陡坡巖質(zhì)河床上深水圍堰水泥砂漿擴(kuò)散試驗(yàn)研究
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戴良軍1，2，3，朱大勇2,3
（1．安徽建工集團(tuán)，安徽 合肥230001;2．合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥230009：3．安徽土木工程結(jié)構(gòu)與材料省級(jí)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥230009）
[摘要]金寨縣新建新桃大橋施工中，在陡坡巖質(zhì)河床上進(jìn)行深水圍堰基礎(chǔ)施工是一項(xiàng)重要且難度較大的工序。特別是在圍堰工程中，深水水下施工復(fù)雜、不易控制且貫穿于整個(gè)施工組織設(shè)計(jì)，最突出的即是深水水下水泥砂漿灌注環(huán)節(jié)。為了有效確定水下水泥砂漿的凝結(jié)時(shí)間以及最優(yōu)配合比，開展了水泥砂漿擴(kuò)散的室內(nèi)試驗(yàn)，以指導(dǎo)實(shí)際工程中水泥砂漿的灌注。室內(nèi)試驗(yàn)安裝根據(jù)現(xiàn)場施工，采用相似比關(guān)系進(jìn)行確定。試驗(yàn)中，采用了不同的縱坡坡度以及不同的碎石層粗糙度以模擬實(shí)際工況，并開展了多組試驗(yàn)。最后對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析和討論。
[關(guān)鍵詞]橋梁工程；擴(kuò)散試驗(yàn)；水泥砂漿；圍堰；灌注；凝結(jié)時(shí)間；配合比
[中圖分類號(hào)]U448. 22[文章編號(hào)]1002-8498(2016)05-0035-03
0 引言
近年來，灌漿技術(shù)在土木工程中發(fā)展迅速，如水泥砂漿灌注技術(shù)已在大型橋梁工程中發(fā)揮了重要作用。不同工程中．灌漿漿體的擴(kuò)散規(guī)律不一，且可能出現(xiàn)差別較大情況，不能循規(guī)蹈矩。為了較好地完成特定工程中的灌漿工序，工程師和研究人員需要開展詳細(xì)的試驗(yàn)或數(shù)值研究，以準(zhǔn)確把握該工況中的注漿工藝、技術(shù)及一般規(guī)律。
Halamickova等開展了關(guān)于水泥砂漿核心結(jié)構(gòu)的影響因素研究，包括透水性、擴(kuò)散性等。
Buenfeld等列出了進(jìn)行水泥砂漿擴(kuò)散試驗(yàn)的一般技術(shù)，并對(duì)砂漿和混凝土的擴(kuò)散特性進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)研究。進(jìn)行了水蒸氣吸附在成熟水泥砂漿上的動(dòng)力學(xué)特性研究，開展了水泥砂漿的非線性擴(kuò)散試驗(yàn)，得到了砂漿擴(kuò)散平衡所需要的有效時(shí)間。Genta開展了水泥砂漿的擴(kuò)散因子預(yù)測研究，試驗(yàn)結(jié)果表明，已提出的基于擴(kuò)散流動(dòng)性的非接觸性假設(shè)具有很大局限性。Mainguy等基于有限元方法得出了混凝土擴(kuò)散的實(shí)用方程，對(duì)水泥砂漿擴(kuò)散研究具有一定的指導(dǎo)作用。Garbalinska提出了一種關(guān)于多孔復(fù)合材料混合水泥砂漿擴(kuò)散的有效試驗(yàn)方法，并通過試驗(yàn)研究了不同水灰比下的水泥砂漿擴(kuò)散試驗(yàn)。
本文針對(duì)金寨縣新建新桃大橋施工中的深水圍堰基礎(chǔ)施工工程，考慮到水下水泥砂漿灌注環(huán)節(jié)復(fù)雜且不易控制的狀況，為有效確定水下水泥砂漿的凝結(jié)時(shí)間以及最優(yōu)配合比，開展了水泥砂漿擴(kuò)散的室內(nèi)試驗(yàn)，并開展了不同縱坡坡度以及不同碎石層厚度的組合試驗(yàn)以模擬實(shí)際工況。
1 工程概況
新建金寨縣新桃大橋位于金寨縣梅山鎮(zhèn)，跨越梅山水庫，是連接縣城梅山鎮(zhèn)與桃?guī)X鄉(xiāng)的重要通道。主橋采用2孔跨度均為160m的上承式鋼筋混凝土箱肋拱，引橋采用跨度13m的簡支空心板，橋梁全長491m。橋位地處大別山區(qū)，地勢起伏較大，地面高差大；橋位基巖出露，主要為石炭系梅山群角巖化泥灰?guī)r( Cms)及燕山期侵入的鉀長花崗巖。橋位區(qū)地下水屬潛水類型。根據(jù)《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》JTG C20-2011及區(qū)域水文地質(zhì)報(bào)告分析判定，場地地下水對(duì)混凝土無腐蝕作用。
其中，4號(hào)墩拱座基礎(chǔ)是全橋施工的重點(diǎn)和難點(diǎn)，是保證基礎(chǔ)工程按期完成的關(guān)鍵，如圖1所示。施工期梅山水庫的水位高程為123. 100m，主拱座基礎(chǔ)均在水位以下10m多深，施工難度很大，若按常規(guī)方法施工，必須等到梅山水庫的水位降至113m才能進(jìn)行。本文提出一種新的圍堰施工方法，即新型混凝土圍堰，通過實(shí)際應(yīng)用取得成功，解決了陡坡巖質(zhì)河床上深水基礎(chǔ)施工的技術(shù)難題。
本工程主要使用了水下水泥灌漿施工技術(shù)，在此過程中，水泥砂漿的凝結(jié)過程控制尤為重要，是該工程能否順利完成的決定性因素。為了有效確定水下水泥砂漿的凝結(jié)時(shí)間以及最優(yōu)配合比，事先開展室內(nèi)試驗(yàn)以獲得近似參數(shù)是最直接也是最有效的手段。
2試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃头椒?
