CN102030508B - 适用于饱和软粘土地区人行过街地道竖井部分的淤泥土水泥注浆 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了适用于饱和软粘土地区人行过街地道竖井部分的淤泥土水泥注浆以及复合外加剂，本发明通过大量室内正交试验，发现在以淤泥为主的温州软土水泥土中掺入多种复合外加剂与复合外掺剂，可以较大幅度地改变淤泥水泥土的抗压、抗剪性能。这对城市富水软土地区人行过街地道竖井部分的建设具有重要意义。本发明在室内大量正交试验的基础上，找到了富水软土地区浅埋暗挖法施工竖井部分的软土加固经济新配方。采用这种新配方进行预注浆方法，能有效改善富水软土浅埋土层的地质条件，为人行过街地道浅埋暗挖法施工的顺利完成提供可靠的保证。
Description
技术领域
本发明属于土木工程技术领域，具体是涉及市政工程、基坑工程、港口码头工程的饱和软粘土地基处理用的一种经济高效可靠的软土支护加固新技术领域，特别是涉及一种适用于城市软土地层人行过街地道浅埋暗挖法中竖井部分淤泥土注浆的增强节材水泥。
背景技术
我国的基础设施建设已进入大发展时期，位于软土地区的城市建设在飞速发展，人们也越来越重视地下空间的开发利用。各种形式、各种用途的地下空间正在世界各大城市中得到开发利用，并产生了大量的地下开挖工程。虽然地下工程施工技术有了很大的发展，但仍不可避免会引起地层的扰动，导致周围地层应力场的变化和变形及引起地表沉降，这种现象在饱和软粘土地层中尤为显著。
近些年来，由于交通迅猛的发展，我国大部分城市的交通处于一个瓶颈阶段。中心城区的行人步行系统还不完善, 突出表现在密集的行人、狭窄的人行道, 行人与机动车、非机动车争道现象日趋严重。为了确保人行安全和改变城市景观，很多城市大力开展了地下人行通道的建设，在东南沿海城市建设中表现的尤为突出。人行过街地道的建设与一般的地铁隧道和基坑开挖工程有所不同。地下过街地道底部标高大多设计得较浅, 因此地道工程一般属浅埋结构, 而且通常位于闹市区，
在软土地层中修筑地下工程的施工方法主要有:盾构法、明挖法、顶管法、浅埋暗挖法等。如采用明挖法，显然对地面交通影响很大；如采用盾构法，前期工程复杂、造价很高；而浅埋暗挖法能较大程度减少对环境的影响，保证交通畅通和地下管线的正常使用，而且造价与盾构法相比，接近节省盾构法费用的一半，为地下工程建设开辟了一条有效的新途径。
浅埋暗挖法是以加固处理软弱土层为前提，特别是对东南沿海地区地下水位高、土质以淤泥为主, 这样一来软土土体的加固, 预注浆能否有效改善软土性能是浅埋暗挖法施工成败的关键技术。对饱和软粘土地区，特别是淤泥土为主的东南沿海地区，由于特殊地质条件及地下水位较高的影响，浅埋暗挖法应用范围受到一定限制，而且施工速度比较慢。浅埋暗挖法开挖地下人行地道主要包括竖井开挖与水平通道开挖，本发明人通过大量的室内试验，研究采用不同的水泥土配合比，对高含水量的淤泥土在不同的水泥土掺外加剂配合比加固后其抗压强度性状与剪切强度性状，找到了合理节材前题下富水软土地区浅埋暗挖法竖井部分淤泥水泥土注浆加固新配方，采用该新配方进行注浆喷锚构筑法建井可以规避淤泥地层常用的SMW桩+型钢内支撑围护建井（后者占用场地大、噪音大、影响临近地下管线），使传统的喷锚构筑建井方法在软土淤泥地层也能有效应用，这样就使得浅埋暗挖法在是以以淤泥为主的软弱土层中也能很好使用。
发明内容
发明的目的是为了克服现有技术对软土淤泥地层采用传统的喷锚构筑建井方法在水泥注浆技术存在的缺点和不足，而提供一种适用于饱和软粘土地区人行过街地道竖井部分的淤泥土水泥注浆。
为实现上述目的，本发明的技术方案是按质量分数计：
水 24.50-26.50份；
水泥 10份；
干土粉 32.70份；
生石膏粉 0.60份；
硅粉 0.50份；
水玻璃 0.50份；
复合外加剂 0.125份。
进一步设置是所述的复合外加剂包括有以下组分，按质量份数计：
三乙醇胺 1份；
