型钢水泥土复合搅拌桩用新型水泥土研究

申晓明,高春蕾,孙 佳,姚云飞,池 帅,张琳娜

(1.中交路桥华东工程有限公司,上海 201203;2.中国建筑科学研究院有限公司,北京 100013; 3.建筑安全与环境国家重点实验室,北京 100013;4.国家建筑工程技术研究中心,北京 100013)

型钢水泥土复合搅拌桩支护结构,也称为SMW(Soil Mixing wall)工法。SMW工法的基本原理是在水泥土深层搅拌桩中插入型钢形成一种新颖的桩排式地下连续墙。基于软土基坑的复杂性和特殊性,型钢水泥搅拌桩作为一种新型的施工技术在深基坑支护设计施工中已被推广应用,尤其在土质松软、含水量较大等地质环境差的工程中,型钢水泥搅拌桩具有支护性能好、施工便捷、止水效果好、造价低、型钢可回收利用等特点,其应用越来越广泛。水泥土搅拌桩将水泥粉末或水泥浆通过动力泵送到地下,采用搅拌叶将其与软弱土体进行充分搅拌使之形成桩体。型钢水泥土搅拌桩中水泥土不仅起到基坑隔水作用,更重要的是还承担着对型钢的包裹嵌固作用。型钢水泥土搅拌桩的设计施工参数,例如水泥和土用量比例,目前多凭借经验施工法开展相关工作,施工质量难以得到保证。

随着国家双碳战略发展的要求,固废综合利用的不断推进,国内外学者从水泥土配比各项影响因素出发进行的相关技术研究也不断增多。魏建平[1]通过进行水泥土搅拌桩室内配合比试验发现抗压强度随水泥掺量提高而增加、随龄期增长而增大,不同地基土,水灰比的选择也会有所不同。阮波等[2]对淤泥质粉质黏土水泥土进行室内配比试验,研究发现水泥标号对水泥土无侧限抗压强度的影响最大,其次是水泥掺入比,影响最小的是含水率。沈建国等[3]研究发现使用大掺量掺合料可以保证水泥土的力学性能,也可以提高复合地基水泥土的防腐蚀性能。徐威等[4]研究发现石粉作为一种外掺剂能大幅提高水泥土的强度。综上可以看出通过调整相应的水泥土配比掺加一定量掺合料可以改善相应的力学、防腐等性能。

论文以阜宁县棚户区改造(湖畔景苑)EPC工程总承包项目为依托,通过对该项目搅拌支护桩涉及的填土、粉质粘土、灰色淤泥质粉质粘土进行相关试验,得到了相应的无侧限抗压强度影响规律。

1 试 验

1.1 试验材料

试验用土为阜宁县棚户区改造(湖畔景苑)EPC工程总承包项目现场土样,三层土样勘探结果数据如下:1层素填土:杂色,结构松散,湿-很湿,主要成分为粉质黏土,夹少量碎砖、石子等建筑垃圾,上部含大量植物根茎,土质不均匀。场区普遍分布,为人工填土。2层粉质黏土:灰黄色,可塑向下渐变软塑,饱和,含少量铁锰质氧化物,土质欠均匀。3层淤泥质粉质黏土:灰黄-灰色,流塑,饱和,不均匀夹少量粉性土或粉砂薄层(单层厚度2～5 mm),具微层理,土质欠均匀。其中,粉质粘土、淤泥质粉质黏土指标见表1。

表1 现场土样物理力学指标

试验用水泥选用江苏八菱形海螺水泥生产的普通硅酸盐水泥PO42.5,相关指标见表2。

表2 水泥化学成分

试验用土固化剂采用双组分,组分1与组分2相关指标,见表3。

表3 固化剂主材化学成分 /%

1.2 试验方案与试样制备

依据该项目设计图纸相关规定,工程基坑总体采用双轴水泥土搅拌桩坝体(内插H500×300×11×18型钢)、放坡相结合的围护形式。采用PO42.5级普通硅酸盐水泥,要求水泥应新鲜、干燥、无结块现象。

采用胶凝材料纯水泥和固化剂掺加土样进行相关试验,掺加比例为胶凝材料/(土样+胶凝材料),具体见表4,土流动度控制在(170±10)mm。

表4 胶凝材料掺加比例

1.3 无侧限抗压强度试验

依据JGJ/T 233—2011《水泥土配合比设计规程》附录B.2的相关试验方法进行相关试验和结果计算。

2 结果与分析

2.1 抗压强度结果

分别测试试块7 d、14 d、28 d抗压强度结果,具体见表5、图1。

表5 试件抗压强度检测结果

依据试验结果可以看出:1)随着固化剂的掺量增加,素填土、粉质黏土、淤泥质粉质黏土抗压强度均增加;2)素填土与粉质黏土在固化剂掺量10%、淤泥质粉质黏土在固化剂掺量12%即可达到设计要求的0.8 MPa;3)素填土、粉质黏土、淤泥质粉质黏土在固化剂掺量14%时的试件抗压强度均高于掺加水泥15%的试件抗压强度;4)掺加水泥和固化剂的试件,随着龄期的增长,抗压强度均增长。

2.2 成本分析

每吨土所需固化胶凝材料掺加量与价格成本见表6。

表6 胶凝材料掺加量与对应成本

按照设计要求,水泥土28 d无侧限抗压强度需大于0.8 MPa。根据已满足设计指标的相关试验结果为基础,按盐城区域固化剂原材料购入成本价和水泥交易价格计算,即使按照固化剂最大掺量14%,每方土最终经济成本仍可以降低约11.7%,因此采用固化剂替换部分水泥进行土体固化经济效益显著。

3 结 论

通过控制不同影响因素,开展了水泥土配合比试验,研究了阜宁县棚户区改造(湖畔景苑)EPC工程总承包项目现场土样配制的水泥土的力学特性,并对比纯水泥进行了经济性分析。

a.在相同养护龄期内,随着水泥或固化剂掺入比的增大,水泥土的无侧限抗压强度均提高。

b.掺加水泥和固化剂的试件,随着龄期的增长,抗压强度均增长。

c.掺加固化剂的水泥土抗压强度可以达到设计指标要求,且掺加量少于水泥掺加量。

d.采用固化剂替换部分水泥进行土体固化经济效益显著。