干燥粉細(xì)砂地層水平旋噴固結(jié)體物理力學(xué)性能試驗(yàn)分析

侯 剛

(中鐵十二局集團(tuán) 第三工程有限公司，山西 太原 030024)

干燥粉細(xì)砂地層水平旋噴固結(jié)體物理力學(xué)性能試驗(yàn)分析

侯 剛

(中鐵十二局集團(tuán) 第三工程有限公司，山西 太原 030024)

把隧道開挖切斷的水平旋噴加固樁運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室加工成試件，進(jìn)行了重度、劈裂抗拉試驗(yàn)、無側(cè)限抗壓試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)、單軸和三軸抗壓試驗(yàn)，經(jīng)分析得出：干燥粉細(xì)砂地層的水平旋噴固結(jié)體的重度變異性較大，粉細(xì)砂固結(jié)體的平均抗拉強(qiáng)度0.87 MPa，平均抗壓強(qiáng)度12.76 MPa，抗拉強(qiáng)度是抗壓強(qiáng)度的1/15，二者的變異性相近。固結(jié)體的平均變形模量為7.18 GPa，變異性較大，但泊松比較穩(wěn)定。直剪試驗(yàn)得到的黏聚力比三軸試驗(yàn)大17.1%;而直剪試驗(yàn)得到的內(nèi)摩擦角比三軸試驗(yàn)小18.1%。因三軸試驗(yàn)剪切破壞面非人為固定，更接近固結(jié)體的真實(shí)情況。隨著圍壓的增大，固結(jié)體的三軸強(qiáng)度也增大，且與圍壓呈線性關(guān)系;隨著圍壓的增大，固結(jié)體的塑性變形能力增強(qiáng)。

干燥粉細(xì)砂 水平旋噴固結(jié)體 力學(xué)指標(biāo) 試驗(yàn)分析

1 工程概況

大西客運(yùn)專線上白隧道位于山西省聞喜縣境內(nèi)，是全線重點(diǎn)控制性隧道工程，全長1 717 m。隧道最大埋深126 m。隧道洞身大面積穿越第四系上更新統(tǒng)和中更新統(tǒng)粉細(xì)砂層，厚度不均，且多以透鏡體夾層形式出現(xiàn)于上更新統(tǒng)黃土中，下部為中更新統(tǒng)老黃土。干燥粉細(xì)砂層在隧道斷面的不同部位均能遇到。由于其自穩(wěn)能力極差，開挖面不能自穩(wěn)。最初采用多種間距的超前注漿小導(dǎo)管和管棚對(duì)開挖面前方地層進(jìn)行預(yù)加固，由于粉細(xì)砂層含水率低、孔隙小、砂粒間沒有黏聚力，雖然嘗試過水泥漿及聚氨酯漿等多種注漿漿液，但注漿加固效果較差，在隧道施工過程中經(jīng)常出現(xiàn)漏砂、涌砂現(xiàn)象，甚至發(fā)生坍塌。施工進(jìn)度極為緩慢，成為當(dāng)時(shí)全線隧道頭號(hào)難點(diǎn)工程。

為了控制超前預(yù)支護(hù)拱棚間漏砂、涌砂現(xiàn)象，采用技術(shù)上已經(jīng)相對(duì)成熟的水平旋噴預(yù)支護(hù)技術(shù)對(duì)開挖面前方地層進(jìn)行預(yù)加固。通過水平旋噴柱體相互搭接形成拱棚，為隧道開挖提供預(yù)支護(hù)，并通過向開挖面前方地層打設(shè)水平旋噴預(yù)加固柱體穩(wěn)定開挖面，從而保證隧道施工安全［1-2］。為了確定合理的水平旋噴施工技術(shù)參數(shù)，對(duì)干燥粉細(xì)砂地層的水平旋噴固結(jié)體力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試與分析，以保證水平旋噴預(yù)支護(hù)拱棚能夠承受較大的地層壓力。

