新型软土固化剂加固软土试验及应用研究.pdf

引用格式:彭元栋,张克含,李少华,等.新型软土固化剂加固软土试验及应用研究J.隧道建设(中英文),2023,43(增刊 1):139.PENG Yuandong,ZHANG Kehan,LI Shaohua,et al.Curing test and application of new curing agent in soft soilJ.Tunnel Construction,2023,43(S1):139.收稿日期:2022-10-20;修回日期:2023-01-30第一作者简介:彭元栋(1987),男,山东菏泽人,2009 年毕业于中国地质大学(武汉),机械设计制造及其自动化专业,本科,高级工程师,主要从事隧道及地下工程、盾构装备、地下空间施工等研究工作。E-mail:850428506 。通信作者:张克含,E-mail:2691275083 。新型软土固化剂加固软土试验及应用研究彭元栋1,张克含2,李少华1,刘富强1,苏岳威2(1.中铁十五局集团有限公司,上海 200070;2.北京安科兴业科技股份有限公司,北京 102200)摘要:为解决水泥固化剂加固软土强度不足、完整性差的缺陷,以珠海杧洲隧道软弱土层三轴搅拌加固工程为背景,引入新研发的软土固化剂对软土地层进行加固。通过分析工程特点及施工风险,结合室内试验、现场试验等手段对软土加固机制进行阐释,并通过设置室内试验固化剂与水泥掺量对照组,对 7 d 与 28 d 的无侧限抗压强度进行试验。结果表明:1)龄期 28 d 固化剂 13%掺量的固结体无侧限抗压强度为 2.48 MPa,较水泥 20%掺量强度增加 91%;2)经现场试桩取芯试验,固化剂三轴搅拌桩芯样完整,各深度的无侧限抗压强度值均大于设计要求(0.8 MPa),最小值为 1.86 MPa,平均值为 2.47 MPa,加固效果均满足设计要求;3)相比水泥而言,可节约成本 15%30%。关键词:隧道软弱土层;新型软土固化剂;软土加固;无侧限抗压强度;固化机制DOI:10.3973/j.issn.2096-4498.2023.S1.016中图分类号:U 45 文献标志码:A 文章编号:2096-4498(2023)S1-0139-06C Cu ur ri in ng g T Te es st t a an nd d A Ap pp pl li ic ca at ti io on n o of f N Ne ew w C Cu ur ri in ng g A Ag ge en nt t i in n S So of ft t S So oi il lPENG Yuandong1,ZHANG Kehan2,*,LI Shaohua1,LIU Fuqiang1,SU Yuewei2(1.China Railway 15th Bureau Group Corporation Limited,Shanghai 200070,China;2.Beijing Anke Xingye Technology Co.,Ltd.,Beijing 102200,China)A Ab bs st tr ra ac ct t:To address the problems of soft soil cured by cement curing agent such as insufficient strength and poor integrity,a case study is conducted on Mangzhou tunnel in Zhuhai,China,and a newly developed soft soil curing agent is introduced to reinforce the soft soil layer.By analyzing the engineering characteristics and construction risks,the reinforcement mechanism of soft soil is explained by means of indoor and field tests.By setting the comparison indoor test between curing agent and cement content,the strength difference between the two is expounded through the 7-and 28-day unconfined compressive strength tests.The results show that:(1)The 28-day unconfined compressive strength of the solidified body with 13%dosage of curing agent is 2.48 MPa,which is 91%higher than that with cement dosage of 20%.