TRD工法玄武岩纤维加筋防渗墙性能试验

摘要：以庐山市沙湖山乡境内的沙湖山好为例，重点进行了好堤堤身深层搅拌桩连续防渗墙加固处理中水泥掺量、纤维加筋材料掺量、外掺剂类型、纤维长度等参数对水泥浆液劈裂抗拉强度影响的试验研究。结果表明，水泥掺量对水泥浆抗拉强度的影响微乎其微，但外掺剂类型、玄武岩纤维掺量以及纤维长度对水泥浆劈裂抗拉强度影响较大；根据试验结果，最终选择纳基膨润土外掺剂，同时选用长度12mm的玄武岩纤维，并按0.4%的掺量掺加，以最大程度提升玄武岩纤维加筋防渗墙劈裂抗拉强度。

关键词：防渗墙；TRD工法；玄武岩纤维；性能试验；抗拉强度

▍0 引 言 

TRD(Trench cutting Re-mixing Deep wall）工法也称为等厚水泥土搅拌墙施工技术，主要借助锯链式切削箱进行等厚水泥土搅拌墙的连续施工。具体而言，将锯链式切削刀具插入待处理地基，掘进切削至墙体设计深度后注入固化剂，将其与原位土充分混合搅拌后，继续水平推进、横向切削，最终构建起等厚水泥土搅拌墙。为提升防渗层防渗性能以及结构抗变形能力，避免防渗层内出现水力劈裂破坏，通常在TRD工法水泥土内掺加加筋材料以提升结构抗拉强度[1]。加筋材料主要以纳米材料和纤维为主，现有研究成果均停留在实验室分析层面，而在施工过程中如何确定纤维类型、纤维掺量及纤维与水泥土的搅拌方法等问题却始终困扰技术及施工人员。玄武岩纤维为玄武岩矿石在高温下拉丝而成的高抗拉强度、高变形模量、高耐腐蚀性的掺料，具备可降解性。通过文章对TRD工法玄武岩纤维加筋防渗墙性能试验及分析，确定玄武岩纤维长度及最佳掺量，为推进TRD施工技术在水利堤防、大坝工程中的应用提供参考。

▍1 工程概况及施工工法 

沙湖山好坐落在庐山市沙湖山乡境内，距离庐山市城区约68km，全长12.085km，好堤等级为5级，防洪标准为10a一遇洪水位。由于好堤建堤时间早、施工工艺落后、填筑土料质量参差不齐，且好堤经逐年加高培厚，堤身密实性较差，而且多数堤身单薄，堤身渗漏较为普遍。汛期高水位背水坡出现漏水、散浸、堤脚疲软甚至渗透破坏等险情，对堤身安全构成较大威胁。

针对堤身渗透破坏现状，结合堤身土质，参照近年来堤防堤身防渗处理实践经验，确定堤身的防渗加固处理措施为TRD工法加筋防渗墙。该工法对于堤身填土不实、密实性差，堤基透水层较厚的工程较为适用，其成墙原理见图1。

图1 TRD工法成墙原理

▍2 施工材料及搅拌工艺 

如果在施工现场水泥土内直接掺加玄武岩纤维，必然引起纤维材料局部堆积，堵塞TRD出浆口。为此，必须在玄武岩纤维中添加外掺剂，拌匀后再加入水泥与水的搅拌分散液拌和，保证玄武岩纤维束以单丝状态分散在水泥浆液内。常用的外掺剂主要有纳基膨润土、石膏粉、素填土和黄砂，必须通过试验确定玄武岩纤维搅拌分散效果，进而确定沙湖山好好堤深层搅拌桩连续防渗墙加固所适用的外掺剂种类。

试验用玄武岩纤维由庐山市欧瑞建筑材料公司提供，纤维筋长度包括6mm、12mm、24mm两种规格，束状单丝直径13μm，抗拉强度=2000MPa，密度2650kg/m3，弹性模量100~120GPa，熔点1250℃，抗酸碱性能=99%，极限延伸率3.6%。

