预拌流态水泥土在沟槽回填中的应用技术研究_刘佃勇.pdf

工程技术建 筑 技 术 开 发 109Engineering and TechnologyBuilding Technology Development第50卷第2期2023年2月城市化进程的加快使得道路工程扩建、综合管廊等施工工程越来越普遍。这些工程中最重要的工序之一为基坑肥槽或者管道沟槽的回填、压实等。在基坑肥槽或者沟槽回填工程施工中，传统的方式为采用固体回填材料，如土质填料、级配砂石填料等，并采用人工夯实、轻型压路机压实等的方式对回填部位进行分层压实夯实。这种回填方式不仅操作烦琐，耗时耗力，而且采用的固体回填材料与结构物或开挖界面存在死角，经常会遇到管线区域难回填、狭窄区域难压实、碾压夯实质量难以保证、回填不实易沉降等工程问题，容易造成质量通病，诱发工程病害，引起一些城市道路路面塌陷等险情。由此可知，传统回填技术虽然发展较为成熟，但难以满足高效快速的施工条件和良好回填质量的要求，相应的回填技术需要进一步有所突破。针对上述施工难题，众多学者和工程师逐渐研发、应用并推广一种新型的回填技术：流态水泥土回填土技术。该技术主要在优质土体中通过加入一定掺量的水泥、水和/或固化剂，采用与自流平混凝土类似的技术，将其搅拌均匀具有一定的流动性和自密实性，采用溜槽或泵送的方式浇筑到基坑肥槽等需要回填部位，固化后达到一定强度，保证回填土密实稳定，确保回填质量。目前针对预拌流态水泥土性能及其在肥槽回填中的应用已有较多研究。例如，王丽筠等（2021）以北京朝阳医院东院综合楼的基坑开挖工程为研究背景，提出了采用预拌流态固化回填土对基坑肥槽回填的施工方案，并研究了该方案的施工工艺、施工效率、质量控制等，发现采用预拌流态固化回填土可显著提高施工效率，确保工程质量。刘旭东预拌流态水泥土在沟槽回填中的应用技术研究刘佃勇1，马成刚1，唐勇2，罗启武2，杨宇1，熊习旺2（1.宿迁市铁路事业发展中心，江苏宿迁 223800；2.中国建筑第五工程局有限公司，湖南长沙 410004）摘要 为解决目前传统方法采用固体填料回填狭小空间产生的回填不实、后期沉降较大等工程问题，通过实验室测试与现场试验研究了预拌流态水泥土在沟槽回填中的应用技术。结果表明：预拌流态水泥土具有较好的自密性，可较好的填充管道沟槽开挖产生的狭小空间，固化后的强度也可满足工程要求。通过实验室测试可优化水泥土的含水率和水泥掺量等关键控制参数，确保在满足水泥土的流动性要求的前提下实现强度要求，且最大程度的减少水泥的使用量。通过选用合适的自动化水泥浆制备系统、流态水泥土拌合系统和土料投入系统，对江苏某地道路快速化改造工程项目排水工程施工管道沟槽回填工程进行现场试验，实现较好的回填效果，并产生较好的经济和社会效益。关键词 流态水泥土；沟槽回填；自密性 中图分类号TU 992 文献标志码B 文章编号1001-523X（2023）02-0109-04STUDY ON THE APPLICATION TECHNOLOGY OF READY MIXED FLUID CEMENT SOIL IN TRENCH BACKFILLINGLiu Dian-yong，Ma Cheng-gang，Tang Yong，Luo Qi-wu，Yang Yu，Xiong Xi-wang AbstractIn order to solve the engineering problems such as inaccurate backfilling and large later settlement caused by the traditional method of backfilling narrow space with solid filler,the application technology of ready mixed fluid cement soil in trench backfilling was studied through laboratory test and field test.The results show that the ready mixed fluid cement soil has good self-tightness,can better fill the narrow space generated by pipeline trench excavation,and the strength after curing can also meet the engineering requirements.Through the laboratory test,the key control parameters such as the moisture content and cement content