预拌流态固化土在管道工程的应用

范惜辉FAN Xi-hui；王宁宁WANG Ning-ning；高军GAO Jun；包益鋆BAO Yi-jun；崔椿CUI Chun；王凌威WANG Ling-wei

（①南京环境集团有限公司，南京 210000；②苏交科集团股份有限公司，南京 210000；③常州大学环境科学与工程学院，常州 213164）

0 引言

工程开挖结束后多余空间一般需压密回填。受地下管线的阻碍、顶板承载力偏低不易上碾压设备、肥槽/沟槽空间过于狭窄等限制因素的影响，泡沫混凝土、低标号混凝土、再生混凝土、流态固化土等各类流态型回填材料的应用的逐渐增多，其中流态固化土由于可进一步消纳渣土，造价更低，愈发受到建设单位的青睐。

流态固化土是一种以水、渣土、水泥、粉煤灰及其他固化剂为主的混合材料由于含水量较高，呈流态状态，随着固化材料的水化反应而逐渐硬化，强度最高可达7～8MPa。对于非结构部位，无侧限抗压强度一般满足0.3～0.5MPa即可满足要求。由于不需要碾压，管廊工程、房建项目肥槽等部位应用较多[1-5]。管道沟槽与肥槽较为类似空间狭小的特点。但是受市政道路工程要求和回填后对管道的影响，目前应用较少，相关研究也相对较少。

1 管道工程回填

对于管道工程回填，不同地区、不同部位的设计要求不同，回填材料差异较大。对于人行道、绿化带等压实度要求较低区域，管顶50cm 内使用级配碎石，其余沟槽部位直接素土分层碾压回填即可。而机动车道涉及车辆动荷载，压实度要求更高，其典型断面如图1 所示。从图中可以看出狭小的空间内区分了不同的质量要求区域，特别是为避免管顶上方碾压对管材的影响，降低了压实度要求。上述过于精细的设计要求与现场人工碾压相对粗放的工艺存在明显的差距。为解决这种工艺缺陷，需要碾压的二灰土、二灰结石、石粉、水泥稳定碎石应用逐渐减少，经济水平相对好的地区逐渐开始推广使用级配碎石+水泥灌浆（5%）等工艺。虽然灌浆一定程度上为碾压不易密实的级配碎石提供的额外的质量保证，但其高昂的造价并不适合所有地区。

流态固化土作为一种自密实材料，可解决碾压型材料在狭小空间难以压密问题。图1 是管道回填的典型断面图，流态固化土回填可按图2 所示，即将流态固化土浇筑于管道两侧及灌顶至道路结构层，并根据这样的设想开展了相关室内配合比试验和现场中试试验。

图1 管道回填典型断面图

图2 流态固化土回填管道示意图

2 流态固化土工艺研究

2.1 流态固化土材料与方法

流态固化土通常由渣土、粉煤灰、固化材料、水组成[6]。本研究中渣土原料选用过2mm 筛筛分后的砂性土，塑限、液限分别为21.1、30.9。水泥为普通硅酸盐水泥PO·42.5，粉煤灰为某电厂的二级灰，水为自来水。

流态固化土的强度参照《水泥土配合比设计规程》（JGJ/T233-2011），流动值的测定参照ASTMD6103—2017的要求，以φ75mm×150mm 开口桶提升后流态固化土流淌的圆饼直径（mm）表征其流动值。圆锥动力触探试验参照《建筑地基检测技术规范》JGJ340-2015 相关规定执行。

2.2 室内配合比试验

为确定现场所需流态固化土回填沟槽所需的合适配合比，共进行了8 组试验，见表1。6 组序号的流态固化土在强度、流动性随添加量在一定范围内波动，总体上满足流态固化土的相关要求。

表1 流态固化土的配合比

2.3 工程应用

项目试验段为南京某自来水管道施工。试验段长约为40m，管道宽1.4m，深度约2m，部分区域涉及地下管线。管材为直径为800mm 的球墨铸铁管，单根管长6m，质量1.4吨。原设计为级配碎石+水泥灌浆，试验段为流态固化土全包围浇筑，第一次浇筑至管径1/2 位置，待初凝后直接浇筑到路面结构层下。

流态固化土施工工艺与混凝土浇筑类似。总体而言分为：筛分→制浆→搅拌→运输→浇筑→养护这几个步骤。受限于施工现场不具备现场拌合条件，前端生产涉及的筛分、制浆、搅拌宜为厂拌式，拌合后直接由罐车进行运输，现场施工如图3 所示。