(2)The core sample of triaxial mixing pile reinforced by curing agent is complete,and the unconfined compressive strength values of each depth are greater than the design requirement of 0.8 MPa with a minimum value of 1.86 MPa and an average value of 2.47 MPa,fulfilling the design requirements.(3)The cost can be saved by 15%30%compared with cement.K Ke ey yw wo or rd ds s:tunnel soft soil layer;new soft soil curing agent;soft soil reinforcement;unconfined compressive strength;curing mechanism0 引言自 20 世纪 50 年代以来,软土稳定性一直是一个研究课题。软土稳定性的原理是使用固化剂来改善土的物理力学性质,以满足工程技术的需要。最常用的固化剂是水泥、石灰和粉煤灰。在过去 20 年,随着软土固化技术的快速发展,开发了多种固化剂1-2。固隧道建设(中英文)第 43 卷化剂已从单一无机黏合剂发展为多种复杂和综合的化学物质3-4。然而,加固效果差别很大,特别是在加固高含水量、细颗粒的软土时,存在固化剂用量高、强度低、加筋土均匀性差等问题5。随着国家粤港澳大湾区战略发展规划建设的展开,珠海经济特区建设进入新的历史阶段。越来越多的地层资料揭露显示,横琴岛地层多为软弱土层,尤其是临海区域的淤泥、淤泥质土。该类土层具有孔隙大、含水量高、压缩性高、有机质丰富等特点,工程性能差,城市道路建设易发生不均匀沉降,地下工程施工时极易变形和坍塌6。因此工程建设前期,必须通过勘察资料了解建设场地主要地层的工程特性,并采取有效的软弱土层处理措施。本文以横琴杧洲跨水隧道陆域盾构软弱地层加固工程为背景,分析加固区域的工程特点及地层工程物理力学特性,开发一种新型软土固化剂用来软土地层的加固。通过室内试验、加固机制以及现场试验等手段进行分析。1 工程概况及风险分析1.1 工程概况横琴杧洲隧道工程穿越马骝洲水道,北岸接环港东路与洪湾大道交叉口,南岸接厚朴道。隧道主体为双管单层双向 6 车道盾构隧道,盾构外径为 14.5 m,包含隧道段、工作井、明挖暗埋段、敞开段,左线全长1 995 m,其中盾构段长945 m;右线全长2 032 m,其中盾构段长 978 m。北岸 LK1+163+240 为盾构陆域(长度 77 m),隧道顶部埋深小于 0.7D(约 10 m),加之隧道穿越地层为软弱土层,需进行三轴搅拌加固处理。1.2 工程风险分析据勘察报告,场区第四系覆盖层主要为人工填土层(Qml)、海陆交互相沉积的淤泥、淤泥质土、黏土层(Qmc4)、砂岩残积土(Qel4)和下伏的全风化、强风化砂岩。隧道上部、穿越及下方的海陆交互相沉积的淤泥、淤泥质土对隧道结构的稳定至关重要。加固区土层相关物理力学参数如表 1 所示。软弱土层孔隙比大,地下水 pH 值为 67,呈偏中性,含水量均大于液限,呈流塑状,塑性指数均大于 17,说明土层黏粒含量高,土的表面活性高,可压缩性高,强度及承载力低7,工程性能差。隧道断面及底部的淤泥层、淤泥质土层,分布于人工填土层之下,局部层底夹杂石英碎石,且存在有机质和腐殖酸,腐殖酸类型为黄腐酸,有机质含量为2.81%。通过地层物理力学参数分析,土体呈流塑状且孔隙比大、强度低。当盾构掘进至该区段时,在施工扰动、土体工程性质差及隧道覆土较浅等多种因素下,施工极易导致地层沉降、隧道塌陷、泥水涌出,浅埋时易坍塌至地表。