預(yù)拌流態(tài)固化土在管道工程的應(yīng)用

范惜輝FAN Xi-hui；王寧寧WANG Ning-ning；高軍GAO Jun；包益鋆BAO Yi-jun；崔椿CUI Chun；王凌威WANG Ling-wei

（①南京環(huán)境集團(tuán)有限公司，南京 210000；②蘇交科集團(tuán)股份有限公司，南京 210000；③常州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，常州 213164）

0 引言

工程開挖結(jié)束后多余空間一般需壓密回填。受地下管線的阻礙、頂板承載力偏低不易上碾壓設(shè)備、肥槽/溝槽空間過于狹窄等限制因素的影響，泡沫混凝土、低標(biāo)號混凝土、再生混凝土、流態(tài)固化土等各類流態(tài)型回填材料的應(yīng)用的逐漸增多，其中流態(tài)固化土由于可進(jìn)一步消納渣土，造價更低，愈發(fā)受到建設(shè)單位的青睞。

流態(tài)固化土是一種以水、渣土、水泥、粉煤灰及其他固化劑為主的混合材料由于含水量較高，呈流態(tài)狀態(tài)，隨著固化材料的水化反應(yīng)而逐漸硬化，強(qiáng)度最高可達(dá)7～8MPa。對于非結(jié)構(gòu)部位，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度一般滿足0.3～0.5MPa即可滿足要求。由于不需要碾壓，管廊工程、房建項目肥槽等部位應(yīng)用較多[1-5]。管道溝槽與肥槽較為類似空間狹小的特點。但是受市政道路工程要求和回填后對管道的影響，目前應(yīng)用較少，相關(guān)研究也相對較少。

1 管道工程回填

對于管道工程回填，不同地區(qū)、不同部位的設(shè)計要求不同，回填材料差異較大。對于人行道、綠化帶等壓實度要求較低區(qū)域，管頂50cm 內(nèi)使用級配碎石，其余溝槽部位直接素土分層碾壓回填即可。而機(jī)動車道涉及車輛動荷載，壓實度要求更高，其典型斷面如圖1 所示。從圖中可以看出狹小的空間內(nèi)區(qū)分了不同的質(zhì)量要求區(qū)域，特別是為避免管頂上方碾壓對管材的影響，降低了壓實度要求。上述過于精細(xì)的設(shè)計要求與現(xiàn)場人工碾壓相對粗放的工藝存在明顯的差距。為解決這種工藝缺陷，需要碾壓的二灰土、二灰結(jié)石、石粉、水泥穩(wěn)定碎石應(yīng)用逐漸減少，經(jīng)濟(jì)水平相對好的地區(qū)逐漸開始推廣使用級配碎石+水泥灌漿（5%）等工藝。雖然灌漿一定程度上為碾壓不易密實的級配碎石提供的額外的質(zhì)量保證，但其高昂的造價并不適合所有地區(qū)。

流態(tài)固化土作為一種自密實材料，可解決碾壓型材料在狹小空間難以壓密問題。圖1 是管道回填的典型斷面圖，流態(tài)固化土回填可按圖2 所示，即將流態(tài)固化土澆筑于管道兩側(cè)及灌頂至道路結(jié)構(gòu)層，并根據(jù)這樣的設(shè)想開展了相關(guān)室內(nèi)配合比試驗和現(xiàn)場中試試驗。

圖1 管道回填典型斷面圖

圖2 流態(tài)固化土回填管道示意圖

2 流態(tài)固化土工藝研究

2.1 流態(tài)固化土材料與方法

流態(tài)固化土通常由渣土、粉煤灰、固化材料、水組成[6]。本研究中渣土原料選用過2mm 篩篩分后的砂性土，塑限、液限分別為21.1、30.9。水泥為普通硅酸鹽水泥PO·42.5，粉煤灰為某電廠的二級灰，水為自來水。

流態(tài)固化土的強(qiáng)度參照《水泥土配合比設(shè)計規(guī)程》（JGJ/T233-2011），流動值的測定參照ASTMD6103—2017的要求，以φ75mm×150mm 開口桶提升后流態(tài)固化土流淌的圓餅直徑（mm）表征其流動值。圓錐動力觸探試驗參照《建筑地基檢測技術(shù)規(guī)范》JGJ340-2015 相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。

2.2 室內(nèi)配合比試驗

為確定現(xiàn)場所需流態(tài)固化土回填溝槽所需的合適配合比，共進(jìn)行了8 組試驗，見表1。6 組序號的流態(tài)固化土在強(qiáng)度、流動性隨添加量在一定范圍內(nèi)波動，總體上滿足流態(tài)固化土的相關(guān)要求。

表1 流態(tài)固化土的配合比

2.3 工程應(yīng)用

項目試驗段為南京某自來水管道施工。試驗段長約為40m，管道寬1.4m，深度約2m，部分區(qū)域涉及地下管線。管材為直徑為800mm 的球墨鑄鐵管，單根管長6m，質(zhì)量1.4噸。原設(shè)計為級配碎石+水泥灌漿，試驗段為流態(tài)固化土全包圍澆筑，第一次澆筑至管徑1/2 位置，待初凝后直接澆筑到路面結(jié)構(gòu)層下。

流態(tài)固化土施工工藝與混凝土澆筑類似?？傮w而言分為：篩分→制漿→攪拌→運(yùn)輸→澆筑→養(yǎng)護(hù)這幾個步驟。受限于施工現(xiàn)場不具備現(xiàn)場拌合條件，前端生產(chǎn)涉及的篩分、制漿、攪拌宜為廠拌式，拌合后直接由罐車進(jìn)行運(yùn)輸，現(xiàn)場施工如圖3 所示。