of cement soil can be optimized to ensure that the strength requirements can be realized on the premise of meeting the fluidity requirements of cement soil,and the use of cement can be reduced to the greatest extent.By selecting the appropriate automatic cement slurry preparation system,fluid cement soil mixing system and soil material input system,the field test is carried out on the pipeline trench backfilling project of drainage engineering construction of a road rapid transformation project in Jiangsu Province,so as to achieve better backfilling effect and produce better economic and social benefits.Keywordsfluid cement soil;trench backfilling;self-compacting收稿日期：20230125基金项目：国家自然科学基金项目（52108364）作者简介：刘佃勇（1974），男，江苏宿迁人，高级工程师，硕士，主要研究方向为交通工程施工。工程技术建 筑 技 术 开 发110 Engineering and TechnologyBuilding Technology Development第50卷第2期2023年2月（2018）从回填工程的工艺流程、材料性能研发和设备选型等三方面进行分析，以某个大型地下综合管廊基槽回填为工程背景，研究了基槽流态回填的工艺、流态固化土复合材料和制备流态固化土的成套设备等。杜君等（2021）根据实际工程中对基坑沟槽回填施工的要求，研究出用于搅拌、运输和回填流动化回填土的专用设备，可同时完成流动化土的制备和浇筑回填，从而显著地降低了作业劳动强度、提高了回填施工效率和质量，并节约了工程成本。朱伟等（2021）为解决城市管网工程中开挖基槽产生渣土不易处理、基槽回填缺乏优质固体回填料等的工程难题，研究了将开挖弃土改良为流动化回填土并就地使用的技术并进行了示范工程应用。可通过水固比和灰砂比的调节来确定流动化回填土的性能和配比。类似的，薛信恺等（2019）也针对管网基槽开挖回填产生的各种工程问题提出利用流动化的处理方法对基坑及肥槽进行回填的解决方案，并研究了该回填技术填筑施工的专用设备。此外，范猛（2009）也提出了非压实回填土的概念，并对回填土的工作性进行试验探讨。作者指出，非压实回填土具有自密实的特点，并且可以将开挖的弃土就地再生利用，不需要购买新的填土，具有显著的环境效益和经济效益。上述研究总结表明，目前有关流态化回填材料的性能及应用情况已经开展了较多的研究。但已有的文献研究主要集中在基坑肥槽或管廊基槽的回填，在管道开挖沟槽的回填应用案例极少。但值得注意的是，管道开挖沟槽较基坑肥槽等具有尺寸更窄距离更长等特点，因此无法直接根据基坑肥槽开挖的经验对管道沟槽进行施工。此外，多数的已有研究仅仅给出了某些具体工程的应用情况，并未给出流态化回填材料的具体配比及其对应的特性。因此应用在具体工程中不免存在工程开挖土的物理力学性质确定、制备流动化土的配比、如何进行工程施工、质量怎样评价等问题无法解决。研究这些问题对于这种工艺在沟槽开挖回填的成功应用和推广实施具有重要意义。因此本文拟针对预拌流态水泥土在沟槽回填中应用关键技术进行研究，以期为工程提供参考依据。1 工程背景以江苏某地的道路扩建工程为例，该工程除了要完成道路扩建以外，还需进行排污管道的迁移。排污管道通常埋置在道路两侧1-2米深，因此通常的做法是开挖一个倒梯形的沟槽，管道安装完毕后将开挖空间进行回填，如图1所示。管道基础层沟槽宽度填充空间管道分层1分层2分层3地面图1管道埋设示意图管道沟槽开挖空间的回填质量的保证是工程上考虑的重要问题之一。传统的回填方式普遍采用固体回填材料，如土质填料、级配砂石填料等进行回填。这种固体回填材料与结构物界面难免存在未填充的死角，如管线临近区域和部分狭窄区域，在回填过程中存在难压实、碾压夯实质量难以保证等工程问题。在道路运营期间，采用这种回填方法施工的路面在受到交通荷载作用后经常会产生较大的残余沉降，诱发道路路面塌陷等险情。因此在各大工程均倡导安全高效施工的背景下，传统的固体填料回填技术难以满足快速施工条件和良好回填质量要求。