搅拌分散液试验材料掺量详见表1，分散液制备过程及效果因外掺剂类型的不同而略有区别：①纳基膨润土搅拌分散液制备时，先将外掺剂和玄武岩纤维干拌和，均匀后再在干拌和物中加入水泥浆湿拌。纳基膨润土搅拌分散液试验过程中，外掺剂和玄武岩纤维干拌时产生大量颗粒貓附在纤维束四周，在湿拌后充分发挥分散效应；搅拌分散液貓稠度适中，适用于机械搅拌。②石膏粉搅拌分散液制备时，在搅拌桶底平铺石膏粉，并通过鼓风机将玄武岩纤维吹散平铺，此后拌和均匀；加入干水泥粉继续干拌，均匀后加水湿拌。石膏粉颗粒润滑，与玄武岩纤维貓貓难度大，无论干拌和湿拌均无法将石膏粉和纤维拌和均匀，土层机械搅拌很难展开。③素填土搅拌分散液制备时，在搅拌桶底平铺素填土，并通过鼓风机将玄武岩纤维吹散平铺，此后拌和均匀；加入干水泥粉继续干拌，均匀后加水湿拌。在干拌过程中，玄武岩纤维束状结构持续分散，但进入湿拌阶段后，纤维又呈团絮状分布形式，土层机械搅拌仍存在较大难度。④黄砂搅拌分散液制备时，在搅拌桶底平铺黄砂，并通过鼓风机将玄武岩纤维吹散平铺，此后拌和均匀；加入干水泥粉继续干拌，均匀后加水湿拌。黄砂分散液湿拌结束后，大部分黄砂均沉淀在液体底部，部分纤维以团状漂浮于分散液表面，玄武岩纤维在分散液中单丝状分散效果较差。

综上分析，沙湖山好好堤加固TRD工法玄武岩纤维加筋防渗墙主要采用纳基膨润土外掺剂。防渗墙施工时，通过滚筒搅拌机进行玄武岩纤维和纳基膨润土干拌和，此后将水灰比为1.3的水泥浆液掺进干混合物内拌和，待分散液内玄武岩纤维束分散均匀后倒入泵送集料斗。通过支撑台固定切割箱，并使切割箱连接TRD主机，待主机返回施工位置后打入切割箱，再由切割箱自行挖掘至设计深度。切割箱持续前移的过程中将原土层切割成槽，一段行程后切割箱返回起点，更换浆液。待掺进压浆泵内的混合浆液固化后切割箱再次前移，将泥浆与挖掘液充分混合形成等厚水泥土搅拌墙。

▍3 取芯劈裂抗拉试验 

沙湖山好好堤加固深层搅拌桩连续防渗墙采用TRD工法施工，工程区地处杨柳津河左岸称阳湖西侧，好区主要为称阳湖滨湖平原地貌和河口三角洲地貌，地势开阔平坦，地表水系发育，河汉、湖泊及渊塘分布广泛，沿河漫滩、I级阶地发育。工程区内地层从新生界至第四系分布最广，主要为流塑状淤泥质粉质黏土。试验段地层天然含水率36.4%，饱和度97%，重度18.1kN/m3，液限33.9%，塑限22.8%，塑性指数10.9，孔隙比1.03。采用表1中纳基膨润土搅拌分散液，水泥分别按15%和18%掺加，玄武岩纤维长度为6mm、12mm、24mm三种，按照0.2%、0.4%、0.6%的比例掺加。按照以上方案展开正交试验。

3.1取芯试样

试验段是沙湖山好好堤深层搅拌桩连续防渗墙的一部分，在完成试验段施工后，将试验段分成7段，通过敞口薄壁取土器和尺寸100mm×300mm的取样管从TRD深层搅拌桩连续防渗墙处钻探取样，按照2.0m间距在每个试验段布置3个取样孔，每个取样孔内平行取样4个，取样深度在6～12m之间。试样制备通过薄壁样推土和环刀法进行，试样设计尺寸为。50mm×100mm。将制备好的试样静置于保湿器内持续养护24h。将每个试验段所取得的试样均按照7d、28d、90d龄期在相对湿度=95%且温度20±3℃的环境下养护，养护结束前1d浸泡于水中，保证浸泡时间为24h。试验段试样配比情况详见表2，表中C表示水泥，B表示玄武岩。

