SZ-03→SZ-02；第二組試樁的施工順序為：SZ-04→SZ-06→SZ-05。兩組試驗均采用套接一孔的形式成樁，施工間隔不超過12 h，泥漿比重在1.44～1.49之間，水灰比為1.2，噴漿壓力小于0.8 MPa，施工參數(shù)見表2。

2.2 非原位試驗測點(diǎn)布置

為精確監(jiān)測不同硬化劑在攪拌樁施工過程中對周邊土體產(chǎn)生的影響，本次試驗共布置6個測點(diǎn)（CX1～CX6），如圖1所示。測斜孔與樁芯間隔3 m布置，兩組試驗之間間距大于8 m，避免兩組試驗在成樁時土體之間的相互作用加大試驗誤差。測斜管深度略大于試驗樁，深度為46 m，測斜管為外徑70 mm、內(nèi)徑60 mm的PVC管。每根測斜管采用測斜儀進(jìn)行讀數(shù)，采取0°，180°讀數(shù)的方式，每0.5 m的點(diǎn)距由下往上逐點(diǎn)進(jìn)行讀數(shù)。

2.3 監(jiān)測頻率

本次試驗測斜管在試驗開始前6 d裝設(shè)完畢，并分別在施工前、施工中、施工后對監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行量測。施工前5d內(nèi)用測斜儀對同一測斜管做3次重復(fù)測量，判明處于穩(wěn)定狀態(tài)后，以3次測量的算術(shù)平均值作為側(cè)向位移計算的基準(zhǔn)面；在施工過程中監(jiān)測1次；在攪拌樁施工完成后，每天監(jiān)測1次，持續(xù)3 d。通過間隔位移數(shù)據(jù)之間的比較，以了解超深三軸攪拌施工過程中，對不同深度土層水平位移影響程度。

3 試驗結(jié)果分析

本次試驗按照既定要求完成。試驗除通過測斜裝置監(jiān)測深層土體位移外，還對試樁進(jìn)行取芯，對比分析不同摻料情況下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與成樁質(zhì)量，進(jìn)一步探索GS土體硬化劑在施工現(xiàn)場的力學(xué)性能與工程適用性。

3.1 深層土體水平位移

圖2為三軸攪拌樁提升至地面時各測點(diǎn)的水平位移，在施工參數(shù)相同情況下，水泥土在33.5 m深處出現(xiàn)變形峰值7.6 mm，GS固化土在44.5 m深處出現(xiàn)變形峰值6.1 mm，兩組試驗成樁過程中的水平位移峰值均不在地鐵隧道影響區(qū)間內(nèi)。CX2、CX5的成樁過程中的整體變形明顯大于CX1（或CX3）、CX4（或CX6），說明套接一孔的施工方式使得第二次施工樁體位移增大，出現(xiàn)疊加效應(yīng)。

成樁后連續(xù)3 d對土層水平位移進(jìn)行監(jiān)測，不同階段變形峰值見表3。由于三軸水泥土攪拌樁成樁過程中的噴漿壓力逐漸消散并且樁身固化土逐漸產(chǎn)生強(qiáng)度，成樁后第1 d土體的水平位移開始回落；通過3 d的數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，在成樁后第3 d深層土體位移趨于穩(wěn)定，其中試驗組一土體穩(wěn)定變形峰值為5.6 mm（CX2），試驗組二土體穩(wěn)定變形峰值為3.5 mm（CX5），水泥土平均土體回落為30.73%，而GS固化土的回落為48.75%，說明GS土體硬化劑在0～3 d的強(qiáng)度增長速率大于水泥土。

3.2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

為對比分析GS固化土與水泥土在施工現(xiàn)場的應(yīng)用效果，對攪拌樁進(jìn)行取芯并進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗，養(yǎng)護(hù)28 d后的取芯圖見圖3。由于現(xiàn)場養(yǎng)護(hù)條件有限，養(yǎng)護(hù)時間過短會導(dǎo)致取芯困難，因此選擇在施工完成后的28 d和46 d對攪拌樁取芯，取樣深度分為0.2～0.7 m、11.0～11.5 m、22.0～22.5 m、33.0～33.5 m、44.9～45.4 m五段，并進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗，測定GS固化土與水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度以及GS固化土相比水泥土的強(qiáng)度提高系數(shù)^［6］（表4），攪拌樁的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度見圖4。

