韓成國(guó)

（中鐵十七局集團(tuán)第五工程有限公司 山西太原 030032）

1 研究背景

呂梁地下綜合管廊工程地處呂梁市大武鎮(zhèn)，擬建線(xiàn)路全長(zhǎng)13.8 km，管廊主體設(shè)計(jì)高度約4.5 m，寬度約12 m。本工程屬于深基坑開(kāi)挖，支護(hù)形式為混凝土灌注樁排樁支護(hù)，樁體頂端設(shè)計(jì)冠梁連成整體。本工程一期全線(xiàn)施工緊鄰209國(guó)道，施工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)由于冠梁施工受?chē)?guó)道護(hù)欄影響，國(guó)道側(cè)模板施工難度大。從經(jīng)濟(jì)角度考慮，本工程擬用土模進(jìn)行施工，并就土模施工的可行性進(jìn)行研究。

2 水在土體中滲透的影響因素

土是自然界的產(chǎn)物，是由巖石經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的物理、化學(xué)風(fēng)化作用以及剝蝕、搬運(yùn)、沉積作用等交錯(cuò)復(fù)雜的自然環(huán)境中所生成的各類(lèi)沉積物。土的類(lèi)別分為飽和土和非飽和土，由固相、液相兩相組成的土為飽和土，由固相、液相、氣相3項(xiàng)組成的土為非飽和土，本工程研究的土為非飽和土［1］。

有研究認(rèn)為非飽和土中水的運(yùn)動(dòng)能量分為動(dòng)能和勢(shì)能［2］，通過(guò)觀(guān)察發(fā)現(xiàn)水在土體孔隙間的流動(dòng)緩慢，所以由動(dòng)能催動(dòng)水遷移的動(dòng)力幾乎不起作用，因此土中水遷移的動(dòng)力主要體現(xiàn)為勢(shì)能，稱(chēng)之為土水勢(shì)。

土水勢(shì)分為重力勢(shì)、壓力勢(shì)、基質(zhì)勢(shì)和溶質(zhì)勢(shì)，其中重力勢(shì)是高位水相較于低位的所具有的勢(shì)能；壓力勢(shì)是水分在大氣壓與土體中閉口孔隙壓力差作用下所具有的勢(shì)能；基質(zhì)勢(shì)是由水分抵抗土體的毛細(xì)管力和吸附力產(chǎn)生的勢(shì)能；溶質(zhì)勢(shì)又稱(chēng)為滲透勢(shì)，是由于土體中水分所含有的離子態(tài)或非離子態(tài)的溶質(zhì)對(duì)于水分的吸持作用所產(chǎn)生的勢(shì)能。

由于土的碎散性和多向性，衍生出土力學(xué)的一個(gè)概念“土骨架”，土骨架中含有連接的孔隙，孔隙中的流體在勢(shì)能差的作用下會(huì)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。因此，土體中具有被水等液體滲透通過(guò)的性質(zhì)稱(chēng)為土的滲透性。

非飽和土的滲透系數(shù)是反映水分在土體中運(yùn)動(dòng)快慢的指標(biāo)，影響滲透系數(shù)的因素有土的粒徑大小與級(jí)配、孔隙比、礦物成分、結(jié)構(gòu)、飽和度。其中土的粒徑與級(jí)配、孔隙比對(duì)土體滲透系數(shù)影響起決定性作用。當(dāng)外界存在自由水時(shí)，水會(huì)向土體進(jìn)行滲透，非飽和土向飽和土方向發(fā)展［3］，也有應(yīng)用表明土越密實(shí)，孔隙比越小，滲透系數(shù)越低［4］。

