0.   引言

近年来，城市轨道交通利用地下空间资源呈现快速发展势头，盾构法施工在地铁建设中得到广泛应用.由盾构施工排出的渣土约20万m³/d，外运的渣土由于含有泡沫剂、pH值高等原因，给城市环境带来了巨大的负担和挑战(朱瑜星等，2020).地铁废弃渣土的综合利用已成为工程建设、城市环境保护和资源循环的重点问题，也是地铁绿色建设新模式、碳中和实现的新路径.盾构废弃渣土由于成分复杂、性质不稳定，其处置技术还处于初期探索阶段，渣土利用率很低，评价标准和评价方法不完善，目前仍没有形成统一的渣土改良标准.现有研究多集中于研究地铁盾构施工时如何改进地铁渣土性能，确保地铁盾构顺利施工，针对富水砂卵石地层、泥质粉砂岩地层、砂性地层等不同地质条件提出了适宜的渣土改良方法(叶晨立，2018；葸振东等，2021；冯利坡等，2021)，以解决盾构施工中渣土的不良影响问题.黄河洪冲积平原有大量的粉黏土、粉砂土(代黎明等，2020)，其盾构施工后形成的渣土与现有的文献研究土类均有差异(王晓睿等，2019).目前废弃渣土的资源化途径较少，有效投入使用的数量非常有限，急需拓展新的利用途径.

将盾构废弃渣土制成流动化回填土进行资源化利用是有效的手段之一.低强度流动土利用工程渣土，通过与水泥、水等进行配置获得，近年来开始逐渐被工程应用.低强度流动土具有流动性和自密实性能，尤其对于施工不便区域具有很好的应用前景.现有的研究多基于某地区、不同的材料等进行研究，具有很强的地区性.比如针对济南地铁盾构渣土开展的流动土工程应用(易鹏程等，2021)，提出了最佳配比方案，并认为可将盾构渣土作为流动化回填土的一个可行的应用方向.朱浩泽等(2021)以钛石膏为原料制备可控低强度回填材料，研究了建筑渣土取代率、水固比、钛石膏掺量等因素对低强度流动固化土的抗压强度和体积稳定性的影响，并分析了其性能变化的原因；郝彤等(2020)将地铁盾构渣土代替细骨料，制备高流动性、自密实的可控低强度材料，对其工作性能、无侧限抗压强度进行试验；Yan et al.(2014)将城市固体废物底灰和疏浚泥作为原料，设计了低强度流动土；Anand利用天然高可塑性黏土控制低强度材料的流动性和密度特性，开发出符合高塑性黏土特点和密度标准的低强度流动土(Puppala et al., 2015)；Zhang et al.(2018)将建筑和拆除废物中回收的细骨料制成的低强度材料，测试混合料的流动性和泌水率以及硬化材料的力学性能.

为了更大程度地提升利用率，采用预拌流动土也是一个很好的手段.但目前还处于初期阶段，可供参考的经验较少，而且时间对流动土的流动性具有较大的影响.周永祥和王继忠(2019)总结了预拌流态固化土的抗渗性能、无侧限抗压强度、体积变形等基本性能；朱伟等(2021)进行渣土改良为流动化回填土的应用研究，测量初始时刻和0.5 h拌和物流动性和强度；刘旭东(2018)因流态固化土具有凝结效应，根据凝结时间、流动状态进行配比设计，将预拌流态固化土技术应用到回填工程；陈容华和甄朋民(2020)将挖方土为原材料配制预拌流态固化土，流动性和强度等影响因素进行试验，为工程应用和强度预测提供依据.

综合以上分析，基于盾构废弃渣土的综合应用的理论研究急需加强，通过理论研究，可更好地指导工程实践.本文研究黄泛区盾构废弃渣土用于流动土的制备原理和方法，参考预拌混凝土，同时考虑预拌流动土的特点；研究时间效应对其流动性、固化强度等的影响，选取黄河冲洪积典型的粉砂土、粉黏土为对象，进行流动土的配比研究，并配置了泡沫轻质流动土进行对比，为后续工程应用提供不同的选择.试验研究了不同配比下流动土流动性变化趋势和流动损失率.利用图像三轴系统对固化土的强度、变形特征分析，研究其强度与变形破坏模式，为综合评估该地区流动土的流动性和强度需求提供理论依据.

