水泥土在水闸基坑管涌破坏中的应用

刘 刚 ，夏庆云 ，吴文华 ，金爱妹

（1.浙江广川工程咨询有限公司，浙江 杭州 310020；2.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020）

1 问题的提出

水泥土是把一定数量的硅酸盐水泥、土或骨料，加水拌合后形成的一种地基材料。水泥土目前广泛应用于地基处理、路基改良、渠道防渗、基坑围护、软土加固等。目前对水泥土性能及其在工程中的应用研究比较广泛。殷仕颖对过去学者关于水泥土强度的影响因素及其作用机理的研究内容进行部分总结，提出水泥土强度的不同环境因素的影响规律，对增强水泥土强度具有指导意义[1]。芮凯军等选取3种土样，按不同的水泥掺入比，研究不同土质水泥土无侧限抗压强度和渗透系数的差异[2]。徐海波等通过分析和归纳近年来水泥土研究成果，总结水泥土的渗透和强度特性，提出水泥掺入比是影响水泥土渗透和强度的主要因素，渗透系数随掺入比或龄期的增加而减小，并趋于一定值[3]。龚晓南等对水泥土复合地基和上部结构共同作用分析，复合地基优化设计和按沉降控制设计，复合地基工程应用及实例进行研究[4]。

本文以浙江省某水闸工程为例，对水泥土在水闸基坑管涌破坏中的应用措施及处理效果进行分析论证。

2 水泥土的特性

2.1 水泥土的材料

除有机土、高塑性的黏土和反应不良的砂质土外，几乎一切种类的土都可用作水泥土。最好采用粒状土，因其比细粒土更易于弄碎和拌和，需用的水泥量也最少。就黏土来说，细粒土一般需要较多的水泥来满足硬化，通常也较难弄碎进行适当的拌和。水泥土的材料有水泥、外加剂、水等。

（1）水泥。水泥土对水泥的需要量取决于土的种类和性能。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，对水泥的需要量也越大。

（2）外加剂。水泥土常用的外加剂主要有三乙醇胺、硫酸盐、粉煤灰、纳米硅、纤维和水玻璃等，不同种类的外加剂水泥土的力学性质有所不同。

（3）水。水泥土的含水率通常为烘干水泥土重量的10.0% ～ 13.0%。饮用水或其他比较干净的水，酸、碱或有机质的含量未达到有害程度的水均可使用。氯化物有利于水泥土的早期强度。

2.2 水泥土的强度特性

水泥土强度增加的主要原因是产生的水化物充填土颗粒之间的孔隙，增加颗粒之间的粘结力；同时胶体材料粘在土体颗粒表面，增大颗粒的接触面积，使凝聚分量增大。因此，水泥土内摩擦角和粘聚力相对于土体材料增大。

水泥土的强度指标，以水泥土试样的无侧限抗压强度fcu来表征。影响水泥土强度的因素很多，主要有水泥掺入量、龄期、水泥的标号、矿物成分、细度、土体的含水率、有机质含量、围压、温度及外加剂等[5]。

无侧限抗压强度与水泥掺入比关系曲线见图1。水泥土的抗压强度随水泥掺入比的增加而增大，如不掺入外加剂的试样，龄期同为28 d，在水泥掺入比分别为7.0%、12.0%和16.8%时，水泥土强度比为1∶1.99∶4.27；当水泥掺入比为7.0% ～ 12.0%时，水泥土90 d龄期抗压强度几乎随水泥掺入比的增加而呈正比增长；当水泥掺入比为12.0% ～16.8%时，抗压强度的增长比例则明显高于水泥掺入比的增加比例，水泥掺入比较高时，其强度增长幅度也较大。

图1 无侧限抗压强度与水泥掺入比关系曲线图

对水泥土无侧限抗压强度与水泥掺入比的关系曲线，按二次抛物线进行回归分析，即

式中：fcu为无侧限抗压强度，MPa；αw为水泥渗入比，%；A，B，C为回归系数。

拟合结果表明：不管龄期多长及是否添加外加剂，各曲线拟合相关系数均在0.982以上，说明二次抛物线方程表达水泥无侧限抗压强度与水泥掺入比之间的关系是合适的。

2.3 水泥土的渗透特性

水泥与土中水发生水解反应，生成氢氧化钙、含水硅酸钙、含水铝酸钙、含水铁酸钙和水化硫铝酸钙等细颗粒胶体物质，部分颗粒填充于土体颗粒间，减小颗粒间的孔隙，甚至阻断连通的孔隙通道，使水泥土渗透系数减小。

水泥土的渗透系数与水泥掺入比有明显关系，在满足渗透性要求的情况下，10.0%左右的水泥掺入比是最经济的，继续提高水泥掺入比并不能有效地减小水泥土的渗透系数。

在黏性土中将粉煤灰、石灰与水泥一起掺入形成水泥二灰土可有效减小水泥土的渗透系数，达到减料增效节约的目的；在粉土中将粉煤灰与水泥一起掺入可有效减小水泥土的渗透系数[6-8]。