3 混凝土水泥水化、硬化過(guò)程及原理

有研究指出混凝土中水泥水化過(guò)程分為五個(gè)階段，即誘導(dǎo)前期、誘導(dǎo)期、加速期、減速期、穩(wěn)定期［5］。

（1）誘導(dǎo)前期是指水泥在加水后引起的劇烈反應(yīng)，該階段一般在15 min左右。

（2）誘導(dǎo)期是指水化速率極其緩慢的階段，是混凝土保持塑性的重要原因，該階段一般在2～4 h。

（3）加速期是指水化速率重新加快，并隨著時(shí)間的增加而增加的階段，是漿體結(jié)構(gòu)成型的重要階段，該階段在4～8 h。

（4）減速期是指水化速率開(kāi)始下降，并隨著時(shí)間的推移而持續(xù)降低的階段，該階段在12～24 h。

（5）穩(wěn)定期是指水化速率重新變得很低，反應(yīng)過(guò)程基本趨于穩(wěn)定，該階段一般在24 h之后。

T.C.Powers模型［6］認(rèn)為水在混凝土體系中分為兩類(lèi)，即蒸發(fā)水和非蒸發(fā)水，蒸發(fā)水不參與水化反應(yīng)，非蒸發(fā)水參與水化反應(yīng)。在理想狀態(tài)下，當(dāng)所加水量全部為非蒸發(fā)水時(shí)，混凝土水膠比為0.227，但實(shí)際施工中的混凝土水膠比遠(yuǎn)大于該值。因此在混凝土水化前期沒(méi)有形成漿體結(jié)構(gòu)的階段，其內(nèi)部還有大量未參與水化且不受漿體結(jié)構(gòu)限制的自由水。

4 研究?jī)?nèi)容與方法

4.1 研究?jī)?nèi)容

由于混凝土強(qiáng)度影響因素眾多，除了混凝土自身及原材、環(huán)境等因素外，土體的各項(xiàng)性質(zhì)及狀態(tài)對(duì)現(xiàn)澆混凝土強(qiáng)度有重要影響，本文著重研究土的密實(shí)程度對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響。

4.2 試驗(yàn)方案

在現(xiàn)場(chǎng)劃出十個(gè)試驗(yàn)區(qū)段，各個(gè)區(qū)段通過(guò)機(jī)械碾壓，使每個(gè)區(qū)段土體形成不同的壓實(shí)度，在每個(gè)區(qū)段內(nèi)制作出若干試坑，模擬施工澆筑混凝土的狀態(tài)，并預(yù)制對(duì)比試件。經(jīng)28 d后，對(duì)不同條件下混凝土試件進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，并將現(xiàn)場(chǎng)澆筑取樣試件、現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制同條件標(biāo)準(zhǔn)試件和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試件進(jìn)行28 d強(qiáng)度對(duì)比。

4.3 試驗(yàn)步驟

4.3.1 土樣制取及室內(nèi)試驗(yàn)

為保證對(duì)施工的指導(dǎo)性，本試驗(yàn)地點(diǎn)設(shè)在離石大武鎮(zhèn)工地，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)在試驗(yàn)地點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)取土樣［7］，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)去除表面浮土和雜質(zhì)方可進(jìn)行取土。將土樣在室內(nèi)進(jìn)行天然含水率、顆粒分析、液塑限、重型擊實(shí)等試驗(yàn)。

由表1可知小于0.075 mm組分的含量為58.7%，塑性指數(shù)為8.7，文獻(xiàn)［8］中關(guān)于土類(lèi)劃分該土質(zhì)應(yīng)為粉土。

表1 土樣各項(xiàng)指標(biāo)

4.3.2 現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度控制

本試驗(yàn)段全長(zhǎng)約100 m，寬約2 m，在全段長(zhǎng)度內(nèi)采用環(huán)刀法取得10個(gè)土樣測(cè)得原狀土的干密度。根據(jù)要求，原狀土樣同一組試樣間密度的允許差值為0.03 g/cm3，本試驗(yàn)測(cè)得原狀土密度為1.40～1.42 g/cm3之間，極差為0.02 g/cm3，符合要求的允許差值，故以壓實(shí)度的平均值為代表值即78.4%。將全試驗(yàn)段分為10個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域長(zhǎng)度約10 m，利用壓實(shí)機(jī)械將每個(gè)區(qū)域壓實(shí)度都提高到一定數(shù)值，即從原狀土初始?jí)簩?shí)度開(kāi)始，每個(gè)區(qū)域壓實(shí)度以1%～3%遞增。壓實(shí)機(jī)械采用JM812HB垂直振動(dòng)壓路機(jī)，作業(yè)前清除地表浮土、垃圾等，在每個(gè)區(qū)域進(jìn)行靜壓或者振動(dòng)壓實(shí)過(guò)程中，及時(shí)測(cè)取每段干密度，以保證將壓實(shí)度控制在預(yù)期要求范圍內(nèi)。為保證每段壓實(shí)度的均勻性和代表性，應(yīng)在距原地面10～20 cm深度進(jìn)行環(huán)刀法試驗(yàn)，每段測(cè)定壓實(shí)度的樣本均不少于6個(gè)，測(cè)點(diǎn)距每區(qū)段長(zhǎng)度方向邊緣至少2 m，同一測(cè)區(qū)干密度極差不大于為0.03 g/cm3，以平均值作為區(qū)域代表值（見(jiàn)表2）。