1.   试验方案

1.1   原材料

本文试验土类取自郑州地铁盾构废弃粉黏土、粉砂土.流动土拌合物还需要水泥和水.水泥作为固化剂，采用42.5级普通硫酸盐水泥.水为自来水.粉黏土初始含水率11.69%，液限为26.1%，塑限为16.2%.粉砂土经过一段时间沉淀，含水率为4.80%，不均匀系数为1.68，曲率系数为0.60.

1.2   流动土制备及性能测试方法

按表 1所示将试验材料按不同配比进行混合并搅拌，直至获得均匀的拌合物.

表  1  流动土配合比

Table  Supplementary Table   The mix proportions of flowing soil

试件编号	土类别	水灰比 w/c	灰土比(%) c/s	配比质量(取2 kg土计算)
				水泥g(mc)	干土g(m0)	土中水含量g(mw1)	需加水g(mw2)
1-1	粉黏土	4.5	5	90	1 796	204	200
1-2			10	180	1 796	204	604
1-3			15	269	1 796	204	1 008
1-4			20	359	1 796	204	1 412
2-1	粉黏土	5	5	90	1 796	204	245
2-2			10	180	1 796	204	694
2-3			15	269	1 796	204	1 143
2-4			20	359	1 796	204	1 592
2-5	粉砂土	5	5	95	1 908	92	385
2-6			10	191	1 908	92	862
2-7			15	286	1 908	92	1 339
2-8			20	382	1 908	92	1 816
2-9	泡沫土(泡沫掺入土质量的2%)	5	5	90	1 796	204	245
2-10			10	180	1 796	204	694
2-11			15	269	1 796	204	1 143
2-12			20	359	1 796	204	1 592
3-1	粉黏土	5.5	5	90	1 796	204	290
3-2			10	180	1 796	204	784
3-3			15	269	1 796	204	1 278
3-4			20	359	1 796	204	1 772
4-1	粉黏土	6	5	90	1 796	204	335
4-2			10	180	1 796	204	874
4-3			15	269	1 796	204	1 412
4-4			20	359	1 796	204	1951

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针对每个试样，分别进行流动性和泌水率试验，并选取典型土样进行固化土三轴试验.参考塌落度测试方法评价本文土样的流动性.因土样的流动性较大，试样无法形成一定的堆积高度，本文采用图 1a所示的有机玻璃圆筒进行塌落后的流动性测试，该筒高度和内径均为8 cm，厚度为1 cm，利用该筒可测试拌合物从测试筒中坍落后扩展形成饼状物的直径，来评价流态固化土的流动性，已有文献证明该方法是可行的(朱伟等，2021).试验时将拌合好的混合物缓慢倒入水平放置的圆筒中，直至与圆筒两端齐平，将圆筒垂直向上匀速提起，如图 1b所示拌合物流动范围稳定后，采用游标卡尺测量拌合物摊开的最大、最小直径，每个试样进行3次平均试验，将平均值作为流动值.

图  1  流动度测试试验

a.玻璃圆筒；b.测试结果

Fig.  1.  Fluidity measuring test

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参考T0528-2005《水泥混凝土拌合物泌水试验方法》对拌合物泌水率进行测量，评估时间对拌合物失水的影响(水泥混凝土拌合物泌水试验方法，2005).

为了测试流动土固化后的强度变形特性，所有成型试件按照标准养护条件放入养护箱进行养护，养护箱内标准养护条件为环境温度(20±2) ℃，湿度不小于95%，养护试样24 h后脱模，继续养护至7 d和28 d进行三轴试验(水泥土配比设计规程，2011).

采用试样直径和高度分别为50 mm和100 mm的圆柱试样进行无侧限抗压强度试验.本文采用基于图像处理技术的三轴试验仪进行试验，可采用图像监控试验全过程，并对试样图像进行拍照，测试变形发展全过程.

2.   流动性试验结果分析

为了更大程度发挥预拌优势，需要尽可能增加预拌低强度土满足工作性能的时间.本文考虑时间效应的影响，测试了不同土样、不同水灰比w/c、灰土比c/s下预拌高流动土的流动特性.测试时间间隔为0 min、5 min、10 min、15 min、30 min、60 min、90 min、120 min、180 min.

