覆盖型岩溶地区成槽施工中填充材料的掺配优化研究

罗 柱

（广东建科源胜工程检测有限公司 广东东莞523710）

0 引言

⑴研究的背景和意义

岩溶现象的定义一直备受学术界的讨论，随着学者们的探索归纳，对岩溶的定义逐渐统一［1］：主要受地下水和地表水的影响，可溶性岩石受到破坏和改造的过程都统称为岩溶作用；学术界普遍把该现象分为化学侵蚀作用过程和外力作用过程，通过两种外力的综合作用，日积月累的就形成了地下形态、地表形态或者两者相结合的形态，此类形态均被称作岩溶地貌，也被称作卡斯特地貌。根据岩溶现象发生的位置和外露于地表的形状，把该现象分为地表和地下两种岩溶形态，且两者之间有着密切的关联，互相作用，很多地表形态都是岩溶地块内部作用的结果。

北江航道扩能升级项目建设中，白石窑枢纽船闸工程地处岩溶发育高度集中地区，地质勘探结果显示地基情况复杂，为顺利、有效地完成地下连续墙围堰施工，根据施工图专家评审意见，对临时工程地连墙施工增加溶洞处理措施。基于该工程在溶洞填充处理的施工工艺要求，结合现场地基勘探结果，对填充材料掺配进行优化处理，确保地下连续墙成孔效率性和工程施工的安全性，对于进一步提高施工过程中的经济效益具有很好的现实意义。

⑵研究的现状

通过收集相关文献可知，在溶洞处理的施工工艺上，采用最普遍的方法是先进行溶洞的地质勘探，了解溶洞的发育情况，然后进行填充处理后再成槽灌注。

石振明等人［2］提出在吉安永和大桥桩基部位施工中，针对地基基础岩溶大面积发育的情况，使用了片石、黄泥回填混合料进行溶洞内部的处理。

林开明［3］提出在雪峰大桥施工时，针对工程桩基础所处地区石灰岩溶蚀大面积发育，岩溶情况非常恶劣，工艺上采用了块石加黏土回填、灌注素混凝土等填充材料进行溶洞处理。

钟党磊［4］在广州市轨道交通五号线高架区间冲孔灌注桩基础成孔施工中提出，应对高架区间地基处于裂断带和溶洞等不良地段，采取了软塑粉质黏土和粉细砂进行填充处理。

李自峰［5］提出在北乡特大桥桩基础施工时，桩基础位处岩溶发育地区，勘探显示溶洞大部分为串珠状形态，现场采取了加压灌注浆液法、导管灌注砂浆法、填充黏性土及碎石法。

综合上述学者的研究成果，目前在溶洞处理工艺上，诸多的工程工艺采用的填充手段有：黏性土、片石、砂土、水泥浆、砂浆、素混凝土等，各种填充材料均是根据施工实际情况来进行选用，且各种填充材料的使用效果和经济性也各有优缺点。因此通过填充材料的材料级配、掺配优化，进一步改善填充工艺的效果和经济性是非常具有探索意义的。

⑶研究思路

北江航道扩能升级项目建设中，白石窑枢纽船闸工程在设计施工图中提出，溶洞地貌在进行处理时，需要先探明溶洞发育的分布情况和具体部位溶洞的深度、空间体积大小，分别采用不同的钻孔注浆方案进行处理。

①对于空间高度小于3 m 的溶洞（小型溶洞），先在溶洞外围进行钻孔注入水玻璃和水泥混合浆液作为格挡面，然后在溶洞中间部位钻孔注入水泥浆进行填充；

②对于空间高度大于3 m 的各种类型溶洞（含特大溶洞），可采用套管注水泥砂浆或水泥浆。

施工过程中发现了诸多的工艺问题：

①该工程临江而建，区域内流动地下水丰富，在处理大型、超大型溶洞时，注入水泥浆和砂浆受地下水活动影响，溶洞填充效果不理想，成槽进度缓慢，多次注浆后仍达不到理想的填充封堵效果。