表2 各區(qū)域壓實(shí)度代表值

4.3.3 混凝土準(zhǔn)備及試件制作、養(yǎng)護(hù)

本試驗(yàn)所用混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35，設(shè)計(jì)坍落度為180～220 mm，配合比依據(jù)文獻(xiàn)［9］設(shè)計(jì)，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 C35混凝土標(biāo)準(zhǔn)配合比

準(zhǔn)備22組邊長(zhǎng)為150mm×150 mm×150 mm經(jīng)校準(zhǔn)合格的試模，刷油后備用。在現(xiàn)場(chǎng)用平鏟將各段分別挖出6個(gè)邊長(zhǎng)約為20 cm和6個(gè)邊長(zhǎng)為15～16 cm的立方體試坑，試坑邊緣間距不少于1 m且距各區(qū)段邊緣不少于2 m。在拌和站按照表3配比拌制混凝土，拌制過(guò)程應(yīng)按照文獻(xiàn)［10］執(zhí)行，通過(guò)混凝土罐車(chē)運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)，將混凝土卸到小推車(chē)上人工制作試件，試件制作整個(gè)過(guò)程應(yīng)按照文獻(xiàn)［11］執(zhí)行。

將制作好的2組試?；炷练旁?0℃±5℃的室內(nèi)靜置，剩余20組試件放在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)靜置。24 h后將室內(nèi)及現(xiàn)場(chǎng)的試件脫模、編號(hào)。將室內(nèi)脫模的試件放到溫度為（20±2）℃、相對(duì)濕度95%以上的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，將現(xiàn)場(chǎng)脫模的試件分別放入每段已挖好的邊長(zhǎng)約15～16 cm的立方體試坑中，并用擾動(dòng)土填補(bǔ)到試件與試坑的縫隙中，保證試件與土體完全接觸。

4.3.4 混凝土性能試驗(yàn)結(jié)果

從加水拌和開(kāi)始28 d后，在20 cm的立方體試件上制取φ100×100 mm的圓柱體標(biāo)準(zhǔn)芯樣試件?？紤]圓柱體試件的代表性，成型后的圓柱體試件應(yīng)取自立方體試件的中心部位，試件尺寸偏差要求應(yīng)符文獻(xiàn)［12］規(guī)定，并對(duì)試件進(jìn)行編號(hào)，將標(biāo)養(yǎng)試件、同條件試件和圓柱體試件分別進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)（見(jiàn)表4）。

圖1 混凝土強(qiáng)度隨壓實(shí)度變化曲線(xiàn)

表4 圓柱體及立方體試件抗壓強(qiáng)度

從圖1、表4中可以發(fā)現(xiàn)：（1）芯樣試件的強(qiáng)度隨著壓實(shí)度的增加而增長(zhǎng)，當(dāng)壓實(shí)度達(dá)到一定程度時(shí)，混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)放緩；（2）同條件標(biāo)準(zhǔn)試件強(qiáng)度隨壓實(shí)度的增加緩慢增長(zhǎng)，壓實(shí)度較高時(shí)幾乎不增長(zhǎng)；（3）在低壓實(shí)度時(shí)同條件的試件強(qiáng)度明顯高于圓柱體試件，隨著壓實(shí)度不斷升高，同條件立方體試件與圓柱體試件強(qiáng)度差距逐漸變小；（4）當(dāng)壓實(shí)度達(dá)到一定程度時(shí)，標(biāo)養(yǎng)立方體試件強(qiáng)度與折算后同條件立方體試件強(qiáng)度相差無(wú)幾［13］。