如何确保管道沟槽或其他狭小空间的回填效果成为工程上一大难题。2 流态水泥土性能要求基于上述分析的工程背景，本文提出了一种可用在狭小空间实现高效高质量回填的工程施工方法，即预拌流态水泥土在沟槽或其他狭小空间回填中的应用技术。该技术主要涉及到流态水泥土控制参数的确定，以及如何在现场进行高效快速的施工（即设备要求和施工工序等）。流态水泥土的性能对该技术的成功应用与否具有重要的影响，这是因为相比较与传统固体填料，流态水泥土的主要优势在于其自密实特性和较好的强度指标。这就需要水泥土有较好的流动性，从回填效果的角度来分析，流动性越大越好，因为可确保狭小空间得到较好充填。例如，刘晖（2019）测试了水土比对流态水泥土流动性的影响。作者采用了内径和净高均为80mm的光滑圆筒，并参考气泡混合轻质土填筑工程技术规程(CJJ/T 1772012)进行测试，结果如图2所示。图2表明，随着水土比的不断增大，水泥土的流动性呈快速上升趋势，且上升速度不断加大，表明水泥土的含水率对水泥土的流动性起决定性的、作用。因此在现场施工中，需要确保含水率不低于某一值，从而可较为均匀的填充狭小的空间。工程技术建 筑 技 术 开 发 111Engineering and TechnologyBuilding Technology Development第50卷第2期2023年2月水土比0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85350200流动性/mm0图2 水土比对流态水泥土流动性的影响尽管水泥土的含水率越高流动性越好，也越有利于回填密实，但另一方面，含水率越高，水泥土固化后的强度也随之降低，若强度低到一定程度，可能不满足工程要求。张军等（2019）将水泥土掺入淤泥质土，并研究含水率对水泥土强度的影响，试验结果如图3所示。图3表明，对于任意水泥掺入量，随着含水率的增加，水泥土的无侧限抗压强度均不断降低，呈线性下降的趋势。由此可以说明，在水泥土的配比中，含水率和水泥掺量等控制参数需有机协调，确保在满足水泥土的流动性要求的前提下既实现强度要求又可最大程度的减少水泥的使用量。根据大量的现场经验，在自密水泥土塌落度控制在140mm180mm可以满足泵送的要求，并可较好实现狭小空间的自密实填充。水泥土凝固后的强度和达到初凝强度的时间则需要根据具体工程要求来确定。55 60 65 70 75含水率/%无侧限抗压强度/MPa1.50.90.311%14%17%20%图3 水土比对流态水泥土流动性的影响3 控制参数确定步骤根据上述分析，为确保所拌合的水泥土既符合流动性的要求，又满足强度指标，可根据依托的具体工程按以下步骤进行控制参数的研究。3.1 工程开挖土的基本物理力学指标测试探明（管道）沟槽开挖工程全线土的分布规律，选取典型具有代表性路段的土方，结合室内土工试验，根据JTG E402019公路土工试验规程，对土的颗粒级配和含水率进行测定，分析开挖土方的矿物成分和有机质含量，掌握工程开挖土方的基本物理力学指标。3.2 开挖土方制备流态水泥土控制参数研究为研究不同水泥掺入量、含水率和养护时间影响下流态水泥土的流动性和强度变化，可制定相关实验配比方案，表1给出了江苏某地道路扩建工程管道开挖沟槽回填流态水泥土控制参数配比研究的示例，主要研究的控制参数有水泥含量、含水率、养护时间等。另外，根据流动性的测试结果可适当添加缓 凝剂。表1 水泥土控制参数配置示例水泥含量/（%）含水率/（%）养护时间/（d）备注61540601,3,7,28,70根据流动性测试结果可适当添加缓凝剂具体操作上，根据表1所示方案将工程开挖土、水泥（采用42.5级水泥）、水等倒入搅拌机中搅拌一定时间后制得拌和物，并测试其流动性和固结特定时间后的无侧限抗压强度。首先，参考GB/T 50080 2016普通混凝土拌和物性能试验方法标准中列出的人工测量混凝土坍落度的方法，采用坍落度作为流动性指标，每组需进行多次平行试验，以平均值作为最终参考指标，最终确定合理含水率。根据流动性结果决定是否添加缓凝剂，以及何时达到初步强度。其次，依据公路土工试验规程JTG E40-2019，将流态水泥土制作尺寸为 50mm50mm的试样，并放入恒温恒湿养护箱分别养护至设计的时间后，采用CBR2试验仪进行无侧限抗压强度试验，确保满足路基强度的水泥土的合理配比。最后，观察固化土养护期间物理特性的变化（是否有收缩、开裂等现象）。综合以上实验结果可得到最优化的水泥土控制参数 配比。4 流态水泥土回填管道沟槽施工工艺根据实验结果确定的流态水泥土的优化控制参数，在江苏某地道路快速化改造工程项目排水工程施工管道沟槽回填工程进行现场试验。首先，根据回填深度估算回填量，按照研究配比制作流态水泥回填土。