木质素磺酸钙 1.5份；
氯化钙 6份；
氯化镁 9份；
明矾 7.5份。
进一步设置是所述的生石膏粉为白色干粉，其中SO3含量42.5% ，比表面积3500 cm2/g；所述硅粉其主要成分为SiO2、CaO，分子量60.09，是白色粉末，能溶于氢氟酸或碱中，SiO2、CaO的质量份数分别为30%、6%；所述水玻璃模数为2.4以上。
进一步设置是所述的复合外加剂的具体组分为：
无水氯化钙，分子量110.99，白色粒状物，含量≥96.0%；
六水合氯化镁，白色结晶体，含量≥98.0%；
明矾，无色透明结晶体；含量≥99.2%；
三乙醇胺，无色、粘稠液体，平均分子量 147.0-149.0，纯度≥99%；
木质素磺酸钙，淡黄色粉末，木质素含量≥55%。
进一步设置是所述的水泥为普通硅酸盐水泥，水泥强度等级为R32.5或以上等级，且水泥的3d 、7d、28d抗压强度分别为21.9MPa 、34.2MPa 、48.8MPa以上。
本发明相较于现有技术，其优势在于：
采用这种淤泥土水泥注浆进行喷浆，针对富水软土地区淤泥土性特点，在室内试验中经过多次试验，确定在合理节材时淤泥土水泥注浆增强最佳配合比为“水泥(掺量18%) +生石膏粉(为水泥的6%) + 硅粉(为水泥的5%)+水玻璃(为水泥的5%及100%)+ 复合外加剂(为水泥的1.25% )”。该新配方不但明显提高水泥土抗压强度、及抗压早期强度（早强对注浆喷锚构筑法建井的实施很重要），而且较大幅度地提高水泥土的抗剪强度，通过有效提高注浆土体的抗剪性能，确保采用浅埋暗挖法开挖时竖井部分土体的稳定性。
本发明工艺所加固的软粘土是淤泥，天然含水量为70.12%，液限为51.2%，塑限为21.3%，；水泥浆水灰比为0.80。
本发明的优点在于：采用多种化学材料混合搭配，在充分分析它们增强机理后采用室内正交试验与多组数（20组）对比试验，找到的最佳配方。该配方在抗剪强度方面做出了突出的努力，能较大提高浅埋暗挖法开挖时土体的稳定性。由于地道上为一般为正在通行的主干路，其上过往车辆多，荷载大，地道施工是在连续不断的活荷载作用下进行，同时由于埋深浅，易出现地面沉降过大影响现有车辆的通行。该配方的实施，可以在一定程度上减少地面沉降，也就是减少对路面及路面结构的影响。另外与常规水泥注浆（水泥掺量考虑18%）相比, 可节约造价约35%，节省工期；适应于环境复杂的城市地区，从技术和经济的角度都具有很强的竞争力。
本发明是针对高含水软土层中人行地道竖井开挖建设中的关键技术展开，本专利的实施将浅埋暗挖法技术向超浅埋、大断面、多种地层和复杂地质条件中推广应用。
本发明的注浆方法是按单管施工考虑，与传统的锚管水泥浆注浆施工方法相比，仅需要事先按比例将水泥、生石膏粉、硅粉搅拌均匀，并将水玻璃、py2复合外加剂事先融于自来水中，其他均相同。
下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明做进一步介绍。
附图说明
图1本发明实施例温州淤泥土最优组配方典型的抗压强度变化规律曲线图；
注：图1中曲线从上往下依次为第20组（水泥21%）、第9组、第16组、第18组、第6组；
图2 本发明实施例温州淤泥土每组配方的的45天抗压强度变化曲线图；图2中第0组为原数据中的第1a组（2），其中第1、1a、12、19组水泥含量为15%，第3、20组水泥含量为21%,其余均为18%；
图3 本发明实施例温州淤泥土新配方典型的抗剪强度变化规律曲线图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行具体的描述，只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限定，该领域的技术工程师可根据上述发明的内容对本发明作出一些非本质的改进和调整。
实施例1:
