超大深基坑TRD连续墙厚度对渗透系数的影响研究
TRD工法 2023年3月25日 项敏 600
▍摘 要
摘要：超大深基坑中TRD工法连续墙墙体具有支护防护的作用，但主要是防渗止水作用。结合淮安东站超大深基坑地质情况，采用室内试验分析TRD连续墙水泥土水泥含量、综合含水率以及龄期对渗透系数的影响。试验结果表明：水泥土渗透系数与水泥含量成反比关系，水泥含量越小，其渗透性越接近自然土层的渗透系数；控制综合含水率取值，龄期几乎不会对水泥土渗透系数产生影响，随着龄期的增长，整体渗透系数会缓慢变低并且更趋于平缓。根据试验结果，淮安东站超大深基坑选取24%水泥含量施工TRD工法墙，墙体厚度0.8m能较好地满足抗渗要求。 近年来超大深基坑项目的数量逐渐增多，很多支护新技术应运而生，其中，TRD地下连续墙施工工法便是其中之一。TRD工法搅拌墙墙体具有支护防护的作用，但其最显著特征之一是防渗止水。采用室内试验方式，针对TRD的防渗止水和结构稳定性能展开研究。通过水泥含量、含水率和龄期对水泥土进行抗渗性试验，研究了墙体抗渗机制以及影响因素，以及渗透系数对TRD厚度的影响，形成了TRD工法搅拌墙专项方案，并成功应用于工程实践。本文就结合案例工程对超大深基坑TRD连续墙厚度对渗透系数的影响进行研究，以期其结论有助于类似工程参考。 淮安市位于淮河和京杭大运河的汇交处，更是淮河经济带不可或缺的重要城市，其地下水在土层中分布广泛，含量极其丰富。案例工程为淮安市高铁东站综合客运枢纽前广场超大深基坑工程，其基坑净尺寸(长×宽)约为250m×280m，坑底平均深度为16.8m，基坑最深处为20.7m，周长约为1108m，开挖超大深基坑的面积约为58936m2。此广场基坑主体围护结构是由东边、北边地连墙和西边、南边TRD工法搅拌墙构成，围护结构地连墙总墙体长度尺寸为262m×232m(东侧×北侧)，单块墙体6m，深度为49.2m，采用H型钢接头+高压旋喷方式作为接头连接方式；围护结构TRD工法搅拌墙总墙体长度尺寸为232m×258m(西侧×南侧)，深度为50m，采用282根钻孔灌注桩的围护桩支护在TRD工法搅拌墙旁边。为了超大深基坑开挖时整个结构的稳定性，在基坑内部设置484根支撑柱和双道混凝土撑(第1道支撑距离原地面1~2m，第2道支撑距离原地面7~10m)。 据钻探揭露，勘探深度内，场地地层结构由人工填土(Q4ml)、第四系全新统冲积层(Q4al)、第三系新余群(E×n)泥质粉砂岩、砂砾岩组成。按其岩性及工程特性，自上而下依次划分为： ①杂填土：杂色，稍湿，结构松散，成分以混凝土块、砖块、粉质黏土组成，为欠固结土，全场地4个钻孔揭露，层厚0.50~1.00m。 ②粉质黏土：黄褐色，可塑，成分以粉粒、黏粒为主，干强度中等，中等压缩性，层厚0.50~6.30m，平均厚度2.76m。 ③细砂：黄色，稍密状，矿物成分以石英、长石、云母为主，分选性较差，矿物成分主要为石英、长石及云母等。层厚为0.70~2.50m，平均厚度1.33m。 ④淤泥质粉质黏土：灰黑色，饱和，流塑状，成分以粉粒、黏粒为主，黏结性较好，韧性、干强度较低，高压缩性，层厚0.80~4.90m，平均厚度2.35m。 ⑥粗砂：灰黄色，饱和，稍密状，矿物成分主要以石英、长石、云母为主，矿物成分主要为石英、长石及云母等。层厚为1.00~9.90m，平均厚度7.00m。 由工程勘察报告可知，此工程项目地下水存在潜水和承压水。潜水主要来自当地的大气降水受重力影响，一般由高处向低处渗流。潜水以地面蒸发或出露为地表水和泉水的方式排泄。此基坑工程地层中潜水主要位于砂质粉土中，每年水位下降、上升明显，埋深平均浮动在1.630m上下。 承压水依赖降水和江湖水通过潜水回灌，受防水屋面限制，在静水压力作用下，存在一个受防水层屋面限制且高于防水层屋面压力水平(即回灌溉区和泄放区水位线)的承压水面。承压水从静水压力高的地方流向静水压力低的地方。承压水埋藏较深，受气候直接影响较小，流量稳定，不易被污染，水质较好。此基坑工程地层中承压水有两层，第一层主要埋藏在地下5m上下的砂质粉土和粉砂土质中，第二层主要埋藏在地下20m上下的中砂和粉砂土质中。 按照相关国家标准，首先根据实际工程地层的相关参数，确定水泥、水的含量及质量，再满足基坑的强度安全要求[1-4]，一般要求墙体成墙28d后强度不能低于0.8MPa，水的用量与水泥的用量比值在1.0~2.0之间。TRD工法水泥土搅拌墙主要起到止水帷幕的作用，通常衡量其止水效果的标准是28d搅拌墙墙体渗透系数的大小，要求渗透系数不能高于7~10cm/s，对TRD工法水泥土搅拌墙墙体抗渗性的要求较为严格。 由前人研究结果可知，水泥土的抗渗性与含水量成负相关关系，与水泥的含量成正相关关系。进行室内试验，制作不同配比的水泥土试块，综合含水率是整个水泥土构件中水与水泥和土体颗粒的质量之比，水泥掺入比一般7%~15%。 渗透系数的大小主要是受水泥土渗流孔隙封闭的影响，试验中将综合含水率作为水泥土构件中水泥含量和水含量的变化指标，制作水泥土试块时以综合含水率和水泥掺量为主要影响因素，通过测试水泥土渗透系数与综合含水率、水泥掺量和龄期的关系，研究他们的影响规律，进而试分析水泥土厚度与渗透系数之间的关系。对满足要求的土样进行直剪试验、密度试验和含水率试验等，可得到的基本物理力学性质参数，如表1所示。 
