TRD水泥土改良试验研究

摘要:TRD水泥土连续墙因具有污染小、挡土效果好等优点，被广泛应用于深基坑工程。为研究TRD水泥土的强度性能，降低工程成本，本文以雄安地铁1号线明挖区间TRD连续墙结构为例，通过一系列室内土工试验，对TRD水泥土进行改良。研究表明:1)改良后的TRD水泥土28 d抗压强度达到1.48 MPa，渗透系数为8.90×10－8 cm/s，其抗压强度、抗渗性能均能满足工程要求;2)随着冻融循环次数的增加，TRD水泥改良土的抗压强度和质量损失率逐渐下降，最终趋于稳定，其中前3次冻融循环对土体的影响最大，8次以后影响变小。本文研究成果可为类似地层条件下的围护结构工程提供一定的借鉴与参考。

关键词:TRD水泥改良土;改良试验;冻融循环;抗压强度;渗透性能

▍前 言

随着城市化进程的加快，越来越多的城市开始建立地下轨道交通。地下轨道交通网的发展对基坑工程中开挖和支护技术要求越来越高。基坑支护型式呈现多元化发展，新的支护型式不断涌现，比如TRD渠式切割水泥土连续墙工法。TRD渠式切割水泥土连续墙工法在SMW工法的基础上，将链状刀具插入土中，主机沿固定方向进行水平运动，同时通过链状刀具搅拌原土并灌入水泥浆，形成等厚的墙体，在墙体中等间距插入型钢成为TRD水泥土连续墙。与传统围护结构相比，TRD连续墙墙体深度不受成槽机高度的影响，它通过控制注浆泵工作压力和主机行进速率，使得原土和固化液的搅拌更均匀，成墙质量更好。

近年来，TRD水泥土连续墙作为基坑围护结构被广泛应用于众多重要工程中。王卫东等发现TRD工法构建的等厚度水泥土搅拌墙具有地层适用性广、墙体均质性好、隔水性能可靠等特点;黄炳德等基于上海软土地层多个深大基坑工程实践，对不同深度、厚度和应用形式TRD水泥土搅拌墙墙体芯样强度试验成果进行系统的统计分析研究;王刚等对南昌绿地中央广场某基坑工程的TRD围护结构进行了研究，发现TRD围护结构具有良好的挡土和止水效果，在富水和渗透性强的砂性土地区具有推广应用价值;魏森等以嘉兴火车站扩建工程为例，介绍了TRD工法在深基坑围护结构中的应用;王雅晋以青岛地铁1号线胜利敲站明挖区间围护结构为例，对TRD连续墙的止水效果进行了研究，发现TRD连续墙抗渗性能优异，墙体强度满足工程需求。目前，TRD连续墙材料只有水泥，没有其他添加剂，而很多工程为满足强度和渗透性的要求，需要加入足够多的水泥(25%~30%)。这不仅会导致工程成本的增加，还会因水泥过多而引起水化热值过高，从而造成温度裂缝;另一方面，在实际工程中，水泥土受不同地质环境的影响，其材料配比、力学性能也大有不同。

为此，本文以雄安新区至北京大兴国际机场快线工程为例，通过室内试验，对雄安地区第五组团站的土体进行改良，以期改良后的TRD水泥土满足工程需求，同时为雄安地区以及地质条件相同的地区的围护结构工程提供一定的借鉴与参考。

▍1 试验材料

土体取自雄安新区至北京大兴国际机场快线第五组团站周边，密封保存。通过室内土工试验，测得土体基本物性指标，如表1所示。试验前，对土体进行烘干、研磨、过筛，得到粒度小于2 mm的干土。水泥采用P·O42.5级普通硅酸盐水泥。粉煤灰的加入，不仅可以部分替代水泥用量，还可以减少温度裂缝，降低工程成本。纤维采用玄武岩纤维，以增强土体的摩擦力。

TRD水泥土连续墙施工工艺:当切割箱钻至一定深度后，注入挖掘液先行挖掘，再注入固化液向前推进搅拌成墙。在整个施工过程中，挖掘液和固化液均对墙体的成型质量有一定影响，因此在水泥土改良过程中，对挖掘液进行配制。通过颗粒筛分试验，测得土体颗粒级配，如图1所示。由图1可知:试验土样为黏土。挖掘液配比如表2所示。