图3 管道工程回填现场

参考日本相关案例[7]，确定沟槽回填的7 天强度大于0.3MPa，28 天强度为0.8MPa～1.0MPa；根据罐车运输+溜槽浇筑的形式，流动值为180±20cm，如果运输到现场流动值低于160cm，则需要增加机械振动，以增加局部流动性。

试验段浇筑完后3 个小时即可站人（地基承载力一般为50kPa)，24 小时后沿着试验段均匀选取6 个点进行圆锥动力触探试验，各点的地基承载力特征值如图4 所示，可以看出各点的承载力相对较为稳定，且所有点的地基承载力均高于100kPa，该承载力满足大部分路床的要求。现场留样的试块7 天强度为0.38MPa，达到了最初计划强度值，验证了流态固化土管道回填的可行性。

图4 不同点位的地基承载力特征值

3 流态固化土质量控制

流态固化土质量控制最重要的两个参数是强度和流动值。基坑肥槽仅仅是纯粹的回填空间，而管道工程与之存在的最大差异是回填部位存在管道，浮力将导致管道位移变形。同时，由于流态固化土与周围的接触边界是原地层土体，原土的吸水性较大，容易局部改变流态固化土的含水率。含水率差异导致的收缩性不同相对而言更易产生裂隙。

3.1 抗浮控制

管道工程与常规肥槽回填的差异在于管道的浮力。对于非牛顿流体，浮力与阿基米德浮力公式存在差异，且由于浮力受到流体黏结力的影响而降低[8]。初凝前管道的浮力计算介于水与流态土浮力之间，当填筑高度为250mm，实测浮力约为阿基米德原理计算的浮力的70%[9]。典型的球墨铸铁管长度为6m，单根质量从0.095～2.017t不等，以流态固化土湿密度的70%折算浮力的吨位数。单管的重度、浮力对比如图5 所示，可以看出当管径小于300mm 时，球墨铸铁管的重量大于浮力，此时无需考虑浮力影响，只有当管径大于400mm 时，管的浮力大于重量，此时需要考虑浮力影响。为此，笔者提供三种解决思路，第一种即采用先浇筑至管径1/2 处，此时可从图中看出所有尺寸管的浮力均小于重力，管不会上浮。流态固化土初凝后，浮力急剧降低，后续再浇筑时呈流态的固化土应力向下，并不引起上浮；第二种即采用水泥稳定碎石或碎石灌浆回填至管道的1/2 处，后续可直接浇筑流态固化土；第三种即提供固定措施，如固定于周围土体上的锚杆等。

图5 不同管径球墨铸铁管重力与浮力对比

3.2 抗裂控制

根据日本相关研究成果[7]，长期暴露于空气中的流态固化土的确容易产生收缩和大面积的裂缝，而浇筑于管道周围的流态固化土长期处于相对湿润状态，经过长达3 年的不间断观察，并未出现明显裂缝。管道沟槽相对于基坑肥槽结构更为复杂，管道周围存在狭小异形空间，最窄处仅15cm 左右，流态固化土浇筑后直接与周围土体接触，浇筑1 天后产生了如图6 所示裂缝，呈横向、纵向分布。鉴于管道工程的特点，在未更改配比的基本上，在两个方面进行了优化。一方面对浇筑进管周1/2 时，增加振捣，避免空腔；第二方面是在后续浇筑顶面时，在流态固化土中增加适量抗裂纤维，养护至龄期时，仅与周围土体接触的表面有少许裂缝，其他均无明显裂缝。为减少回填材料的微小开裂对于管道工程质量的影响，可以从上述两项工程措施的基础上，优化流态固化土的回填部位，确保流态固化土回填至路面的结构层下。

图6 养护1 天后表面微小裂缝

4 结论与展望

将流态固化土应用于管道工程，解决了常规的回填材料碾压压实度难以控制的弊端，形成的流态固化土具有均一、良好的承载能力。通过预拌形式可保证施工现场的绿色施工，减少施工现场的噪音、扬尘。通过试验调配，可进一步扩大渣土的来源范围，减少渣土不必要外运。通过搅拌站电子设备精确配比、现场复测、完工后管道CCTV 复检，可进一步提高工程质量，形成全流程的标准施工步骤和完整的施工工序，进一步推动流态固化土的应用。