在隧道运营期,不均匀固结沉降将导致隧道结构破坏。表 1 北岸陆域软弱土层物理力学参数Table 1 Physico-mechanical parameters of soft soil layer in north shore land area土层名称含水量/%渗透系数/(cm/s)孔隙比内摩擦角/()淤泥 602.410-71.622.73淤泥质土533.210-71.453.67北岸的浅埋段覆土中赋存的孔隙潜水,水量较大,与海水互为补充。平均水位埋深 0.72 m。浅埋段施工时土拱发展至地表形成贯通地表的滑动面,在地下水升降交替作用下,地表发生更大沉降甚至坍塌。场地的环境类别为类,当混凝土长期浸水时,地下水对钢筋混凝土结构中的钢筋有微腐蚀性8。因此必须考虑地下水的微腐蚀所导致的加固失效问题。综上分析,盾构施工进入软土地层浅埋段施工存在较大风险,需对临海浅埋软土段进行加固。2 工程加固设计及问题2.1 工程加固设计参数基于北岸陆域隧道浅埋段盾构工程地质施工风险分析,施工前进行三轴搅拌桩加固,盾构拱顶以上 3 m范围采用高掺量满堂强加固,盾构拱顶以下采用高掺量格栅强加固,纵向支撑间距为 2.4 m,盾构拱顶以上3 m 至地面采用低掺量弱加固。采用 850 mm 600 mm 三轴搅拌桩,加固范围为现状地面至底部穿透淤泥不小于 1 m,两侧 3.375 m,桩长 28.434 m。北岸陆域浅埋段三轴搅拌桩加固设计如图 1 所示。隧道顶至地面弱加固区域采用掺量为 5%搅拌桩,隧道断面范围及隧道底部加固区域采用掺量 20%的搅拌桩,原设计加固材料为普通硅酸盐水泥,水灰质量比为1.5,要求加固体 28 d 强度不低于 0.8 MPa。图 1 北岸陆域浅埋段三轴搅拌桩加固设计图Fig.1Reinforcement design drawing of triaxial mixing pile in shallow buried section of land area on north bank2.2 工程加固存在的问题分析施工前,按照以上设计参数进行工艺试桩 3 根,28 d 后取芯发现加固体完整性极差,尤其在淤泥及淤041增刊 1彭元栋,等:新型软土固化剂加固软土试验及应用研究泥质土层中不成桩,加固体强度及完整性均无法满足加固体设计要求。结合加固范围内水文地质情况及水泥固化土的原理进行分析,水泥搅拌成桩效果差的原因:1)采用水泥搅拌加固后,水泥水化过程中大量的 CaO 和 OH-被土吸收9,导致土中水化胶凝体 C-S-H 的生成量处于不饱和状态,无法有效胶结土颗粒;2)水泥加固范围内的淤泥、淤泥质土孔隙比大,黏质颗粒含量高,表面活性高,加固土内部孔隙无法被填充;3)土层含水量高,水化反应生成胶凝体过程中能吸收的土中水有限,导致形成的加固体内仍然含有一定量的自由水;4)加固土体临海,地下水和海水互补,对水泥混凝土有微腐蚀作用,对加固体的形成可能存在不利影响,从而无法充分反应形成有效的加固体。因水泥搅拌加固无法达到设计要求,引入公司研发的新型 GS 系列软土固化剂,研究其用于本工程三轴搅拌桩加固软土的可能性。3 试验设计及结果分析3.1 试验设计过程室内试验按照 JGJ/T 2332011水泥土配合比试验规程10进行,首先将现场采集淤泥土进行风干,碾碎,并通过 5 mm 筛进行过筛;确定试验所需风干土的质量;根据设计要求的水泥掺入比基准值,确定掺入的软土固化剂掺入量为 6%、8%、10%、13%,同时设置20%掺量的水泥作为对照组;将风干土与固化剂进行搅拌混合,并按照设计要求的水灰质量比 1.5 配置一定量的浆液,并低速搅拌 3 5 min,直至搅拌均匀为止;将搅拌均匀的浆体倒入 70.7 mm 70.7 mm 70.7 mm 的模具振捣均匀,直至表面无气泡,刮平表面,放置在养护箱(20,湿度90%)进行养护,贴好标签,养护 2 d 后进行脱模。每种配比试验制作 2 联10 试块,按照不同固化剂掺量的试块作为本组配比下对应龄期的无侧限抗压强度,试块在标准养护室分别养护 7 d 和 28 d 进行无侧限抗压强度测试。不同掺入比固化剂与 20%水泥固化体强度对比如图 2所示。3.2 固结体无侧限抗压强度分析随着固化剂掺量的增加,固化体的无侧限抗压强度出现明显增加现象。养护龄期 7 d 时,固化剂掺量为 8%的固结体强度已经超过水泥掺量 20%组;当固化剂掺量为 13%时,固结体强度为 1.64 MPa,较水泥20%掺量强度增加 162%。