3.2抗拉强度计算

TRD工法玄武岩纤维加筋防渗墙抗拉强度主要根据线弹性理论展开计算，公式如下：

σt=2P/πdl(1)

式中：σt为TRD工法玄武岩纤维加筋防渗墙抗拉强度，MPa;P为破坏荷载，kN;d为试样直径，mm;l为试样设计长度，mm。

在试验开始前，确定出劈裂线具体位置，并保证其与底部中心线重合，将试样放置于压板中心，按照8mm/min的试验加速度持续加载至最大荷载水平，并急剧下降。

3.3试验结果

3.3.1抗拉强度

应用式（1）换算出试验峰值荷载数据的基础上，同时可得出抗拉强度试验结果和对应的变异系数，具体见表3。由表中试验结果可知，试样抗拉强度随养护龄期的增大而增大；玄武岩纤维分散程度通过变异系数体现，变异系数取值越小，则纤维材料分散越均匀。结合沙湖山好好堤加固工程实际，当玄武岩纤维掺量取0.4%，纤维长度6mm时，试样抗拉强度取最大。以该结果展开试验段施工后，从防渗墙钻孔取样加载破裂面明显可以看出，玄武岩纤维丝以均匀单丝状附着于试样拉裂面，且纤维丝基本与拉裂面垂直，说明玄武岩纤维充分发挥出张拉约束作用。

3.3.2水泥掺量的影响

水泥土基体出现受拉破坏后纤维的抗拉特性将发挥作用，改善水泥土抗拉性能，故在水泥土中掺加玄武岩纤维后抗拉强度将显著提升。根据试验结果，水泥掺量15%且玄武岩纤维掺量0.4%的试样抗拉强度比水泥掺量18%的素混凝土试样高出10%，表明即使水泥掺量不增加，只要加入玄武岩纤维，则水泥土抗拉性能将显著提升。

3.3.3玄武岩纤维的影响

根据对不同龄期、不同玄武岩纤维掺量下试样抗拉强度的试验，在养护龄期相同的情况下，试样抗拉强度增长率随着玄武岩纤维掺量的增大而提高，提升至一定水平后反而下降。通过分析原因发现，玄武岩纤维掺量对其分散效果影响较大，掺量过高时同向纤维束数量增多，并对基体间摩擦起到阻碍作用，导致软弱面出现，在遭受劈裂荷载作用后引发破坏和抗拉强度降低。此外，玄武岩纤维掺量过高还会缩小纤维间距，进而降低纤维和水泥基体之间的握裹力。

根据表4中试验结果，出于工程效果和经济性方面的考虑，该工程好堤加固TRD工法玄武岩纤维加筋防渗墙最佳纤维掺量为0.4%，以通过掺加玄武岩纤维而最大程度改善水泥土劈裂抗拉强度性能。

玄武岩纤维长度对水泥土劈裂抗拉强度也具有一定程度的影响，试验结果详见表5。试样抗拉强度增长率随着玄武岩纤维长度的增大而先增后减，究其原因主要在于，纤维长度过短，则很容易被拔出，过长又会引发结团，纤维强度还没充分发挥水泥土基体就已经遭遇破坏。根据试验结果，应选用长度12mm的玄武岩纤维。

▍4 结 论 

综上所述，沙湖山好好堤加固TRD工法玄武岩纤维加筋防渗墙通过将纳基膨润土和玄武岩纤维干拌和，使纳基膨润土颗粒大量附着在纤维束四周，并确保纤维束在膨润土内均匀分散，此后与水泥浆液拌和，玄武岩纤维束会随即均匀分散于水泥浆液中，所得到的浆液黏稠度适于土层机械搅拌。选用长度12mm的玄武岩纤维材料，并将纤维掺量控制在0.4%，能最大程度改善水泥土劈裂抗拉强度性能，也使沙湖山好好堤加固TRD工法玄武岩纤维加筋防渗墙施工质量得到提升。