高度风化地层中CSM方法结构的材料优化研究

《Materials》：Research on Material Optimization of CSM Method Structures in Highly Weathered Strata Yifan Xie, Haitao Liu, Hao Wen, Chuangui Sun, Yong Chang, Qiang Feng, Lianzhen Zhang and Hongbo Wang

　　

为了解决在高度风化地层中应用CSM（Cutter Soil Mixing）方法时，使用普通水泥材料形成的水泥土（soil-cement）墙体强度低和抗渗性差的问题，本研究通过将CSM方法与H型钢（H-section steel）相结合进行了结构优化。该优化有效解决了CSM方法结合水泥填充桩（cement-filled piles）时存在的效率低和成本高的问题。同时，研究人员以普通硅酸盐水泥（ordinary Portland cement）为基材，添加了玄武岩纤维（basalt fiber）、钠基膨润土（sodium bentonite）和粉煤灰（fly ash），研究了各组分对新型复合材料性能的影响规律。开发了一种适用于高度风化地层的新型CSM材料，该材料具有优异的力学强度和抗渗性。确定了水泥土材料的最优配合比：玄武岩纤维0.5%，粉煤灰15%，钠基膨润土3%。本研究为CSM方法在高度风化地层中的高效经济应用提供了定量依据。

**论文解读：高度风化地层中CSM方法结构的材料优化研究**

**研究背景、问题与意义**
随着中国城市化进程加快，地下空间开发规模持续扩大，对基坑支护技术提出了更高要求。CSM（Cutter Soil Mixing）方法因其通过同步切割与搅拌将原位土与水泥浆均匀混合形成连续墙，被广泛应用于截水墙、支护结构和地基处理等工程领域。然而，在高度风化地层中，普通水泥土墙体存在固化强度不足、抗渗性差以及成本高等问题，严重影响了工程的经济性和施工效率。传统复合工艺如CSM与灌注桩结合难以同时满足现代工程对施工效率和经济性的双重需求，也无法有效解决水泥土墙力学性能和抗渗性的核心缺陷。因此，迫切需要开展结构优化方案和新胶凝材料的研究。现有研究大多集中于单一掺合料的作用机理或结构改进，缺乏在高度风化地层复杂地质条件下，将CSM-H型钢支护与玄武岩纤维-钠基膨润土-粉煤灰多组分胶凝材料进行协同设计与系统优化的综合研究。为此，本研究提出了结合H型钢的CSM结构，以普通硅酸盐水泥为基材，添加玄武岩纤维、钠基膨润土和粉煤灰，研究各组分对新型材料的影响规律，优化固化水泥土配合比，并通过现场工程试验比较CSM加H型钢与钻孔桩的优越性，旨在解决经济性、施工效率以及水泥土墙固化强度不足和抗渗性差的问题，为CSM方法在复杂地层中的高效经济应用提供实用方案。本研究发表在《Materials》期刊。

**关键技术与方法**
本研究主要采用了以下关键技术方法：①数值模拟，使用COMSOL Multiphysics（版本6.0）和理正深基坑支护结构设计软件（版本7.5），对简化基坑模型和整体基坑进行数值分析，比较传统钻孔桩加锚索支护方案与CSM加H型钢支护方案的位移、内力和稳定性；②正交试验设计，建立四因素三水平正交试验（L(3⁴)），以玄武岩纤维、粉煤灰、钠基膨润土为变量，通过极差分析优化固化水泥浆体材料的配合比；③室内试验，包括凝结时间测定（维卡仪）、泌水率、流动度、抗折强度（三点弯曲法）、抗压强度（GB/T 17671）和渗透系数（常水头法）测试；④现场工程验证，依托青岛地铁海西路站基坑工程（长度约101 m，宽度约21.3~49.3 m，深度约22.4~27.9 m），对CSM加H型钢支护方案的效果进行验证，并与传统钻孔桩支护方案进行经济和工期对比。

**研究结果**
### 1. 数值模拟
通过COMSOL和理正软件的数值模拟，比较了钻孔桩加锚索与CSM加H型钢两种支护方案。结果表明：①两种支护结构的水平位移均呈现刚性支撑特征，CSM方案在位移控制上与钻孔桩方案相当；②钻孔桩支护的最大弯矩出现在桩底附近（开挖侧423.95 kN·m，挡土侧-653.1 kN·m），而CSM支护的最大弯矩集中在墙体中部（竖直弯矩开挖侧88.88 kN·m，挡土侧-166.93 kN·m），弯矩集中程度显著降低；③腰梁轴力方面，钻孔桩方案最大轴力为19.51 kN，CSM方案在墙脚处最大轴力为28.65 kN，均满足安全要求。该结果表明CSM加H型钢结构具有良好的适应性，且可避免钻孔桩常见的侧壁渗漏问题。