当养护龄期达到 28 d 时,各试验组强度均有所增长,强度发展趋势和 7 d 龄期类似;水泥 20%掺量组后期强度发展显著,略超固化剂 8%掺量组,但较固化剂 10%、13%掺量组仍有明显差距;13%掺量固化剂的固结体强度为 2.48 MPa,较水泥 20%掺量组强度增加 91%,且满足设计要求。(a)7 d 无侧限抗压强度测试(b)28 d 无侧限抗压强度测试图 2 不同掺入比固化剂与 20%水泥固化体强度对比图Fig.2Strength comparison between curing agent with different mixing ratios and 20%cement curing body4 新型软土固化剂加固机制分析4.1 固化剂组成成分新型软土固化剂主要采用少量水泥、矿渣粉、脱硫石膏及针对不同土层的定向反应激发剂等加工而成。新型软土固化剂组成成分如图 3 所示。图 3 新型软土固化剂组成成分Fig.3 Composition of new soft soil curing agent141隧道建设(中英文)第 43 卷4.2 固化剂加固机制固化剂在水环境下与土粒之间发生一系列的物理化学反应,水化生成水化硅(铝)酸钙凝胶、水滑石、钙矾石(AFt)和单硫性水化硫铝酸钙等。在水化过程的几小时内,钙矾石相以凝胶状析出,慢慢长成针棒状“束缚”土壤颗粒,从而固结体具有更高的早期强度。新型软土固化剂加固机制如图 4 所示。相比单纯水泥具有更加充分的水化反应及二次水化反应,能够使土壤中的自由水转换为结晶水,有效固定了土颗粒并填充了胶凝体及颗粒间孔隙11-14。图 4 新型软土固化剂加固机制Fig.4 Reinforcement mechanism of new soft soil curing agent固化体能够充分吸收自由水,生成有利于固化体强度建立的胶凝相物质。固化体形成过程中,在水化生成 C-(A)-S-H 凝胶团粒的同时,富含 Ca2+、Al3+、SO2-4等离子物质的原材料,在浆体孔隙液中被定向诱导生成钙矾石(AFt)等水化产物。相比于 C-(A)-S-H 凝胶物质,AFt 更适合在胶结微细颗粒中快速形成胶凝结构13。当新型软土固化剂浆体孔隙液中含有Al(OH)4-、Ca2+等离子时,可迅速结合形成钙矾石,其反应式简化为3CaSO4 2H2O+2Al(OH)-4+3Ca2+4OH-+20H2O3CaOAl2O33CaSO432H2O。由反应方程式可以看出,AFt 水化产物生成过程可生成 32 个结晶水,相比水泥水化能够吸收更多的自由水,从而进一步提高了软土加固体强度,室内试验强度数据也明显印证了这一点。固化反应能够生成保持强度长期稳定的结构,固化体生成过程中,除了能够生成部分凝胶状水化产物外,同时还生成适量的针棒状钙矾石(AFt)搭接在颗粒之间,在结构中起到“拉筋架桥”作用,并伴随着龄期发 展,加 固 土 体 内 形 成 了 强 度 较 高 的 凝 聚 结构15-18。4.3 钙矾石稳定性分析试验中还测试了钙矾石的强度骨架在不同温度条件下的稳定性,结果显示在 70 以下时,强度骨架不受影响。在 7080 钙矾石内部吸附水开始脱离,并与溶液中 AlO2-反应转化为低硫型水化硫铝酸钙(AFm 相)。当温度达到 100 左右时失去部分结晶水,230 左右时失去大部分结晶水,温度达到 400 左右时,结合水全部失去,胶凝体强度完全消失19-20。而在正常温度条件下,钙矾石强度可在常温、富水环境中保持稳定,对固结土的强度长期稳定有积极作用。综上所述,本工程处于珠海横琴,地层土体淤泥、淤泥质土孔隙比大、含水量高,土颗粒黏度(黏性)高,从加固机制角度考虑,所研发的新型软土固化剂用于本工程软土加固是可行的。5 现场试验及工程应用5.1 现场完整性试验为了进一步确认新型固化剂应用于本工程的可行性,于 2021 年 10 月进行了现场试桩。现场试桩以室内试验结果为基础,选用固化剂掺量 13%、水灰质量比 1.5,试桩 3 根,28 d 后对 3 根桩进行随机取芯测试,并对比之前水泥搅拌桩取芯的结果。现场试桩桩长 31 m。发现除表层人工填土层搅拌成桩完整性较差之外,其余深度成桩效果好,芯样完整性良好。无侧限抗压强度试验试块如图 5 所示。(a)(b)(c)(d)图 5 无侧限抗压强度试验试块Fig.5 Unconfined compressive strength test block5.2 现场试桩强度试验现场将所取芯样按照不同深度进行密封,寄送至试验室,进行不同深度的无侧限抗压强度试验。