将从施工现场采集的自然土体进行烘干，依据土体的干密度设计试验水泥掺量和综合含水率，采用水泥净浆搅拌机，在搅拌前，搅拌锅和搅拌叶先用湿布擦净，将水泥浆、原状土放在搅拌锅内，将搅拌锅放在搅拌机锅座上，升至搅拌位置，开动机器，同时徐徐加入水拌和，慢速搅拌120s，停拌15s。将搅拌头上粘结的水泥土取下，放入搅拌桶内，继续搅拌，接着快速搅拌120s后停机，断开电源，将水泥土取出，进行试块制作。 (1)制作水泥土试块时，将试模置于平整地面上，试模内壁涂刷薄层机油或脱模剂，减少脱模时对试样的破坏。 (2)向试模内一次注满水泥土，对每项试验内容的水泥土称重，用捣棒均匀由外向里按螺旋方向多次插捣，使水泥土高出试模顶面，将高出的水泥土沿试模顶面削去抹平。 (3)试验中所用磨具尺寸直径为50mm，高170mm，所有试样尺寸一致，渗透系数测试试样尺寸直径为50mm，高100mm，每组试验制作试块不小于3个。 (4)试块制作后，在20±5℃温度下放置24h左右，气温较低时，可适当延长时间。然后进行编号拆模，并将试样周围清除干净，保证试块表面平整。 (5)因TRD工法水泥土通常作为止水帷幕，一直与地下水接触，受到水分的浸泡，因此要将制作好的试块放在温度为20℃的水中进行养护至设计龄期。 渗透系数是地层地下水的一个重要参数，其大小主要取决于水的黏滞性、空隙的大小和连通性。水泥土抗渗性可以依据水泥土的渗透系数大小进行评价，测试渗透系数的方法有很多，本试验采用岩石渗透仪测定渗透系数。 为研究水泥掺量、综合含水率和龄期三大因素对水泥土渗透系数的影响，进行不同水泥土的配比试验。取6种水泥含量，5种综合含水率值，取3种试块的养护龄期，具体取值范围见表2。
由图1可知，渗透系数与水泥含量成反比关系，水泥含量越多，渗透系数越小；水泥含量越小，其渗透性越接近自然土层的渗透系数。当水泥土综合含水率一定时，提高水泥土水泥含量可加强抗渗效果，在水泥含量达到16%时，抗渗透作用最明显，在水泥含量达到24%之后，即渗透系数降低至1×10-7cm/s之后，再添加水泥，抗渗透作用几乎没有变化。由试验结果可得，24%的水泥含量较适合TRD工法施工。
由图2可知，水泥土水泥含量和龄期一定时，水泥土综合含水率越高，渗透系数越大。水泥含量越低即越接近自然土层时，水泥含量在12%和16%时，渗透系数随着综合含水率增大变化较大。因此，若想降低TRD水泥土渗透系数，可以降低施工土层综合含水率。 依据前面水泥含量与综合含水率的研究，控制综合含水率取值，计算在不同水泥含量条件下的渗透系数均值，分析龄期与渗透系数的变化关系，由图3可知，龄期几乎不会对水泥土渗透系数产生影响，随着龄期的增长，整体渗透系数会缓慢变低，并且变低的程度更趋于平缓。总之，根据淮安东站超大深基坑地质情况，不考虑其他因素，选取24%水泥含量施工TRD工法墙，能够较好地满足抗渗要求。
取淮安东站地质土层混合土体渗透系数为2.3×10-5cm/s加入24%水泥含量，根据0.2m、0.4m、0.6m、0.8m、1.0m、1.2m厚度水泥土，其渗透系数与水泥土厚度变化关系如图4所示。
由图4可知，水泥土渗透系数随着厚度的增大而减小，且减少程度逐渐变缓。水泥土厚度由0.2m增加至0.8m时，渗透系数下降程度明显，由0.8m增加至1.2m时，渗透系数降低程度较小且平稳。因此工程TRD工法墙选取厚度0.8m是较适合的。 (1)水泥土渗透系数与水泥含量成反比关系，水泥含量越多，渗透系数越小。水泥含量越小，其渗透性越接近自然土层的渗透系数，在水泥含量达到16%时，抗渗透作用最明显，再添加水泥对抗渗透作用几乎没有变化。 (2)水泥土水泥含量和龄期一定时，水泥土综合含水率越高，渗透系数越大。水泥含量越低即越接近自然土层时，水泥含量在12%和16%时，渗透系数随着综合含水率增大变化较大，综合含水率在48%时渗透系数最大。 (3)控制综合含水率取值，龄期对水泥土渗透系数影响不大，整体渗透系数随着龄期的增加而逐渐变小，并且减小的程度越来越缓。总之，根据淮安东站超大深基坑地质情况，不考虑其他因素，选取24%水泥含量施工TRD工法墙，能够较好地满足抗渗要求。 (4)水泥土渗透系数随着厚度的增大而减小，且减少程度逐渐变缓。水泥土厚度由0.2m增加至0.8m时，渗透系数下降程度明显，由0.8m增加至1.2m时，渗流系数降低程度较小且平稳，工程TRD工法墙选取厚度0.8m是较适合的。 作者：陈心春
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