2.1   不同土质对流动土流动性影响

固定其他参数，选取不同土质按水灰比w/c为5.0，进行流动土拌合，分别拌合成为粉黏土流动土、泡沫粉黏土流动土、粉砂土流动土，测试拌合物的流动性测试.由图 2流动性试验结果可见，颗粒越大，流动性越强，其中砂土的流动性最大(李明等，2022)；泡沫能提高流动土的流动性，图 2a和图 2b所示灰土比为5%时的泡沫流动土最大流动性为218 mm，而未加泡沫的流动土流动性为159 mm，泡沫对其流动性提升了37%；灰土比为20%时，泡沫流动土的流动性为283 mm，未加泡沫流动土的流动性为270 mm，泡沫对其流动性提升了5%.由此可见，不同灰土比下增加泡沫不仅可减轻流动土的质量，使之成为轻质流动土，而且还能增加流动土流动性，灰土比越小，泡沫增加流动性的作用越明显，这对于部分回填区需要应用轻质土且不易回填时，采用泡沫流动土具有很高的实用价值.灰土比越小，改善流动性能力越强，这与其他土质的结论一致(任磊等，2021).土中黏粒含量增加也会降低流动性，砂土拌合物的流动性整体要大于粉黏土拌合物的流动性，如图 2中所示灰砂比5%时，粉砂土流动性最大值为224 mm，粉黏土拌合物最大流动性为159 mm，粉砂土拌合物的流动性提升了41%.由上述分析可知，不同土颗粒成分对流动土拌合物流动性产生影响，整体而言，土颗粒越小越降低拌合物的流动性，增加泡沫能不同程度地增加拌合物的流动性.

图  2  不同流动土的流动性随时间变化拟合曲线

a.粉黏土；b.泡沫轻质粉黏土；c.粉砂土；w/c=5.0

Fig.  2.  Fitting curves of fluidity with time for different flowing soils

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2.2   不同水灰比及灰土比对流动土流动性影响

根据上述研究结果，后续的研究都将选择流动性较差的粉黏土为例.图 3a~3d呈现了4个水灰比下对拌合物流动性的影响试验结果.当水灰比相同时，该预拌低强度粉黏土的最大流动性均随着灰土比增加而降低.在0~1 h内，该土的流动性降低很快，1 h后流动性开始缓慢下降，3 h后达到一个基本稳定值.此外，不同的水灰比对该土不同时刻流动性影响都很大.初始流动性最大值出现在水灰比为6.0时，最大值为388 mm，而初始最小流动性为水灰比4.5时对应的128 mm.该土的流动性稳定值范围是251~69 mm，数值差异较大.

图  3  粉黏流动土流动性随时间变化拟合曲线

a.w/c=4.5; b.w/c=5.0; c.w/c=5.5; d.w/c=6.0

Fig.  3.  Fitting curves of fluidity with time for flowing silty clay

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由于流动土拌合物是以水泥、水和土为拌合料，水泥的特性对该拌合物的流动性随时间损失影响很大，随着水泥凝结浆体水化随时间的不断发展，拌合物的强度逐渐增加，而流动性却逐步降低.通过现有的文献分析，流动性满足自流平和自密实要求时通常满足200~300 mm(魏建军等，2016).本文中配置的预拌低强度粉黏土大部分能满足流动性要求，工程实际应用时，距离预拌地点的距离以及自流性的使用需求，选择合适的水灰比、灰土比进行配比，获取拌合物的最优配比.

拟合曲线公式中的参数a，b与水灰比和灰砂比存在一定的线性关系，拟合曲线公式为：

从图 4可见，拟合效果较好.

图  4  不同配合比拟合参数变化规律

a.参数a; b.参数b

Fig.  4.  Fitting parameters versus mix proportions of samples

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2.3   时间效应对流动性损失的影响

采用某时刻流动性损失率来定量表述时间对流动性的影响规律，将某时刻流动性损失率定义为初始时刻到该时刻的流动性差值与初始时刻流动性的比值，即某时刻流动性损失率=(某时刻流动性-初始时刻流动性)/初始时刻流动性.

如图 5所示，时间对预拌低强度粉黏土的流动性影响很大，在不同水灰比、灰土比影响下，预拌低强度粉黏土的流动性损失率随着时间的增加而下降，流动性在初始1 h内损失率为30%~40%，初始0~1 h内，流动损失率大，表明流动性下降快速；此后，拌合物的流动性损失率下降趋缓，2 h后流动性变化不大.