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▍2 正交试验

根据工程实际情况和相关文献，确定固化液配比(表3)，再设计固化液正交试验表(表4)。李建军等通过试验得出水泥土试块28 d抗压强度约为7 d抗压强度的3倍，因此在正交试验中，测得7 d无侧限抗压强度即可推算出试样28 d抗压强度。限于试验条件、工期需求，在正交试验中制作直径为39.1 mm，高度为80 mm的圆柱体试样，并以其7 d无侧限抗压强度为评判标准，确定固化液最佳配比方案。此外，根据雄安地铁1号线第五组团站明挖区间TRD连续墙材料配比配制一组对照组(与实际工程中的配比一致)，测其7 d无侧限抗压强度，对照组各组分掺量分别为40%的水，25%的水泥，其7 d无侧限抗压强度为111.13 kPa。

正交试验结果如表5所示。其中:Ti值指各个因素在同一i水平上的各项指标的总和;Ni为均值，可得到各水平优劣的对比;极差值反映了各因素对试验结果的影响。由表5可知:最佳配比为A1 B2 C3。

对比表4、5试验结果，最终确定配合比方案为含水率为25.2%、水泥掺量为20%、粉煤灰掺量为8%、纤维含量为0.3%、纤维长度为9 mm的配合比方案。

▍3 TRD水泥改良土基本力学特性分析

3.1 TRD水泥改良土制备过程

将试样充分搅拌均匀后，放入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方体模具中，并搁置在振动台上振捣3 min;待振捣完成后，将高出模具沿口的拌合物刮除抹平，盖上保鲜膜，静置2 d后进行脱模，然后放在水中进行养护。图2为TRD水泥改良土试样。

3.2 试样方案

TRD水泥土连续墙作为挡土结构的一部分，不仅需要具备防渗止水的功能，还要作为支护体系，维护基坑的稳定性、安全性。因此对于水泥土的强度、渗透性有着较高的要求。

3.2.1抗压强度试验

根据《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)，对制备完成的试样进行水中养护。当试样龄期分别为7、14、28、45 d时，进行无侧限抗压试验，其中28 d土体无侧限抗压强度应大于1 MPa。试样在不同龄期的抗压强度曲线如图3所示。

由图3可知:TRD水泥改良土抗压强度随着龄期的增加而增大，28 d后增长速度变缓。这是由于水泥土中的水泥与水等物质发生水化反应，产生胶结物质，使得土颗粒间的黏结力增大;同时，水泥改良土中的纤维与土颗粒接触，增大了土体的摩擦力，使得水泥改良土强度增大。

3.2.2渗透试验

对龄期为7、14、28、45 d的试样进行变水头试验，确实试样的渗透系数，其中28 d土体渗透系数应小于10－7 m/d。试样在不同龄期的渗透系数，如表6所示。

由表6可知:TRD水泥改良土的渗透系数均小于1.0×10－7，说明该水泥改良土抗渗性能较好，其中养护28 d后的土体渗透系数为8.90×10－8 cm/s，满足工程要求。

3.2.3冻融试验

根据雄安地区年日均温度以及冬季最低气温，确定冻结温度为－20℃，冻结时间为8 h，融化温度为20℃，融化时间为12 h。根据文献，在冻融循环8次后，土体强度、变形趋于稳定，因此本文选取冻融循环次数分别为0、1、2、3、5、8、10、15次。在不同冻融次数下对龄期28 d的试样进行冻融试验，得到的试样质量损失率、损失速率如表7所示，无侧限抗压强度曲线如图4所示。

从不同冻融循环次数下的TRD水泥改良土质量损失率中可以得知冻融循环对土体的破坏程度。由表7可知:随着冻融循环次数的增加，土体的质量损失率逐渐增大，其中前3次循环后的试样质量损失率最大;当冻融循环达到8次以后，质量损失率逐渐趋于平缓。

由图4可知:TRD水泥改良土无侧限抗压强度随着冻融循环次数的增加而下降，最终趋于稳定。前3次抗压强度下降幅值最大，8次以后下降幅度变缓。这是由于与未冻融的试样相比，冻融循环1次后，土体内部水开始冻胀结冰，融化成水，土体内部结构发生变化，强度下降较快;等到8次以后，土体经历反复的冻融循环，内部结构趋于稳定，强度变化趋于平缓。

(1)结合正交试验结果与工程实际材料配比，确定TRD水泥改良土配合比:含水率为25.2%、水泥掺量为20%、粉煤灰掺量为8%、纤维质量分数为0.3%、纤维长度为9 mm。

(2)养护龄期为28 d的TRD水泥改良土抗压强度为1.48 MPa，渗透系数为8.90×10－8 cm/s，具有较好的强度以及抗渗止水功能，满足工程要求。

(3)土体受冻融循环次数的影响，随着冻融次数的增加，其抗压强度、质量损失率均下降，最后趋于稳定，其中前3次冻融循环作用对土体强度影响最大，8次后土体强度、质量损失率趋于平缓。