基于黏土固化的樁基溶洞回填結構體研究與應用

高承明

（中鐵一院集團南方工程咨詢監理有限公司，甘肅 蘭州）

1 黏土固化及快速凝結試驗

1.1 試驗模型

從水泥與礦渣開始研究不同配比下對工程所用黏土綜合經濟效益以及固化速度的配比。綜合比較上述試驗結果，并以試驗結果為基礎單摻不同含量的Na2SO4[1]，并找到最優配比。最后在前兩者的基礎上進行復摻Na2SO4和CaO 的配比試驗，找到的綜合效果最好的實驗結果即為試驗最終配比。以下采用三種配比方案開展相關試驗：

配方1：水泥+礦渣比例配方試驗。分為5 組，摻加的水泥和礦渣的比例分別為1:9、3:7、5:5、7:3、10:0；

配方2：水泥+礦渣+單摻Na2SO4。分為4 組，摻加的Na2SO4的比例分別為10%、20%、30%、40%；

配方3：水泥+礦渣+復摻Na2SO4和CaO。分為3組，摻加的Na2SO4的比例為30%，CaO 比例分別為10%、20%、30%。

1.2 試驗步驟

（1） 將工程用土烘干后，用橡膠木槌將黏土擊碎并過篩；

（2） 將水泥、礦渣、Na2SO4、CaO 攪拌均勻，每種料加入順序無要求，但須逐一加入[2]；

（3） 將步驟（1）中干土和步驟（2）中攪拌好的固化劑一起倒入拌和機內，并用低轉速對混合料攪拌60 s；

（4） 攪拌結束后，往拌和機內分兩次加水。每次加水后攪拌2 次，第一次采用慢速攪拌，攪拌時間為60 s，第一次攪拌結束后停止攪拌15 s，再提高轉速攪拌一次[3]，攪拌時間為45 s；

（5） 將混合料壓入模具成型，自然養護。養護結束后，通過測量維卡儀試針與模具底部的高度來表征固化速度。在同一時間段內試針與其底部高度越大，表明固化速度越快，反之越慢[4]；

（6） 讀數。養護開始后，在前6 h 應加大測量頻率[5]，每半小時測一次，以后可每12 h 對其測一次，每一組試驗對象均進行5 次測試。

1.3 試驗結果

（1） 配方1 各組試驗結果見圖1。試件距模具底高度代表土體固化效果，增長率代表土體固化速率。

圖1 水泥礦渣凝結時間試驗綜合分析圖

從圖1 可以看出，除第3 組（水泥：礦渣=5:5）外，其余各組試針距模具底高度均呈上升趨勢。其中第1組（水泥：礦渣=1:9）試針距模具底高度最小，為24.75 mm；第4 組（水泥：礦渣=7:3）試針距模具底高度最大，達到了36.5 mm，且第4 組前期增長率也最快。針對第3 組試驗結果，由于從24 h 開始每12 h 的增量的絕對值始終小于等于1 mm。

（2） 配方2 各組試驗結果見圖2。其中水泥：礦渣=3:7。試件距模具底高度代表土體固化效果，增長率代表土體固化速率。

圖2 水泥、礦渣單摻Na2SO4 凝結時間綜合分析圖

從圖2 可以看出，6 h 和12 h 處，Na2SO4摻量分別為10%、20%、40%時的高度極其接近。10%摻量與20%摻量曲線在6 h～72 h 內增長趨勢與不添加Na2S O4的曲線增長趨勢相似，并且20%摻量曲線從24 h 處開始，試針高度始終高于10%摻量曲線。從12 h 處開始，40%摻量曲線脫離10%和20%曲線轉而靠近30%摻量曲線。隨著Na2SO4摻量的增加，在6 h 處的固化程度并沒有顯著的增加，即Na2SO4能加快水泥與礦渣（配比為3:7）的固化速率，但是其摻量的變化對前6 h固化速率影響有限，而就最終的固化高度而言，Na2SO4摻量為30%時最高，再提高其摻量時，固化高度反而隨之減小。即固化效果并非隨著硫酸鈉含量的增加而無限增加。比較單獨時間點下，5 種不同摻量的試針距模具底高度，30%摻量下的高度始終高于其余4 種配比，即30%摻量的硫酸鈉為5 種配比種的最優配比。