圖3 管道工程回填現(xiàn)場

參考日本相關(guān)案例[7]，確定溝槽回填的7 天強(qiáng)度大于0.3MPa，28 天強(qiáng)度為0.8MPa～1.0MPa；根據(jù)罐車運(yùn)輸+溜槽澆筑的形式，流動值為180±20cm，如果運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場流動值低于160cm，則需要增加機(jī)械振動，以增加局部流動性。

試驗段澆筑完后3 個小時即可站人（地基承載力一般為50kPa)，24 小時后沿著試驗段均勻選取6 個點進(jìn)行圓錐動力觸探試驗，各點的地基承載力特征值如圖4 所示，可以看出各點的承載力相對較為穩(wěn)定，且所有點的地基承載力均高于100kPa，該承載力滿足大部分路床的要求。現(xiàn)場留樣的試塊7 天強(qiáng)度為0.38MPa，達(dá)到了最初計劃強(qiáng)度值，驗證了流態(tài)固化土管道回填的可行性。

圖4 不同點位的地基承載力特征值

3 流態(tài)固化土質(zhì)量控制

流態(tài)固化土質(zhì)量控制最重要的兩個參數(shù)是強(qiáng)度和流動值?；臃什蹆H僅是純粹的回填空間，而管道工程與之存在的最大差異是回填部位存在管道，浮力將導(dǎo)致管道位移變形。同時，由于流態(tài)固化土與周圍的接觸邊界是原地層土體，原土的吸水性較大，容易局部改變流態(tài)固化土的含水率。含水率差異導(dǎo)致的收縮性不同相對而言更易產(chǎn)生裂隙。

3.1 抗浮控制

管道工程與常規(guī)肥槽回填的差異在于管道的浮力。對于非牛頓流體，浮力與阿基米德浮力公式存在差異，且由于浮力受到流體黏結(jié)力的影響而降低[8]。初凝前管道的浮力計算介于水與流態(tài)土浮力之間，當(dāng)填筑高度為250mm，實測浮力約為阿基米德原理計算的浮力的70%[9]。典型的球墨鑄鐵管長度為6m，單根質(zhì)量從0.095～2.017t不等，以流態(tài)固化土濕密度的70%折算浮力的噸位數(shù)。單管的重度、浮力對比如圖5 所示，可以看出當(dāng)管徑小于300mm 時，球墨鑄鐵管的重量大于浮力，此時無需考慮浮力影響，只有當(dāng)管徑大于400mm 時，管的浮力大于重量，此時需要考慮浮力影響。為此，筆者提供三種解決思路，第一種即采用先澆筑至管徑1/2 處，此時可從圖中看出所有尺寸管的浮力均小于重力，管不會上浮。流態(tài)固化土初凝后，浮力急劇降低，后續(xù)再澆筑時呈流態(tài)的固化土應(yīng)力向下，并不引起上浮；第二種即采用水泥穩(wěn)定碎石或碎石灌漿回填至管道的1/2 處，后續(xù)可直接澆筑流態(tài)固化土；第三種即提供固定措施，如固定于周圍土體上的錨桿等。

圖5 不同管徑球墨鑄鐵管重力與浮力對比

3.2 抗裂控制

根據(jù)日本相關(guān)研究成果[7]，長期暴露于空氣中的流態(tài)固化土的確容易產(chǎn)生收縮和大面積的裂縫，而澆筑于管道周圍的流態(tài)固化土長期處于相對濕潤狀態(tài)，經(jīng)過長達(dá)3 年的不間斷觀察，并未出現(xiàn)明顯裂縫。管道溝槽相對于基坑肥槽結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，管道周圍存在狹小異形空間，最窄處僅15cm 左右，流態(tài)固化土澆筑后直接與周圍土體接觸，澆筑1 天后產(chǎn)生了如圖6 所示裂縫，呈橫向、縱向分布。鑒于管道工程的特點，在未更改配比的基本上，在兩個方面進(jìn)行了優(yōu)化。一方面對澆筑進(jìn)管周1/2 時，增加振搗，避免空腔；第二方面是在后續(xù)澆筑頂面時，在流態(tài)固化土中增加適量抗裂纖維，養(yǎng)護(hù)至齡期時，僅與周圍土體接觸的表面有少許裂縫，其他均無明顯裂縫。為減少回填材料的微小開裂對于管道工程質(zhì)量的影響，可以從上述兩項工程措施的基礎(chǔ)上，優(yōu)化流態(tài)固化土的回填部位，確保流態(tài)固化土回填至路面的結(jié)構(gòu)層下。

圖6 養(yǎng)護(hù)1 天后表面微小裂縫

4 結(jié)論與展望

將流態(tài)固化土應(yīng)用于管道工程，解決了常規(guī)的回填材料碾壓壓實度難以控制的弊端，形成的流態(tài)固化土具有均一、良好的承載能力。通過預(yù)拌形式可保證施工現(xiàn)場的綠色施工，減少施工現(xiàn)場的噪音、揚(yáng)塵。通過試驗調(diào)配，可進(jìn)一步擴(kuò)大渣土的來源范圍，減少渣土不必要外運(yùn)。通過攪拌站電子設(shè)備精確配比、現(xiàn)場復(fù)測、完工后管道CCTV 復(fù)檢，可進(jìn)一步提高工程質(zhì)量，形成全流程的標(biāo)準(zhǔn)施工步驟和完整的施工工序，進(jìn)一步推動流態(tài)固化土的應(yīng)用。