超厚回填土樁身防水流沖刷混凝土配制技術(shù)研究*

劉軍安，楊大勇，樂 俊，楊慧齊，宋江文，李玉才，楊 浩

(中建三局基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資有限公司，湖北 武漢 430064)

0 引言

樁基工程目前越來越多用于各大高層房屋建筑深基礎(chǔ)、鐵路橋梁基礎(chǔ)和港口海岸等工程，尤其對(duì)于濕陷性黃土區(qū)域、高填土區(qū)域、軟弱土體區(qū)域等應(yīng)用較為廣泛。樁基礎(chǔ)具有良好的承載力以及較好的抗沉降能力，作為基礎(chǔ)樁，主要分為端承樁和摩擦樁兩種類型。

樁基具有良好地層適應(yīng)性，對(duì)于復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境的樁基，仍存在多種不利于樁身穩(wěn)定及樁身安全的因素。在地下水豐富的濕陷性黃土區(qū)域、沿海沿江區(qū)域以及高回填土區(qū)域，由于地下水的存在，水流沖刷成了影響樁身安全及質(zhì)量的主要危害之一。

目前對(duì)樁基礎(chǔ)中水流沖刷作用研究較多，但大多數(shù)集中在對(duì)河流橋梁樁基礎(chǔ)中的水流沖刷作業(yè)分析，主要針對(duì)土體被水流帶走形成土體掏空過程中水流與土體或者水流與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的相互作用研究。研究內(nèi)容主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[1-4]：①研究樁周土體的沖刷深度和范圍；②研究水流沖刷對(duì)地下結(jié)構(gòu)的影響；③研究水流沖刷對(duì)樁身侵蝕作用。但未對(duì)樁身混凝土本身防沖刷性能進(jìn)行相關(guān)研究。因此對(duì)于樁身混凝土的研究，能有效避免水下結(jié)構(gòu)被侵蝕失穩(wěn)危害，為富水區(qū)域樁基施工提供了更多的技術(shù)措施。

1 水流沖刷危害

水流沖刷一般指在地表水或地下滲流水的作用下，地基中土顆粒被水流帶走，造成樁身周邊土體流失甚至被掏空的過程。

1)水流沖刷易造成樁周土體流失 對(duì)于摩擦樁，對(duì)樁摩阻力影響較大，會(huì)導(dǎo)致因樁身摩阻力喪失造成樁基沉降而引起結(jié)構(gòu)失穩(wěn)；對(duì)于端承樁，水流沖刷帶來的土體流失，造成樁身周邊土體沉降，增大了樁身的負(fù)摩阻力，會(huì)造成因超過樁端承載力而失穩(wěn)破壞的危害。因此水流沖刷對(duì)樁身承載力有著重要影響。

2)水流沖刷易形成樁身裸露 對(duì)于河道區(qū)域橋梁工程以及邊坡護(hù)理工程，水流沖刷會(huì)造成樁身表面土體流失，進(jìn)而導(dǎo)致樁基外露而受到水流及空氣的直接侵蝕造成損傷。隨著時(shí)間的作用，侵蝕嚴(yán)重的造成樁身開裂脫落，暴露樁基鋼筋，造成鋼筋銹蝕而失效，帶來上部結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、變形等危害。

因此，制定有效的樁基防沖刷措施，能夠減少或避免因水流沖刷造成的危害。為確保多雨高回填區(qū)域樁基施工質(zhì)量和安全，結(jié)合實(shí)際工程，從樁身混凝土性能方向進(jìn)行研究分析，從而配制出滿足高回填多雨區(qū)域樁基設(shè)計(jì)及施工工藝要求的混凝土。

2 工程概況

目前在建的貴陽龍洞堡國際機(jī)場(chǎng)三期擴(kuò)建工程T3航站樓，根據(jù)B3區(qū)詳勘報(bào)告及施工勘察報(bào)告，共有近30根超過70m的超長樁，部分超長樁甚至超過100m，是國內(nèi)外少有的水下超長樁基施工。同時(shí)，施工地質(zhì)條件復(fù)雜，具有4～64m深的未夯實(shí)素土回填層及分布有大量的泥夾石、溶洞及巖溶裂隙；地下水主要有巖溶裂隙水，賦存于灰?guī)r溶洞、溶孔及分化裂隙中，局部地段含有少量上層滯水賦存于素填土內(nèi)。