②注入砂浆工艺中，需要消耗大量河砂，加大了施工成本。

③注入水泥浆的工艺需消耗大量的水泥原材，不利于有效控制施工成本。

因此，结合现场实际生产情况，为改善溶洞填充效果、提高施工经济效益、减少天然河砂的使用量，我们选用黏性土和水泥的混合材料进行填充。当处理大型、超大型溶洞时，在已成槽孔中投入块石，然后在块石的空隙间填充黏性土和水泥的混合材料。黏性土和水泥的掺配经过优化试验对比，结合本工程实际生产需要，选择最优的掺配方案，为灌注桩有效成槽提供保障，也进一步提高施工的经济性。

1 混合料试验

1.1 原材选用

1.1.1 黏性土

混合材料中的黏性土采用项目所在地附近开挖的一种低液限黏土（CL），该黏性土具有较好密实性和防渗透性，且颗粒分布较好，比较适合用于缝隙和溶洞填充，土的性能如表1所示。

表1 粘性土性能Tab.1 Clay Property

1.1.2 水泥

表2 水泥的性能Tab.2 Properties of Cement

1.1.3 水

本次拌和用水采用饮用自来水，符合《水工混凝土水质分析试验规程：DL/T 5152—2017》的标准要求。

1.2 混合料配合比设计

⑴ 参考《水泥土配合比设计规程：JGJ/T 233—2011》［6］，对本次混合料的配合比进行设计，具体按照以下的步骤进行相关参数的确定：①取样检测黏性土的天然含水率和天然密度值；②取样检测黏性土风干后的含水率；③确定水泥掺量；④根据工艺要求，确定水泥浆的水灰比；⑤根据以上参数，计算混合料中各种材料的用量；⑥进行混合料的适配试验；⑦最终确定水泥土的掺和比例。

⑵根据生产需要，水泥掺入比基准值选择水泥掺量为0%、6%、8%、10%进行4组配比试验，水泥浆水灰比选择0.5，1#～4#试验各适配材料用量如表3所示。

表3 每m3混合料掺配试验用量Tab.3 Mixing Test Dosage per m3

1.3 无侧限抗压强度试验

⑴本次试验方法采用文献［6］附录B 中B.2 方法进行，考虑施工工艺的要求，试验龄期选择养护天数为7 d［7］，在达到规定养护周期后，按照以下具体步骤进行试验：

①从养护室中取出试件，用毛巾擦干表面水分，将试块放置于垫板中心位置，注意试件承压面必须与成型一面垂直摆放。启动试验机后，需注意调节试验机球座的位置，保证上压板与受压面完全接触，均衡受力。

② 加载试验过程中，需严格控制速率范围在0.03～0.15 kN/s 之间，持续加载，直至破坏，记录试验的破坏荷载值。

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③该试验的无侧限抗压强度由破坏荷载和承压面积计算得到：

式中：fcu为该水泥土达到规定龄期后试件抗压强度（MPa）；P 为试件受压破坏后的荷载值（N）；A 为试件受压面的面积（mm2）。

⑵试验结束后，通过式⑴分别计算1#～4#试验中混合料抗压强度，以试验中掺加的水泥量百分比作为横坐标，对应的混合材料计算出来的抗压强度作为纵坐标，在图表中用曲线图绘制出两者的关系曲线，如图1所示。

图1 水泥掺量与无侧限抗压强度关系曲线Fig.1 Relation Curve between Cement Content and Unconfined Compressive Strength

1.4 渗透系数试验

⑴混合料渗透系数采用文献［6］附录B 中B.5 渗透试验进行试验，试验龄期选择养护7 d 试件进行试验［8］，试验应按下列步骤进行：

①到龄期后，从养护室把试件取出，脱模后使用湿抹布对试件进行擦拭，使试件表面无多余水分；使用密封材料在试件侧面进行全面涂抹，然后把试件安装到试模中，按要求将试模装入渗透仪，并把一干燥滤纸放置在试件上端面。