图  5  粉黏流动土流动性随时间的损失率

a.w/c=4.5; b.w/c=5.0; c.w/c=5.5; d.w/c=6.0

Fig.  5.  Loss rate of fluidity with time for flowing silty clay

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由图 5可见，灰土比为5%时，不同的水灰比下拌合物的流动性损失率均是最大的，而且与10%灰土比差别都较大.灰土比从10%到20%增加时，流动性损失率缓步降低，因此，水泥含量越大，流动性损失率越低.主要是由于随着时间的增加，普通硅酸盐水泥的水化反应速度较快，自由水逐渐变少；而且拌合物也会发生泌水，如图 6所示，水灰比为6.0的试样的泌水性随着时间增加及灰土比增加而增加，最大泌水率能达到10%.

图  6  粉黏流动土w/c=6.0试样3 h的泌水率

Fig.  6.  3 h bleeding rate of flowing silty clay samples with w/c=6.0

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当水灰比一定，固化剂掺量发生改变时，泌水率由2.98%变化到10.37%，表明拌合物中固化剂掺量对泌水率有显著影响，其原因是试验中为了提高拌合物的流动性，在拌合时加入了大量水，用水量增加导致土颗粒间黏结力减小，流动性增大的同时，泌水率也增大.按图 6中泌水率3 h的变化情况，可以看出水灰比为6.0，灰土比在15%以下时，该预拌低强度粉黏土拌合物的泌水率可以控制在8%以内，符合现场施工稳定性的要求(张旭光，2018).

粉黏流动土w/c=6.0时，比较拌合物泌水率和流动性损失随时间的变化规律，灰砂比依次增大，拌合物3 h流动性损失率依次为40.7%、38.1%、36.2%、35.3%，相同条件下，泌水率依次为2.98%、3.53%、7.43%、10.69%，这表明当灰砂比越大时，流动性损失率越小，泌水率越大，即在远距离运输或者需要泵送时，要充分考虑拌合物流动性损失率的影响，可选择调整灰砂比的范围减小流动性损失率，也需要选择合适的预拌点或降低运输时间，必要时采用增加外加剂的方法.综合以上因素分析，从预拌低强度粉黏土流动值可调控范围和经济成本两方面考虑，本文采用水泥掺量为15%时最优.

3.   流动固化土强度与变形特性分析

3.1   无侧限抗压强度

如上所述，选取粉黏土流动土进行固化为例，试验选取了初始拌合物及经过3 h后的拌合物试样养护7 d和28 d.图 7为本文试块固化7 d、28 d的无侧限抗压强度柱状图，预拌低强度粉黏土的强度可以根据配合比在0.5~15 MPa较大范围内进行调整(梁止水等，2016).

图  7  固化7 d、28 d试样抗压强度

Fig.  7.  Compressive strength of fluid solidified samples for 7 d and 28 d

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w/c为5%、10%、15%和20%时，对放置0 h成样的试块进行养护7 d时抗压强度分别为0.65、0.56、0.24、0.13 MPa，放置3 h成样的试块进行养护7 d时抗压强度分别0.67、0.58、0.47、0.41 MPa，可见放置3 h试块试样7 d强度相比放置0 h强度分别增长0.02、0.02、0.23、0.28 MPa；对放置0 h成样的试块进行养护28 d时抗压强度分别为1.57、1.19、0.69、0.40 MPa，放置3 h成样的试块进行养护28 d时抗压强度分别为1.66、1.38、0.95、0.87 MPa，可见放置3 h试块试样28 d强度相比放置0 h强度分别增长0.09、0.19、0.26、0.47 MPa，结果可知当w/c为15%和20%时，强度增长差异较明显，放置时间对水灰比较大试样的抗压强度有影响，对于长距离运输的情况，可以通过调整水灰比来满足工程需求.

由图 7可见，在同一水灰比下，灰土比增大时抗压强度显著增大，且不同灰土比成型试块的抗压强度随养护的增长而增大；在同一灰土比时，水灰比越大流动性越大，其抗压强度越小，这与拌合物中水的用量增加有关，在同样的条件下，经过3 h后的流动性有明显降低，但其抗压强度在逐步上升，试验结果表明其强度与制样时间成正相关，其主要原因是拌合物在停放期间一部分水分蒸发，导致水灰比降低，强度增大.

根据T/BGEA 001-2019《预拌流态固化土填筑工程技术标准》规定，预拌低强度粉黏土水泥掺量宜在5%~20%选取，水灰比为5.5的预拌低强度粉黏土拌合物不仅能满足200~300 mm的流动性，且养护至28 d的试样能满足各等级路基回填、空洞、肥槽等回填要求，以及稳定性、地基承载力、变形等要求(梁止水等，2016).