依据流态水泥土强度和流动性特征，遴选适合流态水泥土的搅拌、运输和回填等设备（满足泵送的要求）。根据沟槽开挖与管道布置等细节，确定回填的具体部位。选用的设备为：自动化水泥浆制备系统、流态水泥土拌合系统和土料投入系统。回填的过程详工程技术建 筑 技 术 开 发112 Engineering and TechnologyBuilding Technology Development第50卷第2期2023年2月述如下：（1）塌落度试配：称取约100kg土料，根据设计水泥掺入量称取约15kg水泥，称取约0.45kg外加剂（缓凝剂），人工拌合均匀，逐次加水，并记下加入水的重量，加水人工拌合均匀并不断测量其塌落度，直至塌落度为120mm左右，计算合计加入水的总量，加水总量和水泥量（15kg）的比值作为施工过程配制水泥浆的含水率值。（2）调制拌合系统施工参数：变频器固定水泥浆注入流量，再用变频器调整土料加注速度，观察出料口流态水泥土流动状态，测量其塌落度，直至出料口水泥土塌落度为120mm时固定土料加注速度。（3）水泥土拌合：拌合过程不断观察出料口水泥土的塌落度状态，发现其塌落度有明显变化时调整土料加注速度直至出料口水泥土塌落度恢复至120mm。拌合过程发现土料含水量有明显变化，要测量出料口水泥土的塌落度，发现塌落度有变化要及时调整土料加注速度。（4）水泥土场内转运：水泥土拌合现场和水泥土浇筑现场有一定的高程差，由于水泥土不同于混凝土，主要由细颗粒组成，拌合均匀后不会产生离析现象，为了进一步优化施工，采用管状溜槽将流态水泥土输送至摊铺工作面，这种输送过程不但不会产生离析现象，还会使水泥土更均匀。（5）水泥土浇筑成型：水泥土通过溜槽输送至摊铺断面，随后用振动器整平。如果浇筑高度超过1m，则采用分层浇筑的方式，每层不超过1m。（6）水泥土成品管养：水泥土填筑整平初凝后立即用塑料膜覆盖，定时向填筑面洒水保持水泥土面部脱水。经检验，回填效果较好，完全满足了管道沟槽的快速、高质量的回填。5 经济与社会效益通过采用预拌流态水泥土对管道开挖沟槽进行回填，可产生如下经济和社会效益：（1）经济效益：管道沟槽回填施工中由于空间狭小等问题，回填土的密实度难以保证、回填质量差。将工程开挖土制备流态水泥土对沟槽进行回填，具有极大的经济效益。首先，采用混凝土进行回填虽同样可以解决回填质量问题，但采购混凝土原料需要较为高昂的成本，不利于施工成本的整体控制，若利用工程开挖土制备流态水泥土对沟槽进行回填，则可节省较大的原料采购成本。其次，采用制备的流态水泥土回填施工工序简单、施工工期短、施工质量较易控制、劳动强度大大降低，这些技术优势进一步降低了施工成本。因此，将工程开挖土制备流态水泥土对沟槽进行回填，可极大地节约施工成本，成功解决了管道沟槽回填过程中的难题，实现回填工程建设过程中较大的经济效益。（2）社会效益：随着道路功能提升工程、水环境治理工程如火如荼地展开，各城市雨污分流及污水管网相关工程产生大量弃土。弃土外运不但会引起交通问题，而且需要大面积场地堆放，污染环境。通过利用工程开挖土制备流态水泥土对沟槽进行回填，可解决工程开挖土对周边环境影响的问题。具有巨大的社会效益和工程参考意义。6 结束语通过分析目前传统采用固体填料回填狭小空间的弊端，提出了采用预拌流态水泥土对管道开挖沟槽回填的技术，主要得到以下结论：（1）预拌流态水泥土具有较好的自密性，可高效完美的填充管道沟槽开挖产生的狭小空间，固化后的强度也可满足工程要求。（2）通过实验室实验可有机协调水泥土的含水率和水泥掺量等关键控制参数，确保在满足水泥土的流动性要求的前提下既实现强度要求又可最大程度地减少水泥的使用量。（3）通过选用合适的自动化水泥浆制备系统、流态水泥土拌合系统和土料投入系统，对江苏某地道路快速化改造工程项目排水工程施工管道沟槽回填工程进行现场试验，实现较好的回填效果，并产生较好的经济和社会效益。参考文献1 王丽筠,孙伟东,文劲博.预拌流态固化土在深基坑回填工程中应用J.建筑技术,2021,52(04):460461.2 刘旭东.预拌流态固化土技术在地下综合管廊基槽回填工程中的应用J.建筑技术开发,2018,45(04):6162.3 杜君,刘青,霍同乾.流动化回填土施工专用设备在基坑肥槽回填中的应用J.中华建设,2021(05):108109.4 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(02):134139.5 薛信恺,霍同乾,杜君,等.城市弃土再生建材施工专用设备研发设计及应用J.中华建设,2019(12):9597.6 范猛.非压实回填土基本性能及应用研究D.北京工业大学,2009.7 刘晖.流态水泥土性能及其工程应用研究J.福建建筑,2019(12):132135.8 张军,戚绪明.水泥土无侧限抗压强度室内试验研究J.江苏水利,2019(10):3437.