4.3.5 結(jié)果分析

對(duì)于上述結(jié)果，通過(guò)結(jié)合土體及混凝土理論可以發(fā)現(xiàn)：

（1）芯樣試件的強(qiáng)度隨著壓實(shí)度的增加而增長(zhǎng)的原因是由于在同土質(zhì)條件下，低壓實(shí)度中土體氣相占比較大，孔隙率較高，滲透系數(shù)較大，導(dǎo)致水在土體中更加容易流動(dòng)；另一方面由于混凝土水泥漿體在水化前期自身結(jié)構(gòu)沒(méi)有形成，自由水因?yàn)楸换炷磷陨斫Y(jié)構(gòu)限制較小，所以在土體的滲透作用下向土體中遷移，而且水泥水化是一個(gè)長(zhǎng)期過(guò)程，在水泥水化穩(wěn)定期以后混凝土中水泥水化程度會(huì)因水分減少而逐漸受到限制，甚至停滯，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)展達(dá)不到預(yù)期，進(jìn)而導(dǎo)致強(qiáng)度降低。隨著壓實(shí)度逐漸升高，土體密實(shí)度增加，土體氣相占比變小，孔隙比變小，滲透系數(shù)下降，導(dǎo)致水在土體中流動(dòng)變得困難，水的滲透、遷移特性越不明顯。這種狀況下使得混凝土內(nèi)部的水分流失逐漸變慢，混凝土中水泥水化的限制減小，內(nèi)部結(jié)構(gòu)得以逐漸完善，使混凝土強(qiáng)度隨著壓實(shí)度的增加逐漸增長(zhǎng)。

（2）當(dāng)壓實(shí)度達(dá)到一定程度時(shí)，土體非常密實(shí)，孔隙比很小，滲透性也變得很小，混凝土中的水遷移更加緩慢，幾乎不影響混凝土內(nèi)部水泥的水化進(jìn)程，使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)展非常完善，故芯樣強(qiáng)度與同條件立方體試件相差無(wú)幾。

（3）因混凝土硬化漿體結(jié)構(gòu)性能與水化早期漿體結(jié)構(gòu)形成密切相關(guān)，試模混凝土內(nèi)自由水除少量蒸發(fā)外，沒(méi)有因土體的滲透性而遷移。因此，混凝土在水化前期漿體結(jié)構(gòu)形成幾乎不受影響，且在漿體結(jié)構(gòu)形成之后，內(nèi)部自由水的移動(dòng)會(huì)因漿體結(jié)構(gòu)的存在而受到限制，土體滲透性影響力下降，在低壓實(shí)度下，混凝土自由水遷移量減少，較大程度保證了混凝土后續(xù)的水化硬化，因此在土體中的混凝土立方體試件強(qiáng)度隨著壓實(shí)度降低而略有下降。也因?yàn)橥馏w中成型的混凝土在前期漿體結(jié)構(gòu)未形成前，由于土體滲透作用，使混凝土中自由水流失，導(dǎo)致在低壓實(shí)度條件下，試模中成型的混凝土強(qiáng)度要高于土體中混凝土的強(qiáng)度。

（4）同條件立方體試件的強(qiáng)度受土體影響較小，只受外界溫度、濕度影響，因此當(dāng)壓實(shí)度到達(dá)89%以上時(shí)，同條件立方體試件的強(qiáng)度經(jīng)過(guò)折算系數(shù)修正后與標(biāo)養(yǎng)試件的強(qiáng)度幾乎相同。

（5）需要指出的是混凝土中摻了粉煤灰，粉煤灰的二次水化對(duì)混凝土后期強(qiáng)度幫助較大，但粉煤灰的二次水化程度也受水泥前期水化產(chǎn)生的Ca（OH）2數(shù)量的影響，由于混凝土前期水化受限，產(chǎn)生的Ca（OH）2數(shù)量不足，所以粉煤灰對(duì)圓柱體試件的強(qiáng)度發(fā)展也會(huì)產(chǎn)生影響。

5 結(jié)論

通過(guò)上述試驗(yàn)和分析可以得出結(jié)論，不飽和粉土在低壓實(shí)度條件下，現(xiàn)場(chǎng)澆筑的混凝土強(qiáng)度受土體作用的影響，并隨壓實(shí)度增加而增長(zhǎng)；當(dāng)不飽和粉土壓實(shí)度達(dá)到95%以上時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)澆筑混凝土強(qiáng)度不受土體作用影響，并能達(dá)到混凝土強(qiáng)度的預(yù)期要求。