（3） 配方3 各組試驗結果見圖3，其中水泥：礦渣=3:7，Na2SO4摻量為30%。試件距模具底高度代表土體固化效果，增長率代表土體固化速率。

圖3 水泥、礦渣復摻Na2SO4 和CaO 凝結時間綜合分析圖

從圖3 可以看出，隨著CaO 含量的增加，在6～12 h 內四種配比的固化速率出現了先增大后減小的現象。相對的由于模具高度的限制，添加了CaO 的三種配比在24 h 處就已經接近或到達了模具的最大高度，導致了在6～12 h 內固化速率最快的20%CaO 反而在三者中最小，但不意味著復摻Na2SO4+CaO 對土壤固化的效果在6～12 h 內有大幅度的下降。在12 h處試針高度由低至高排序為（CaO 摻量）：0%，10%，30%，20%，而24 h 處20%，30%的高度一致并且高于10%和0%。在試針高度與固化速率這兩項指標中，20%都為最優摻量。

綜合上述試驗結果，最終確定水泥礦渣質量比3：7，復摻30% Na2SO4+20%CaO 為最佳配比。

2 溶洞回填結構體設計與制作

2.1 回填結構體設計

回填結構體設計為一種殼狀結構物，見圖4。

圖4 回填結構體三維示意圖

殼狀結構物形似一只碗，但具有一定厚度，碗底厚度略高于周邊厚度，并在底部挖空，目的是減少殼狀結構物的質量，提升內部空間大小。選用該殼狀結構物、卵石及碎石在室內進行材料堆積空隙率試驗，殼狀結構物空隙率最大，達到了61.4%；碎石次之，為52.8%，卵石最小，僅有45.2%。因此，相較于傳統片石，擁有更大的孔隙率，更能減少堆積土體的黏土用量。

2.2 回填結構體制作

（1） 模具制作。模具分為凹模和凸模兩部分。凹模由邊長為600 mm，高度為350 mm 的長方體挖去一個半徑為200 mm 的半球體構成，并在凹模頂部位置預留4 個半圓柱體空隙。與凹模類似，凸模為相同尺寸的物體，并在表面保留一個半球體，半球體半徑比凹模小100 mm，模具均為鋼筋混凝土制作而成。

（2） 殼狀回填結構體制作。為實現模具中擠壓黏土的作用，需要在凹凸模分別施加作用力?，F場可采用借助重力的方式實現擠作用。具體做法：將凹模平放地面，凸模置于凹模上方并吊起，再通過控制凸模做上下垂直運動，與凹模共同形成擠壓作用?，F場制作殼狀結構物裝置見圖5，該裝置采用鋼筋焊接而成。

圖5 殼狀結構物制作裝置

3 工程應用實例

某高速鐵路大橋位于巖溶發育區，地下結構復雜，樁基礎施工時經常遇到穿越溶洞的情況。根據地勘資料，有針對性選取了4 根樁基，編號為左幅14-0、左幅14-1，右幅29-0，右幅29-1。各樁基溶洞分布及處理情況見表1。分別采用回填片石+黏土和回填殼狀結構體+黏土的方式封堵溶洞，統計回填次數、回填量、穿越溶洞所需時間、使用混凝土方量等指標。

表1 溶洞處理表

從表1 可知，相比于傳統方法（回填片石+黏土），采用該創新方法（回填殼狀結構體+黏土）可平均節省溶洞回填用料約30%，減小回填次數約32%，縮短工期約30%，特別對于一些中大型復雜串珠型溶洞而言，在節約用料、減小回填次數、縮短工期及減少混凝土超方方面效果更加顯著。

該成果先后在該高速鐵路多個標段橋梁樁基施工中進行了測試和推廣應用。結果表明，采用殼狀結構物+黏土封堵溶洞具有可行性和推廣應用前景。為巖溶區樁基施工難點提供了新的技術支撐，在節約用料及縮短工期方面效果明顯。項目結束后，經綜合估算，該項技術為本項目創造直接及間接經濟效益2 000 萬元以上，具有顯著的經濟效益。

4 結論

為解決巖溶地區樁基施工的塌孔、漏漿等問題，開展了相關研究，研制了適用于溶洞回填的黏土快速固化配合比及黏土固化成型的回填結構體，提出了一種新的巖溶地層樁基溶洞黏土固化與結構成型回填施工方法。

（1） 在30%水泥70%礦渣配比基礎上，復摻30%Na2SO4與20%CaO 加速黏土固化的效果非常顯著，所需時間僅為6.6 h。

（2） 30%水泥+70%礦渣復摻30%Na2SO4與20%CaO 后的復合材料的黏聚力較高，并使黏聚力的增長速率在一定時間內維持在較高的水平。

（3） 由于殼狀結構體堆積時空隙率較高，能達到61.4%，相較于傳統片石，擁有更高的孔隙率。

（4） 該結構體用于處理樁基溶洞時，效果非常明顯，可平均節省溶洞回填用料約30%，減小回填次數約32%，縮短工期約30%，經濟效益顯著。