在如此復(fù)雜的地質(zhì)條件下進(jìn)行超長樁施工，需要混凝土具有優(yōu)良的工作性、抗水下沖刷性、水下防擴(kuò)散性、水下自密實(shí)性及超長的凝結(jié)時(shí)間、超長的工作性保持時(shí)間(保塑性)。

3 防沖刷混凝土配制研究

3.1 混凝土性能要求

本工程中，由于樁長超過70m，且底部存在巖溶發(fā)育層，混凝土的澆筑時(shí)間較長，結(jié)合成樁工藝，采用雙套管成孔，在混凝土澆筑時(shí)邊澆筑邊上拔，因此混凝土需有良好的性能匹配現(xiàn)場(chǎng)施工，混凝土性能指標(biāo)如表1所示。

表1 新拌混凝土性能指標(biāo)

3.2 混凝土基礎(chǔ)配合比確定

水膠比的選擇應(yīng)同時(shí)滿足混凝土強(qiáng)度和耐久性、自密實(shí)性要求。按照規(guī)范計(jì)算，要求水膠比宜低于0.4。膠凝材料用量根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選為540～580kg/m3，通過室內(nèi)試驗(yàn)，得到基礎(chǔ)混凝土配合比(見表2)。

表2 混凝土基礎(chǔ)配合比 (kg·m-3)

絮凝劑的不同品種及用量，會(huì)直接影響到用水量及外加劑用量，因此在進(jìn)行基礎(chǔ)配合比試驗(yàn)時(shí)，并未考慮外加劑用量。為了獲得更好的絮凝劑適配混凝土性能，選用兩種型號(hào)絮凝劑進(jìn)行適配，單方添加量均為6kg，通過室內(nèi)試驗(yàn)配比，得到兩種型號(hào)的絮凝劑制作的混凝土試塊。結(jié)果顯示，該類型絮凝劑混凝土試塊雖然工作性能良好，但試塊氣泡過多，通過添加外加劑，仍不能消除氣泡，無法達(dá)到要求，因此通過優(yōu)化，重新得到3種絮凝劑，并進(jìn)行試配，配合比如表3所示。

表3 絮凝劑種類確定配合比 (kg·m-3)

通過對(duì)比另外3種類型絮凝劑混凝土試塊，其中添加UWB-Ⅰ類混凝土試塊氣泡較多，無法通過添加外加劑消除；UWB-Ⅲ類混凝土稠度大，不利于超長樁澆筑。通過繪制試塊性能參數(shù)如圖1所示。

圖1 不同類型絮凝劑性能

從圖1中可以看出，UWB-Ⅱ類型絮凝劑混凝土工作性能較好，11d強(qiáng)度達(dá)到43.8MPa，雖然初凝時(shí)間<30h，但是初凝時(shí)間可通過添加外加劑進(jìn)行調(diào)整，而UWB-Ⅲ類型絮凝劑混凝土初凝時(shí)間滿足要求，但混凝土黏稠度不滿足要求，因此選擇UWB-Ⅱ類絮凝劑。

3.3 單方混凝土絮凝劑用量

為獲得較好的混凝土強(qiáng)度以及工作性能，對(duì)絮凝劑添加量進(jìn)行試驗(yàn)研究，試配了絮凝劑單方添加量為0，6，8，10，12kg，對(duì)相應(yīng)試驗(yàn)得到的混凝土性能進(jìn)行統(tǒng)計(jì)如圖2所示。

圖2 混凝土性能與絮凝劑添加量關(guān)系

從圖2統(tǒng)計(jì)結(jié)果中可以看出，隨著絮凝劑量的增大，水陸強(qiáng)度比和坍落度呈上升趨勢(shì)，但單方用量超過10kg后，混凝土的性能有所下降，同時(shí)隨著絮凝劑的增加，混凝土初凝時(shí)間延長，因此結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工工藝及地質(zhì)條件對(duì)混凝土性能的要求，單方混凝土絮凝劑添加量宜為6～10kg。絮凝劑添加量為10kg時(shí)混凝土的孔內(nèi)不分散性優(yōu)良，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)需求，故單方添加量采用10kg。