根據(jù)現(xiàn)場的水泥砂漿灌注和擴(kuò)散工況（見圖1)，開展了室內(nèi)原位恢復(fù)試驗(yàn)。其中，水泥砂漿的灌注工藝、碎石層分布、深水環(huán)境以及陡坡都在該試驗(yàn)中保留，以最大限度模擬水泥砂漿的擴(kuò)散特性，且水泥砂漿的配合比采用現(xiàn)場施工的原位比例。
2.1相似性理論
根據(jù)相似性理論，定義了本室內(nèi)試驗(yàn)的相關(guān)參數(shù)設(shè)置，具體如表1所示。除此之外，試驗(yàn)中采用的材料與現(xiàn)場施工完全一致，且定義應(yīng)變、泊松比以及角變形為無量綱常數(shù)。
2.2試驗(yàn)裝置
本室內(nèi)試驗(yàn)中，主要裝置有水槽、長管、注漿系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)以及千斤頂。試驗(yàn)安裝示意如圖2所示，所使用裝置具體描述如下：①水槽選用有機(jī)玻璃材質(zhì)，所制成的水槽尺寸為400cm(L)×200cm（W）×150cm（H）；②注漿系統(tǒng) 由壓力可調(diào)的注漿泵實(shí)現(xiàn)；③千斤頂共需4臺(tái)，用于調(diào)整水槽坡度；④注漿管 鋼管，直徑50mm；⑤碎石 采用連續(xù)級(jí)配的碎石，粒徑范圍為5~ 31. 5mm。
2.3兩個(gè)試驗(yàn)工況
1)墊層厚度本試驗(yàn)考慮了3種厚度，由不同厚度的碎石層實(shí)現(xiàn)，其直徑分別為4，8，12cm。
2)縱坡坡度 考慮了3個(gè)縱坡坡度，分別為00，8 0，150。
由以上2種工況可得試驗(yàn)組合，如圖3所示。
3 試驗(yàn)結(jié)果及分析
根據(jù)擬定的試驗(yàn)安排，開展試驗(yàn)的結(jié)果如圖4～6所示。
由圖4~6可見，在水泥砂漿擴(kuò)散至邊界之前，連續(xù)注漿下水泥砂漿沿下坡的擴(kuò)散速度要明顯快于上坡擴(kuò)散，由此可說明，水下水泥砂漿的流動(dòng)速度受重力影響較大，即在注漿過程中始終會(huì)出現(xiàn)漿體向較低位置蔓延的現(xiàn)象。此外，由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，12cm厚度的碎石層工況下，水泥砂漿的擴(kuò)散速度最快，而相比之下，4cm厚度下最慢。據(jù)此推斷，水泥砂漿的擴(kuò)散速度隨著碎石層厚度的增加而加快，故而在實(shí)際施工過程中，需要保留多厚的碎石層應(yīng)視情況而定。
4 結(jié)語
根據(jù)工程需要，圍堰底腳的團(tuán)結(jié)范圍為：壓漿孔底端向外側(cè)（平坡或坡度向下）≥50cm，向內(nèi)側(cè)（平坡或坡度向上）≥25cm。本試驗(yàn)的主要目的即是確定滿足工程需要的最小注漿時(shí)間（水泥漿液凝結(jié)時(shí)間）。在注漿層厚度為12cm工況下，在平坡條件下注漿時(shí)間在480s時(shí)（漿液擴(kuò)散距離為54cm）可以滿足要求，在80坡條件下注漿時(shí)間在300s時(shí)（漿液擴(kuò)散距離為向下72cm、向上28cm）可以滿足要求，在15 0坡條件下注漿時(shí)間在300s時(shí)（漿液擴(kuò)散距離為向下94cm、向上27cm）可以滿足要求。水泥漿液是由壓漿機(jī)在壓力作用下通過壓漿管送到壓漿孔底端注入注漿層的，當(dāng)水泥漿液流出壓漿孔底端時(shí)即為無壓的自由流體，當(dāng)注漿層厚度較小時(shí)，在相同時(shí)間內(nèi)水泥漿液的自由擴(kuò)散半徑也較小，另外需要的注漿層厚度可以控制在12cm以內(nèi)。因此可以得出以下推論。
1)采用注漿層厚度12cm工況下所需要的最小注漿時(shí)間為注漿控制時(shí)間（水泥漿液凝結(jié)時(shí)間）。
2)當(dāng)坡度在0~ 150時(shí)可用內(nèi)插法確定控制時(shí)間。
3)當(dāng)注漿層厚度<12cm時(shí)，可持續(xù)加壓注漿，使水泥漿液在壓漿孔底端四周壅起，當(dāng)壅起高度達(dá)到12cm時(shí)即可滿足擴(kuò)散半徑要求。
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