3.2   试样应力应变关系

为了研究试样应力-应变关系的发展，选取固化剂掺量为5%、10%、15%、20%的试样采用图测三轴进行了应力-应变测试，试验时，围压为0.每组制备6个平行试样，并检验试验结果值是否满足规范要求，选取符合规范要求的结果作为试验结果，否则需要重新试验(李明等，2022)的应力-应变曲线.由应力-应变曲线可知，在同一灰砂比下，当水灰比为4.5应变达到5.8%时，试样应力达到峰值，之后应力迅速下降，到达某一个值后随着应变逐渐平稳；当水灰比为6.0应变达到2.9%时，试样应力达到峰值，应力变化相对平缓.水灰比越大，强度越低，试样越容易被破坏.其主要原因是在养护过程中，土被吸引到水化产物表面，阻止水泥进一步水化，这种情况会降低材料的抗压强度.

图 8为对应的图像测试系统拍摄的试样破坏形态及对应的变形云图，显示了固化试件进行三轴压缩试验后的破坏形态，与试验前的试样进行对比，试验后预拌低强度粉黏土试件高度明显降低，这表明试件破坏后发生了较大的塑性变形.

图  8  固化7 d试样应力-应变曲线

Fig.  8.  Stress-strain curves of fluid solidified samples for 7 d

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图 9为试样实物拍摄图、试样变形图、径向应变形场图，图 9中红色区域为剪切带(曾长女等，2020)试件内部破坏区域，表明所有的破坏集中在剪切带内.

图  9  预拌流动性粉黏土固化土破坏形态

Fig.  9.  Failure modes of ready-mixed fluid solidified silty clay samples

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通过对比4种固化剂掺量试样破坏形态可知，试样破坏时的变形云图与实物拍摄图破坏形态基本一致，灰土比为5%时，呈现45°斜截面的整体剪切破坏形式；随着灰土比增大为10%~15%时，呈现出局部压缩破坏形式；灰土比继续增大到20%时，呈现竖向劈裂破坏形式(袁化强等，2020)，因为水泥含量的不同，水泥含量越大，水泥与土产生的黏结越强，越容易产生竖向劈裂这种脆性破坏.可见，将图像测量技术应用于流动土试验中，对土样不同部位的变形过程实时监控并对土样变形进行测试，土样变形进行定性和定量表述，由图 9可知水泥掺量为10%和15%的试样加载过程，其破坏将有预兆，工程中可优选水泥掺量为10%和15%的配比进行应用.

4.   结论

利用地铁废弃渣土，本文配置了24组不同土样类型、水灰比、灰土比、不同预拌时间下黄泛区高流动土试样，通过流动性和固化后的强度变形特性试验研究，获得了不同土样、不同配比、不同预拌时间高流动土的流动性、变形形态、强度变化规律，为高流动土的工程应用提供试验依据.主要结论如下：

(1) 不同土颗粒成分、拌合物组成均会对流动土拌合物流动性产生较大影响.土颗粒越小越降低拌合物的流动性，增加泡沫能不同程度地增加拌合物的流动性.但流动性增强时，对应试样的固化强度将降低，需要根据实际综合选择.

(2) 可采用幂函数形式拟合预拌流动土的流动性.对应粉黏土流动土而言，其流动性损失在初始1 h内损失为30%~40%，2 h后流动性变化不大.这主要由于水泥水化作用和预拌低强度粉黏土泌水率随时间影响.

(3) 灰土比5%时，容易发生类似土样的剪切破坏形式；灰土比为15%~20%时，易发生局部压缩破坏破坏形式；灰土比为20%，容易发生类似水泥的脆性劈裂破坏形式.

(4) 当拌合物放置2 h以上，w/c≥5.5，灰砂比为15%和20%的拌合物均能满足流动值不小于200 mm的要求，w/c =6.0，灰砂比为20%时，泌水率大于8%，由此可知水灰比越大，拌合物离析出现的可能性越大，即不宜选择水灰比较大的配合比，综合拌合物固化养护试样应力-应变发展曲线和试样破坏形态分析，优先选择水泥掺量为10%和15%的配合比配置高流动性土.本文试验条件下，w/c =5.5，c/s =15%对应的配合比为最佳.