3.4 外加劑用量試驗(yàn)研究

為了獲得更長的凝結(jié)時(shí)間即混凝土的保塑性，在前述混凝土配合比的基礎(chǔ)上，選用兩種不同品牌超緩凝劑，配合其他外加劑進(jìn)行復(fù)合使用。得到混凝土性能參數(shù)與超緩凝劑添加量的關(guān)系(見圖3,4)。

圖3 混凝土參數(shù)與超緩凝劑1關(guān)系

圖4 混凝土參數(shù)與超緩凝劑2關(guān)系

試驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著超緩凝劑用量的增加，混凝土初凝時(shí)間和保塑時(shí)間均有顯著延長，具有良好的混凝土適應(yīng)性，同時(shí)外加劑量的增大，對(duì)混凝土后期強(qiáng)度影響較小。在混凝土性能相近的情況下，第1種品牌超緩凝劑添加量相對(duì)于第2種少，故超緩凝材料選擇第1種品牌。因此實(shí)際混凝土使用過程中，可依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際超長樁施工情況和澆筑情況進(jìn)行調(diào)整。

3.5 混凝土抗水沖刷試驗(yàn)研究

獲得絮凝劑和超緩凝劑用量的配合比后，對(duì)該配合比的混凝土進(jìn)行室內(nèi)模擬試驗(yàn)研究，制作1根長3m，直徑0.5m的樁。采用注水管進(jìn)行注水模擬樁身水流沖刷，試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D5所示。

圖5 模擬水流沖刷模型

模擬試驗(yàn)采用1組空白對(duì)比，1組按前期試驗(yàn)結(jié)果添加絮凝劑，空白組不添加絮凝劑(見表4)。在相同的注水壓力下，加了絮凝劑的混凝土，水沖刷時(shí)從模擬樁側(cè)面冒出，未加絮凝劑的混凝土直接沖散混凝土漿體，水從模擬樁中間穿過。在相同的沖刷時(shí)間內(nèi)，未加絮凝劑的混凝土面下降速度快，同時(shí)添加絮凝劑的混凝土性能更優(yōu)。

表4 抗水沖刷試驗(yàn)配合比及結(jié)果

經(jīng)過一定時(shí)間水沖刷之后觀察模擬樁狀態(tài)，添加了絮凝劑的模擬樁依舊能夠成樁，但未添加絮凝劑的模擬樁因水流沖刷，混凝土漿體被帶走，無法成樁。以上說明絮凝劑具有一定的抗水沖刷性能。

通過從基礎(chǔ)配合比到添加絮凝劑和超緩凝劑配合比的室內(nèi)試驗(yàn)和模擬樁水流沖刷試驗(yàn)，得到適用于現(xiàn)場(chǎng)的防沖刷超緩凝混凝土配合比和試驗(yàn)性能如表5，6所示。

表5 C40超緩凝水下防沖刷混凝土配合比 (kg·m-3)

表6 新配比混凝土性能檢測(cè)

4 結(jié)語

超厚回填區(qū)樁基施工，由于回填土固結(jié)度差，又伴隨當(dāng)?shù)囟嘤昙竟?jié)，導(dǎo)致樁基礎(chǔ)易受到水流沖刷造成樁基失穩(wěn)或破壞。通過室內(nèi)配合比研究及模擬樁基抗水流沖刷試驗(yàn)研究，從樁基混凝土本身性能出發(fā)，研制出適應(yīng)該復(fù)雜地層施工的超緩凝防沖刷混凝土，主要結(jié)論如下。

1)通過添加絮凝劑，能夠有效改善混凝土各項(xiàng)硬化強(qiáng)度性能，同時(shí)能提高混凝土抗水流沖刷能力，單方混凝土絮凝劑添加量宜控制在8～10kg。

2)為滿足超長樁混凝土澆筑施工工藝要求，需要通過調(diào)整混凝土超緩凝劑和其他添加劑含量，外加劑含量的增加對(duì)混凝土硬化性能及強(qiáng)度影響較小，可依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)時(shí)間需求調(diào)整添加量。