由表4和圖4可知，在28 d時，GS固化土在不同深度的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值均大于水泥土強(qiáng)度值，平均提高系數(shù)為1.36，說明在相同齡期下，GS固化土的強(qiáng)度增長速率要大于水泥土；且不同深度的強(qiáng)度值均大于設(shè)計強(qiáng)度0.8 MPa，說明GS固化土達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度值的時間較短，在實(shí)際工程應(yīng)用中可以縮短養(yǎng)護(hù)時間節(jié)省工期，或結(jié)合設(shè)計優(yōu)化適當(dāng)考慮降低GS摻量，從而控制成本，達(dá)到降本增效的目的。

在46 d時，水泥土與GS固化土的強(qiáng)度均有所增長，說明水泥土、GS固化土的強(qiáng)度與齡期均呈正相關(guān)；其中強(qiáng)度平均提高系數(shù)為1.64，說明齡期在28 d到46 d之間時，GS固化土的抗壓強(qiáng)度增長速率要高于水泥土。

3.3 成樁質(zhì)量

根據(jù)DG/T J08—2082—2017《GS土體硬化劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》^［6］，可用攪拌樁樁體質(zhì)量指標(biāo)（I_q）來反映水泥攪拌樁的完整性。對水泥攪拌樁進(jìn)行連續(xù)取芯，回次鉆進(jìn)所取芯樣中，長度大于或等于7 cm水泥土芯樣段長度l_i之和與該回次進(jìn)尺L的比值，以百分?jǐn)?shù)表示。其中：

I_q=∑l_i/L×100%（1）

由表5可知，在固化劑摻量與水灰比相同的情況下，GS固化土的樁體質(zhì)量指標(biāo)為45.7%，水泥土為30.4%，說明采用GS土體硬化劑的攪拌樁取芯效果較好。由圖3（a）可知，GS固化土現(xiàn)場取芯的芯樣較為完整，且芯樣堅硬，難以手掰成塊。其中芯樣在距離樁頂較淺處松散呈塊、餅狀或片狀，離散性較大，而中下部則相對穩(wěn)定，芯樣完整且連續(xù)呈現(xiàn)柱狀，說明淺層土體受現(xiàn)場施工質(zhì)量影響較大，從而降低成樁的完整性。而由圖3（b）可知，水泥土攪拌樁紋理存在不連續(xù)的情況，芯樣連續(xù)性較差，破碎程度較高，樁端與樁身芯樣呈塊狀或短柱狀。綜上，在固化劑摻量、水灰比、齡期以及各施工參數(shù)相同的情況下，GS固化土的成樁質(zhì)量要優(yōu)于水泥。

4 結(jié)論

本文通過施工現(xiàn)場非原位試驗，從深層土體水平位移、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、成樁質(zhì)量3個方面，對比分析了GS土體硬化劑與水泥在工程中的適用性，主要結(jié)論如下：

（1）水泥土與GS固化土在成樁過程中的水平位移峰值均不在地鐵隧道影響區(qū)間內(nèi)，地鐵隧道影響范圍內(nèi)的土體變形滿足地鐵結(jié)構(gòu)保護(hù)要求。成樁后隨著噴漿壓力的消散以及樁身固化土強(qiáng)度增長，土體水平位移開始回落，到成樁后第3 d水平位移趨于穩(wěn)定，水泥土回落30.73%，而GS固化土回落48.75%，說明在0～3 d GS固化土的強(qiáng)度增長速率略高于水泥土。

（2）在相同齡期下，水泥土與GS固化土的強(qiáng)度與齡期均呈正相關(guān)，GS固化土的強(qiáng)度增長速率要大于水泥土；在齡期28 d時，平均強(qiáng)度提高系數(shù)為1.36，28～46 d之間時，強(qiáng)度平均提高系數(shù)為1.64，說明GS固化土的抗壓強(qiáng)度增長速率要高于水泥土；GS固化土達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度值的時間較短，在實(shí)際工程應(yīng)用中可以縮短養(yǎng)護(hù)時間節(jié)省工期，或結(jié)合現(xiàn)場施工適當(dāng)考慮降低GS摻量，從而控制成本，達(dá)到降本增效的目的。

（3）在固化劑摻量與水灰比相同的情況下，GS固化土的樁體質(zhì)量指標(biāo)為45.7%，水泥土為30.4%，說明采用GS土體硬化劑的攪拌樁取芯效果較好，成樁質(zhì)量要優(yōu)于水泥土。本次研究通過現(xiàn)場非原位試驗對比分析了水泥與GS土體硬化劑的應(yīng)用效果，但本次研究僅在上海典型軟土地區(qū)進(jìn)行試驗，試驗結(jié)果存在局限性。后續(xù)可以增加試驗樣本的數(shù)量，在不同地區(qū)進(jìn)行試驗，研究GS土體硬化劑在不同土層性質(zhì)地區(qū)的應(yīng)用效果。

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（編輯：郭甜甜）