### 2. 材料配比研究
通过37组不同配合比的固化水泥浆体试验（包括水灰比1.0和0.5的对照组），采用正交试验极差分析，得出以下结论：
- **凝结时间分析**：初凝和终凝时间主要受粉煤灰含量和钠基膨润土含量的影响，粉煤灰通过二次水化反应延长凝结时间。最优配合比为A3B3C1（玄武岩纤维0.5%，粉煤灰15%，钠基膨润土3%）。
- **泌水率分析**：各因素影响顺序为粉煤灰 > 钠基膨润土 > 玄武岩纤维。纤维形成三维网络减缓水分迁移，膨润土吸附水泥颗粒降低泌水，粉煤灰改善稳定性。最优组合为A3B3C1。
- **流动度分析**：粉煤灰含量对流动度影响最大，并呈正相关。原因在于粉煤灰中玻璃微珠降低水泥颗粒间滑动阻力。综合考虑高流动度需求，配合比A2B3C1（玄武岩纤维0.4%，粉煤灰15%，钠基膨润土3%）适用于地下连续墙工程。
- **力学强度分析**：
- **抗折强度**：早期（3d、7d）以玄武岩纤维影响为主，强度随纤维含量增加而提高；28d后粉煤灰成为主导因素，显著增强后期抗折强度。最优组合为A3B3C1。
- **抗压强度**：3d和7d时影响顺序为玄武岩纤维 > 钠基膨润土 > 粉煤灰；28d时变为粉煤灰 > 玄武岩纤维 > 钠基膨润土。纤维形成微观骨架增强强度，膨润土填充孔隙，粉煤灰二次水化生成C-S-H（水化硅酸钙）凝胶致密结构。考虑后期强度，最优配合比为A3B3C1。
- **固化试验**：
- **固化体抗压强度**：水泥掺量增加，无侧限抗压强度提高。新胶凝材料能提升强度，掺量15%以上可满足CSM成墙要求，工程中选用20%水泥掺量（水灰比1.0~2.0，渗透系数≤10^-7 cm/s）。
- **固化体渗透系数**：渗透系数与水泥掺量负相关。掺量达15%以上时渗透系数满足止水要求，且相比对照组可减少5%水泥用量。玄武岩纤维通过桥接和阻裂增强韧性，粉煤灰通过火山灰反应致密化，钠基膨润土通过膨胀密封显著降低渗透性。三元体系构建了“纤维增强-火山灰致密-膨润土密封”的三维改性网络。

### 3. 现场试验
依托青岛地铁海西路站基坑工程，验证了CSM加H型钢支护方案的实际效果。现场施工显示：钻孔桩支护结构常出现侧壁不平整和渗水问题，而CSM方法则形成无缝连续墙（渗透系数≤1×10^-6 cm/s），有效消除桩间渗漏路径。经济对比表明，CSM加H型钢方案综合成本比钻孔灌注桩方案降低19.1%；钢材回收率超过85%；施工工期缩短30%，减少了机械租赁和人工成本；同时降低建筑废料和碳排放，符合可持续发展要求。

**讨论与结论**
本研究通过数值模拟、正交试验和现场验证，系统优化了CSM-H型钢复合支护结构及其胶凝材料配合比。主要结论如下：
(1) 提出的CSM加H型钢及可拆卸锚索结构相比传统钻孔桩支护表现出更优性能。数值模拟结果表明优化方案在位移控制上相当，但墙趾弯矩集中程度降低。海西路站现场应用证实该方法有效解决了钻孔桩常见的侧壁不平整和渗水问题。
(2) 通过正交试验和极差分析，确定了高度风化地层中固化水泥土材料的最优配合比：玄武岩纤维（12 mm）0.5%，粉煤灰15%，钠基膨润土3%。该配比在施工性能（流动度、凝结时间、泌水率）和力学性能（抗压、抗折强度）之间取得了最佳平衡。
(3) 阐明了三元添加剂体系的协同机理：玄武岩纤维提供桥接阻裂增强，粉煤灰贡献火山灰致密化，钠基膨润土确保物理密封。这种多层次改性网络同时提升了强度、韧性和抗渗性，工程中推荐水泥掺量为20%。
(4) 经济分析显示，CSM加H型钢方案相比钻孔桩方案综合成本降低19.1%，钢材回收率超过85%，工期缩短30%，符合绿色施工和可持续发展原则。
本研究存在一定局限性：实验室标准养护条件无法完全反映现场温湿度变化；未系统评估干湿循环和冻融循环下的长期耐久性；数值模拟假设均质地层，未考虑施工扰动和局部地质异常。未来研究应聚焦长期现场监测、耐久性评估、微观结构表征及施工参数优化。