②按照试验规范要求，调节压力开关，进行逐级加压，当加压至最后一级压力后，目测有水珠从水泥土试件表面渗出，记录下有水渗出时的水压值，在该水压下，用量筒小心收集水泥土试件表面渗出的水量。

③使用滴定管读取水泥土表面收集的渗水量，记录此时水的温度。

④在加压试验中，通过观测试件渗水后的情况，确定试验需要加压的时间。

⑤当试件加压稳定后，需不定时观察滤纸部位，便于发现密封后的试件是否在其侧面渗水，若发现有渗水出现，要及时停止试验，把试件重新进行密封处理，确保试验的有效性。

⑥试验结束后，通过以下计算公式，求得该组试件的渗透系数值：

式中：kT为本次试验中水泥土试件在T℃水温下的渗透系数（cm/s）；t 为试验中收集渗出水量的时间间隔（s）；A 为计算受压截面积，由试件中间部位截面计算可得（cm2）；h 为渗透试验中水渗透的距离（cm）；V 为试验中用量筒收集的渗出水量（mL）；i 为水力梯度；p为试验中出现渗水时的水压值（MPa）；γw为水的重度（N/cm3），一般取值为0.0098 N/cm3；k20为水的测量温度在标准温度时，水泥土对应的渗透系数（cm/s）；ηT为温度为T ℃时，水的黏滞系数，通过查表可得；η20为温度为20℃时，水的黏滞系数，通过查表可得。

⑵根据式⑵～⑷分别计算1#～4#混合料的渗透系数，以水泥掺量为横坐标，对应的混合料渗透系数为纵坐标，绘制两者关系曲线如图2所示。

图2 水泥掺量与渗透系数关系曲线Fig.2 The Relation Curve between Cement Content and Permeability Coefficient

1.5 小结

⑴通过对抗压强度试验计算结果分析可以发现，在黏性土中加入一定掺量的水泥，经搅拌混合后，该混合料无侧限抗压强度值随着掺加的水泥量的增加而呈现线性递增的关系［9］，而掺加水泥量从0%增加至6%的陡增速度最明显，从6%～10%陡增速度逐渐放缓。

⑵通过分析渗透系数试验结果可知到，掺加不同掺量水泥的黏性土，该混合料渗透系数随着水泥掺加量的增加而呈现明显下降的趋势，特别是而掺量从0%增加至6%的下降最为明显，而掺量从6%～10%，渗透系数下降逐渐放缓。

⑶综上所述，掺加水泥的黏性土在抗渗性能和抗压强度上均有非常明显的改进，水泥掺量从0%～6%的变化，混合料的性能变化最明显。因此，结合白石窑枢纽船闸工程地质勘探情况和现场实际生产情况，经过溶洞处理试验方案论证，最终决定选择水泥掺量为6%作为施工指导配比。针对大型溶洞（6 m以上）、超大型溶洞（10 m 以上），在使用混合材料进行填充前，先填充适量的块石，等块石填充稳定后，再填充黏性土混合料，进行缝隙封堵，达到不漏浆、不塌孔的填充效果［10］。

2 结论

⑴在溶洞处理工艺上，进行填充材料的优化选择和配比试验，能更有效、更直观的改进溶洞填充工艺，有利于工程成本控制加快推进工程进度，符合工程创新的理念。

⑵掺加水泥对改进粘性土的抗渗性能和抗压性能具有非常明显的作用，针对不同的使用要求，选择需要的水泥掺量，可更好的解决工程困难。

⑶选择替代材料，间接减少了天然河砂的使用，一定程度缓解了河砂过度开采的现状。

⑷该混合材料除了在溶洞填充处理上使用外，在其他方面也是应用广泛，特别是在进行不良地基处理领域，具有非常大的应用前景，有非常大的探索价值。

⑸混合材料中还可根据使用需要，可以添加外加剂、掺合料等成分，对于该混合材料配比优化的工作还可以更进一步的探索。