土样取自温州市瓯海区某工地，并取埋深4.05m处的淤泥土样，与三乙醇胺、木质素磺酸钙、氯化钙、氯化镁、明矾等5种化学外加剂组合成3种复合外加剂py１、py2 、py３，与由水玻璃、生石膏粉、硅粉等3种化学材料组合而成的4种外掺剂（外掺剂1、外掺剂2、外掺剂3、外掺剂4)，再与湿土重的15%、18%、21%的水泥进行各种比例的组合。考虑现场施工是将水泥浆喷入软土中，水灰比0.80仅是方使施工之用，水泥浆喷入软土中混合后水泥土的真正水灰比是接近淤泥土含水量与水泥量之比，因此本试验实际用水是7.50份（仅比天然含水量增加0.50份）。
因目前还没有专门适合水泥土室内抗压强度试验的试验机,本试验采用建材试验室砂浆试模(7.07cm×7.07cm×7.07cm)和小压力砂浆试验机。烘干土样在碾磨机上碾碎,过筛后将事先按比例称好的上述材料和自来水按一定顺序放入搅拌锅内,用搅拌铲人工拌和均匀,然后分两次装入试模,分别用直径25mm钢筋击振50次,刮平试模,盖上塑料布。试块成型后在20C下养护24h脱模,放入标准养护室养护2d拆模,脱模后放入标准养护室,分别按3、7、14、28、45d龄期进行养护。
配制原料及配比同权利要求书说明。
（1）．抗压强度对比试验结果与分析
抗压强度试验结果见附表１。表中第1a组为基准配方,表中每试样编号均有3个试块做正交试验，其中数值为3个试块的平均值。
A、第1组加了2%生石膏粉后, 3d、7d、14d、28d、45d抗压强度与基准配方相比 ,强度分别提高了3.1%、12.8%、16%、12.6%、12.2%；第2组水泥增加到18%（2%生石膏粉不变）后, 其3d-45d抗压强度与基准配方相比 ,强度分别提高了15.4%、30.8%、30.2%、42.2%、46.8%；第3组水泥增加到21%（2%生石膏粉不变）后, 3d-45d抗压强度与基准配方相比 ,强度分别提高了29.2%、53.8%、65.1%、70.4%、83.3%；这表明随着水泥掺量的提高，强度也相应提高，另外掺加生石膏粉，对提高强度也有一定的作用，但作用远不如水泥；结合第19组的试验数据，综合考虑经济因素、考虑浅埋暗挖法对强度的要求，认为选用第2组（水泥掺量为18%）进行继续试验较有实用价值。
B、试验分对比组A、B、C分别对应复合外加剂py1、 py2、 py3，并采用了外掺剂1-4，从表1可知其抗压强度呈现一个明显的变化，就是对比组B>对比组C>对比组A；而对比组B中第9组的抗压强度最高，其3d-45d抗压强度与第2组相比, 强度分别提高了40%、75.5%、68.1%、69.3%、68.1%；相当于提高了约68%，增强效果很显著，而成本仅提高了约23%。而其他对比组中第20组表明，其3d-45d抗压强度与第2组相比, 强度分别提高了42.7%、88.2%、85.5%、87.5%、85.6%；相当于提高了约85%，增强效果很显著，而成本提高了约35%。
因此从抗压强度对比试验结果可知第9组是最佳增强节材新配方，如对浅埋暗挖法特殊部位，需要更高强度时也可以采用第20组；而且这2组的外掺剂与复合外加剂都是外掺剂3、py2复合外加剂。
典型的抗压强度变化规律曲线见附图1。
（2）．抗剪强度对比试验结果与分析
对抗剪强度试验，由于本次研究是对比性研究，采用适于大批量试件的直接剪切试验。抗剪强度试件拟用面积为30 cm2的环刀试样。直接剪切抗剪强度试验结果见附表2。表中每试样编号均有3个试块做正交试验，其中数值为3个试块的平均值。
附表2如下：
A、第1组加了2%生石膏粉后, 3d、7d、14d、28d、45d抗剪强度指标c值(φ值)与基准配方第1a组相比 ,强度分别提高了8.1%(11.4%)、12.8%(%)、16%(%)、12.6%(%)、12.2%(%)；第2组水泥增加到18%（2%生石膏粉不变）后, 3d-45d抗剪强度指标c值(φ值)与基准配方相比 ,强度分别提高了46.7.1%(19.1%)、12.8%(%)、16%(%)、12.6%(%)、12.2%(%)；第3组水泥增加到21%（2%生石膏粉不变）后, 3d-45d抗剪强度指标c值(φ值)与基准配方相比 ,强度分别提高了73.9%(31.9%)、12.8%(%)、16%(%)、12.6%(%)、12.2%()；这表明随着水泥掺量的提高，抗剪强度也相应提高，另外掺加生石膏粉，对抗剪提高强度也有一定的作用，但作用远不如水泥；参考抗压强度变化情况选用第2组（水泥掺量为18%）进行试配研究。
