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TRD工法水泥土墙现场取芯的三轴渗透试验

摘要

摘要:为提高TRD工法在国内的应用水平，通过对天津市某基坑项目TRD水泥土墙进行现场取芯，在实验室内进行三轴渗透试验，得出水泥土墙在不同水泥掺入比条件下的芯样渗透系数曲线、不同养护龄期条件下芯样的渗透特性关系和不同土层条件下的芯样渗透系数对比，并分析产生上述曲线关系的原因，得出满足基坑止水要求的水泥经济掺入比和合理的养护龄期，给出了不同龄期下TRD水泥土墙渗透系数与水泥掺入比的经验公式.结果表明，TRD工法优于传统的SMW工法.

关键词:TRD工法;水泥土墙;现场取芯;三轴渗透试验;水泥掺入比;龄期;粉土;粉质黏土

一

前言

TRD工法就是一种在地面上垂直插入链锯型刀端口连接刀链锯，链锯刀钻上下运动主机沿成墙方向水平移动，切剖出沟渠并注入固化液使之和原位置的土混合，构筑一道等厚的地下连续墙的一种工法 .TRD工法通过横向运动成墙，可以形成没有接口的等厚连续的墙体，是真正意义上的“墙”而绝不是“篱笆”.止水防渗效果远远优于柱列式连续墙，比传统工艺施工节约成本，具有工期短、造价低、低噪音和环境影响小的优点，可用作建筑物本体，且止水围护效果好，节省了混凝土与钢材资源，无地下二次污染，不仅节约了水资源，而且提高了施工管理水平，促进了基坑围护施工技术的发展.

TRD工法水泥土墙既能解决基坑支护问题。又能起到良好的帷幕效果，从使用至今已在日本、新加坡、美国等完成了上千个工程项目.近几年，这一工法引入中国，先后在上海、浙江、江苏、天津和辽宁等地得到广泛应用，但目前国内还没有对这一地下成墙技术进行详细的研究.本文结合天津市某基坑支护项目，通过现场钻墙取芯 (见图 1)及室内三轴渗透试验的方法对 TRD工法水泥土墙的渗透性进行了系统的研究.

二

试样制备与试验方法

根据天津市五大道某基坑工程地质勘察报告，地层主要为粉质黏土和粉土.本文主要对这两类土体进行水泥土墙的渗透性试验研究，其参数见表 1.

链条式成槽机在场区内指定位置进行成墙试验时，水泥种类普通硅酸盐水泥掺入比分别为 5%、10%、15%、20%和 25%，当龄期为 7、14、28、60和 90d后，对墙体进行钻芯取样，送至试验室后制备成高 H=8cm，@=3.91cm的试样.同时，在相应土层对土体进行取样，以作对比试验.试验采用常规三轴仪测试水泥土墙芯样的渗透系数，试验装置如图 2所示.与传统方法相比，本方法可有效地控制试样的围压，提供较大的渗透水压力，有效地控制过流面积，提高渗透系数的测试精度，还可以在测试渗透系数的同时，采集其他数据，如孔隙水压力等，为进一步开展水泥土墙芯样的力学试验研究提供数据.

三

试验过程及结果

2.1 试验过程

试样按土工试验规程 (SL237–1999)中的三轴压缩试验规定进行装样，然后使试样饱和，即通过周围压力控制系统给试样施加20kPa周围压力进行预压，然后分级施加反压力给试样提供渗透水压力，并同时分级施加周围压力，始终保持周围压力比反压力大20kPa.观测连接渗水出口的体变管，当水位稳定上升时，表示试样已经饱和.在给定的周围压力 σ3 和渗透水压力 σb 下，每间隔30min时间测读连接渗水出口的体变管中的渗出水量.每级压力下，测读3次渗出水量按式(1)计算其渗透系数(若试样在周围压力σ3作用下排水固结，考虑水泥土的渗透变形，按式 (2) 计算)，取试验结果的平均值。即

注意各级压力下渗透流量及渗透流速的变化稳定，逐级增加渗透压力，直至渗透坡降与渗透流速呈线性关系，试验结束。

2.2 试验结果

经估算，取样位置的压力水头为10m，土水侧压力(合力)约为150kPa.选择周围压力σ3为150kPa，渗透水力 σb 为 100kPa的试验条件，分别针对土体试样和水泥土墙芯样进行渗透试验，试验结果如表2所示 .