因试样数量较多,每 5 m 制作 2 个试块进行强度试验,试验结果如表 2 所示。结果表明,固化剂三轴搅拌桩芯样各个深度的无侧限抗压强度值均大于设计要求(0.8 MPa),最小值1.86 MPa,整桩芯样平均值 2.47 MPa,从芯样不同深度的试块无侧限抗压强度结果看,每个深度测试强度平均值大致处于 23 MPa,分布较均匀,整个桩长加241增刊 1彭元栋,等:新型软土固化剂加固软土试验及应用研究固体强度均满足要求。可见固化剂对于本工程淤泥、淤泥质土及高含水量的黏土层加固效果好,可用于本工程北岸软土层三轴搅拌加固。表 2 固化剂三轴搅拌桩芯样不同深度无侧限抗压强度统计表Table 2Statistics of unconfined compressive strength of coring sample of triaxial mixing pile at different depths reinforced by curing agent 编号取样深度/m无侧限抗压强度/MPa平均强度/MPa总强度平均值/MPa1052510310154152052025625302.943.281.862.102.532.712.632.531.952.732.262.143.111.982.622.582.342.202.475.3 工程应用为确保固化剂三轴搅拌桩加固质量,现场应用固化剂进行三轴搅拌桩施工。搅拌桩采用标准连续方式施工,盾构陆域软基处理时,应搭接施工;固化剂三轴搅拌桩按照水灰质量比 1.5,固化剂掺量 13%施工,在临海较近段软弱土层适当增加固化剂用量。北岸盾构陆域(LK1+163+240)所有三轴搅拌桩施工完成后,施工单位按照相关规范对搅拌桩固结体尺寸、搭接宽度、质量、截水效果、桩身强度进行了抽检,检测结果均符合相关验收规定。6 结论与讨论针对珠海杧洲隧道工程北岸陆域盾构隧道软弱土层,选用不同掺量的固化剂,以无侧限抗压强度和芯样完整性为指标,探讨了固化剂的固化机制,通过室内试验和现场试验确定了固化剂的最佳配比,并进行了现场应用。解决了水泥固化剂加固软土强度不足及完整性差的缺陷,结论如下:1)水泥用于三轴搅拌加固该场区地层时,无法成桩。利用自主研发的新型软土固化剂进行加固,结果表明该固化剂凝结了土体颗粒团粒并充填了孔隙,同时能够建立强度较高且性能稳定的强度骨架结构,从而有效加固了大孔隙、高含水量软弱土层。2)采 用 固 化 剂 13%掺 量 的 固 化 体 强 度 为2.48 MPa,相比 20%掺量的水泥固化体强度增加91%。现场选用 13%掺量进行三轴搅拌试桩,28 d 后取芯芯样完整,不同深度的试块无侧限抗压强度平均值处于 23 MPa,分布较均匀,成桩效果好。3)北岸盾构陆域采用研发的新型固化剂按照掺量 13%进行三轴搅拌施工,施工后抽检结果显示,搅拌桩固结体尺寸、搭接宽度、质量、截水效果、桩身强度均符合要求,相比水泥而言,可节约成本 15%30%。由于条件有限,本文只从固化土强度这一宏观力学性质对珠海杧洲隧道软弱土层的固化效果进行探讨,没有对固化土微观结构的变化进行研究分析。下一步将利用扫描电镜等技术手段,对固化土的固化机制进行详细研究,同时需扩大在复杂地层的适用性研究。参考文献(R Re ef fe er re en nc ce es s):1 沈政,陈龙,陈永辉,等.滩涂地区软土就地固化技术J.科学技术与工程,2021,21(16):6815.SHEN Zheng,CHEN Long,CHEN Yonghui,et al.In-situ solidification technology of soft soil in beach area J.Science Technology and Engineering,2021,21(16):6815.2 王安辉,黄展魏,詹其伟,等.再生骨料-工业废渣协同固化软土的力学特性及机理分析J.材料导报,2022,36(增刊 2):222.WANG Anhui,HUANG Zhanwei,ZHAN Qiwei,et al.Mechanical properties and mechanism of soft soil solidified 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