3 工程实例

3.1 工程概况

浙江省某涵闸建筑物等级为3级，设计流量21.4 m3/s。尺寸为3.00 m×4.20 m（净宽×净高）。地基由表层向下依次为：Ⅱ2粉质黏土厚约0.70 m，中压缩性，属中等透水性，易冲刷破坏；Ⅱ3粉土厚约1.00 m，渗透系数较大，易产生渗透破坏；Ⅲ砂砾石地基厚约5.30 m，强度较高，厚度大，分布稳定，属中等 ～ 强透水性。土体物理参数见表1。

表1 土体物理参数表

外河侧常水位47.00 m，基坑设计底高程44.70 m。施工单位采用黏性土（黄土）围堰进行施工截流，未对围堰基础采取竖向防渗措施，导致基坑侧发生管涌破坏，基坑大量进水，施工无法进行（见图2）。

图2 水闸基坑管涌剖面图

大范围管涌发生后，参建单位对事故原因进行分析。主要原因是基坑内外侧水位差达到3.10 m，地基土层以砂卵石为主，渗透坡降较大，砂卵石土层颗粒级配差，导致细颗粒从粗颗粒缝隙中被渗水带出，发生管涌。由于发生管涌破坏，基坑地基承载力下降严重，施工人员很容易陷入地基 0.40 ～ 0.50 m。

3.2 处理措施

本项目工期紧，大范围管涌发生后，亟需解决干地施工和提高地基承载力的问题。而外河侧常水位由于功能需要，长期维持在47.00 m，无法降低外河侧水位再施工，需要考虑其他方案。

综合考虑降低措施成本、处理效果等，本次采取的工程措施为：①水平防渗措施：水闸基础采用水泥土置换压实（黄土+20.0%水泥+速凝剂），换填深度不小于1.70 m。②垂直防渗措施：水闸齿槽位置水泥土向下延伸1.50 m，延长渗径（见图3）。

图3 水闸基坑地基处理剖面图

3.3 施工过程

施工过程：①岸上制备水泥土：黄土+20.0%C30水泥+速凝剂，拌和均匀。②围堰基坑侧坡脚设置1.00 m厚土袋压重。③水下开挖换填区域土方。④将水泥土迅速填入开挖坑，回填压实。⑤待地基承载力满足要求后浇筑基础，在基础原管涌位置预留φ5PVC埋管，以便后期必要时对地基进行灌浆处理。

图4 水闸基坑水泥土处理后效果图

3.4 处理效果

水闸地基通过水泥土处理约7 d后，取得明显的防渗和提高地基承载力的效果。水泥土处理后地基管涌数量明显减少，7 d后水闸地基由原先10多处管涌减少至3处，且管涌渗流量明显减小；7 d后的地基承载力已由80 kPa提高至600 kPa，地基承载力明显提高，满足闸基设计承载力120 kPa。同时在基坑一侧设排水沟，通过水泵排除基坑渗水。水闸基坑水泥土处理效果见图4。

根据实验室试验成果[9]，不同龄期水泥土抗压强度随水泥掺量的变化见图5 ～ 7。水泥含量20.0%的水泥土，7 d龄期抗压强度达到1.2 MPa左右；随着时间的增长，水泥土的强度不断增加；28 d龄期水泥土抗压强度达到2.2 MPa左右，其28 d强度比7 d强度增长了83.3%；90 d龄期水泥土抗压强度达到3.2 MPa左右，其90 d强度比28 d强度增长了45.5%。本工程水泥土7 d龄期抗压强度达到600 kPa，明显小于实验室抗压强度值1.2 MPa，分析其原因，主要由于本工程地基土质与文献[9]中试验的土质条件不同，同时现场施工条件不如室内条件，土体水泥掺合的均匀程度以及养护条件等均可能影响土体的强度增长。

图5 7 d龄期水泥土抗压强度随水泥掺量的变化图

图6 28 d龄期水泥土抗压强度随水泥掺量的变化图

图7 90 d龄期水泥土抗压强度随水泥掺量的变化图

经水泥土处理后，水闸地基局部仍有少量管涌。经分析，主要是由于土层不均匀形成。7 d后基础管涌保持在置换初期产生的管涌数量，后期没有新的管涌产生。由于7 d后水泥土比较坚实，可以针对仍存在的管涌进行水泥封堵处理，并在浇筑闸底板过程中在管涌位置预埋φ5PVC管及地基沉降监测设备，在必要时进行基础灌浆。

经后期观测，水闸安全稳定运行。

4 结 语

（1）水泥土置换可有效的减小地基渗透性，提高土体的抗渗性能。水泥与土中水发生水解反应生成细颗粒胶体物质，填充颗粒间的孔隙，加强土颗粒之间的联系，甚至阻断连通的孔隙通道，本次采用水泥土处理管涌地基，以较小的代价取得良好的效果。

（2）水泥土置换还可以有效提高地基承载力，其强度受水泥用量、龄期、外加剂等因素的影响较大，当水泥掺量达到20.0%时，采用水泥土进行软弱地基处理可取得比较理想的强度提升效果。

（3）本工程水闸基坑属于低水头渗透破坏，水泥土置换取得良好效果，可为类似工程提供参考。但对于高水头的大型基坑渗透破坏，采用垂直截渗措施安全性更能够保证。