B、从表2的试验数据，可知其抗剪强度也呈现一个明显的变化，也是对比组B>对比组C>对比组A，而且是对比组A较弱、对比组C与比组B较接近；对比组B中的第9组的抗剪强度综合最高，其3d-45d抗剪强度与第2组相比, c值(φ值)分别提高了92.6%(6.4%)、53.6%(13.2%)、72.8%(31.7%)、38.6%(44.4%)、41.8%(41.5%)；相当于抗剪强度约提高了53%，增强效果很显著，而成本仅提高了约23%；而其他对比组中第20组表明，其3d-45d抗压强度与第2组相比, 抗剪强度c值(φ值)分别提高了132.6%(-7.8%)、53.6%(39.6%)、72.8%(41.7%)、44.6%(44.4%)、45.8%(41.5%)；相当于提高了抗剪强度约提高了58%，增强效果虽比第9组多了5%，而成本却多增加了约13%。
因此从抗剪强度对比试验结果分析也得到了与抗压强度基本相似的规律。这里要特别指出的是抗剪强指标的提高很有意义，因为对水泥土这个指标的提高比较难，而从本专利室内试验的45d的试验数值来看, 第9组的c、φ值均提高了约41.5%，这就为对浅埋暗挖法的土体稳定性提供了很好的支撑。
典型的抗剪强度变化规律曲线见附图2。
综合抗压强度与抗剪强度试验，最佳配合比（第9组）综合提高强度约60%，而成本仅提高了约23%。即与常规水泥注浆（水泥掺量考虑18%）相比, 可节约造价约35%左右。
结合以上两方面室内正交试验结果，找到了一种加固软粘土人行过街地道竖井部分用于单管喷浆的淤泥土水泥注浆新配方是：
水泥(掺量18%) +生石膏粉(为水泥的6%) + 硅粉(为水泥的5%)+水玻璃(为水泥的5%)+ py2复合外加剂(为水泥的1.25% )。
Claims (4)
1.一种适用于饱和软粘土地区人行过街地道竖井部分的淤泥土水泥注浆，其特征在于包括以下组分，按质量分数计：
水 24.50-26.50份；
水泥 10份；
干土粉 32.70份；
生石膏粉 0.60份；
硅粉 0.50份；
水玻璃 0.50份；
复合外加剂 0.125份，
所述的复合外加剂包括有以下组分，按质量份数计：
三乙醇胺 1份；
木质素磺酸钙 1.5份；
氯化钙 6份；
氯化镁 9份；
明矾 7.5份。
2.根据权利要求1所述的一种适用于饱和软粘土地区人行过街地道竖井部分的淤泥土水泥注浆，其特征在于：
所述的生石膏粉为白色干粉，其中SO3含量42.5% ，比表面积3500 cm2/g；
所述硅粉其主要成分为SiO2、CaO，分子量60.09，是白色粉末，能溶于氢氟酸或碱中，SiO2、CaO的质量份数分别为30%、6%；
所述水玻璃模数为2.4以上。
3.根据权利要求1所述的一种适用于饱和软粘土地区人行过街地道竖井部分的淤泥土水泥注浆，其特征在于：
所述氯化钙为无水氯化钙，分子量110.99，白色粒状物，含量≥96.0%；
所述氯化镁为六水合氯化镁，白色结晶体，含量≥98.0% ；
明矾，无色透明结晶体；含量≥99.2%；
三乙醇胺，无色、粘稠液体，平均分子量 147.0-149.0，纯度≥99%；
木质素磺酸钙，淡黄色粉末，木质素含量≥55%。
4.根据权利要求1所述的一种适用于饱和软粘土地区人行过街地道竖井部分的淤泥土水泥注浆，其特征在于：所述的水泥为普通硅酸盐水泥，水泥强度等级为R32.5或以上等级，且水泥的3d 、7d、28d抗压强度分别为21.9MPa 、34.2MPa 、48.8MPa以上。
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