四

不同水泥掺入比条件下的芯样渗透试验结果分析

图3是粉土层TRD水泥土墙的14、28和90d龄期的渗透系数与水泥掺入比的关系曲线，

图4是粉质黏土层TRD水泥土墙的14、28和90d龄期的渗透系数与水泥掺入比的关系曲线.从图中可知，无论龄期如何，水泥土墙芯样的渗透系数变化规律较统一，随水泥掺入比的增加而减小.粉土及粉质黏土层水泥土墙渗透系数与水泥掺入比关系曲线在掺入比为5%~15%区间内较陡，曲线变化速度较快.以龄期14d为例，两种土层的渗透系数分别从7.30E-07和4.24E-07减小至7.50E-08和7.24E-08，减小幅度分别为89.7%和82.9%.当水泥掺入比达到15%时，曲线趋向平缓，渗透系数减小幅度明显降低.分析其原因为水泥颗粒与原状土搅拌后充分混合，水泥颗粒不但填充了原有土体内的孔隙，水泥水化后与周边土颗粒胶结成为整体，致使芯样渗透系数明显降低.当水泥掺入比超过15%后，芯样内剩余孔隙接近极小值，再度加入水泥掺量对水泥土整体渗透系数改观不甚明显.当TRD水泥土墙用作止水帷幕时，水泥掺入比约为15%时便可满足规范中对止水帷幕的渗透性要求，同时也避免了一味追求低渗透性而加大水泥掺量造成的浪费.

根据试验曲线的形状可以选择回归公式，并利用回归分析理论对试验得到的数据进行统计分析，如图5所示.图5为粉质黏土层水泥土墙试验数据回归分析拟合曲线.

经过对试验数据的回归分析得到回归关系式如下:

14d龄期时，

k=1.036×10-6×exp(-x/4.69)+6.78×10-8

28d龄期时，

k=5.2956×10-7×exp(-x/4.78)+2.506×10-8

式中:k为渗透系数;x为水泥掺入比.

五

不同龄期条件下的芯样渗透试验结果分析

图6a、b分别为粉土层、粉质黏土层芯样的渗透系数与时间关系曲线.由图6可知，粉土层、粉质黏土层芯样的渗透系数随龄期的增长逐渐减小，抗渗透能力逐渐增强，尤其是在初始的28d内，曲线斜率变化较快，表明两类芯样的渗透系数降低较快.当水泥掺入比小于15%时，28d后两类芯样的渗透系数降低速度较慢，下降幅度不甚明显，基本上曲线存在一个较明显的转折点;而水泥掺入比超过15%时，两类芯样的渗透系数在28d后仍有一定幅度的下降.

从以上分析可知，TRD水泥土墙中水泥掺入比对水泥土的渗透系数在初始阶段有显著影响，基本在28d后这种影响会逐渐降低，TRD水泥土墙在基坑工程中作为止水帷幕使用时，一般龄期为28d后，墙体的渗透系数才能满足止水要求.

六

不同土质条件下芯样的渗透系数

图7为水泥掺入比为15%时不同土质条件下芯样的渗透系数与龄期的关系曲线.从图中可知粉土层、粉质黏土层原渗透系数分别为5.75E-05、8.282E-06，二者约为7倍的关系，但经TRD工法成墙后，渗透系数下降明显，而不同龄期两种土层的水泥墙芯样渗透系数差别很微小.以龄期28d为例，位于粉土层深度的芯样渗透系数为4.87E-08，位于粉质黏土层深度的芯样渗透系数为4.45E-08，下降量分别为原渗透系数的99.92%和99.46%，而且成墙后二者的渗透系数基本上相等.

由此可见，虽然两类土层渗透系数下降幅度不同，但最终取芯的渗透系数相差较小，即TRD水泥土墙墙体上下较均匀，渗透性基本一致.相比于传统的SMW工法，优势更加明显.传统SMW工法属原位地层搅拌技术，搅拌后桩体上下离散性较大，渗透系数差别也较大，TRD工法属水平和竖直向同时搅拌技术，致使上下土层完全混合，各向物理参数离散性更小.TRD工法水泥土墙对加固地层，降低土体渗透性有着较明显的优势.

七

结论

1)当水泥掺入比小于15%时，曲线变化较明显，掺入比15%时的渗透系数仅为原土层渗透系数的0.06%~3.7 7%;大于15%后曲线趋于平缓，掺入比25%时渗透系数为掺入比15%时渗透系数的40%~71%;掺入比为15%时既满足墙体止水要求，又较经济合理，继续提高水泥掺入比对提高墙体抗渗能力的作用很小.

2)当龄期小于28d时，渗透系数变化较明显，龄期28d时的渗透系数仅为原土层渗透系数的0.054%~2.5 5%;大于28d后渗透系数减小幅度有限，龄期90d时的渗透系数为龄期28d时的渗透系数的39%~78%.

3)两种土层的原渗透系数相差约6倍，经过TRD工法处理后的两土层的渗透系数(龄期为28d，水泥掺入比为15%)相差仅8.6%，墙体沿深度方向的渗透系数十分接近，即墙体均匀性良好，此工法优于传统SMW工法.