2 試驗(yàn)情況簡介

對(duì)粉細(xì)砂取樣進(jìn)行分析，測(cè)得粉細(xì)砂地層含水率3.1%，天然重度 17.1 kN/m3。粒徑在 0.074～0.25 mm之間的顆粒含量60.4% ～66.2%，不均勻系數(shù)3.9，表明該砂層為粒徑比較均勻的干燥粉細(xì)砂層。

試驗(yàn)采用的旋噴固結(jié)體施工參數(shù):旋噴壓力30～35 MPa，噴頭旋轉(zhuǎn)速度20 r/min，后退速度20 cm/min，水泥漿水灰比1∶1，水泥為P．O42.5普通硅酸鹽水泥。

在現(xiàn)場(chǎng)取出固結(jié)體運(yùn)回室內(nèi)加工成所需試件。水平旋噴固結(jié)體的力學(xué)性能試驗(yàn)采用圓柱形試件［3-6］，直徑 d為5 cm。對(duì)于單軸、三軸試件的高徑比為2.0～2.5;劈裂抗拉及直剪試件的高徑比為 1.0～1.2。由于旋噴漿液中含有大量的水，因而試件的含水狀態(tài)均為飽和狀態(tài)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 固結(jié)體的重度

用游標(biāo)卡尺測(cè)量圓柱形試件直徑及高度，共8個(gè)試件，確定每個(gè)試件的體積V，飽和狀態(tài)下的重量 G，然后把試件置于烘箱內(nèi)烘干24 h，測(cè)得試件干燥狀態(tài)下的重量Gd，則可得固結(jié)體的飽和重度和干重度。8個(gè)試件的平均飽和重度為18.98 kN/m3，變異系數(shù)9.5%;平均干重度15.24 kN/m3，變異系數(shù)3.84%。

由此可見，固結(jié)體的截面結(jié)構(gòu)不是很均勻的，這主要是由高壓射流切割砂層并攪拌成樁的工藝決定的。一般情況下是樁體中心處的密度較大，周邊處的密度較小，孔隙率較大。

3.2 劈裂抗拉強(qiáng)度

3.3 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

圖1 角度可變抗剪儀

圖2 抗剪強(qiáng)度與法向應(yīng)力的關(guān)系

圖2的擬合曲線可表示為 τ=0.57σ+3.36，R2=0.99。由此可得，旋噴固結(jié)體內(nèi)摩擦角和黏聚力分別為 φds=arctan0.57=34.8°，cds=3.36 MPa。

3.4 單軸抗壓強(qiáng)度、變形模量及泊松比

固結(jié)體的單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)在常規(guī)電液伺服三軸儀上進(jìn)行，可以記錄軸向偏應(yīng)力與應(yīng)變的全過程和試件的徑向位移，因此通過單軸壓縮試驗(yàn)可以得到旋噴固結(jié)體的單軸抗壓強(qiáng)度、變形模量和泊松比。變形模量E50取峰值強(qiáng)度 σa的50%時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力與應(yīng)變之比。泊松比取峰值強(qiáng)度之前泊松比的平均值。單軸壓縮試驗(yàn)有8個(gè)試件，測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 固結(jié)體壓縮試驗(yàn)結(jié)果

由表1可知，粉細(xì)砂固結(jié)體的平均抗壓強(qiáng)度為12.76 MPa，劈裂抗拉強(qiáng)度與其單軸抗壓強(qiáng)度的比值達(dá)到1/15。固結(jié)體變形模量較大，平均值達(dá)到了7.18 GPa，變異性較大，變異系數(shù)達(dá)到10.3%。旋噴固結(jié)體材料的泊松比比較穩(wěn)定，其平均值為0.28，變異性較小。

3.5 旋噴固結(jié)體的應(yīng)力—應(yīng)變特性及三軸強(qiáng)度

3.5.1 三軸受壓條件下應(yīng)力—應(yīng)變特性

水平旋噴拱棚的受力處于三維應(yīng)力狀態(tài)。由于隧道埋深不大，選取拱部為干燥粉細(xì)砂地層的區(qū)段進(jìn)行水平旋噴預(yù)支護(hù)試驗(yàn)。試驗(yàn)段最大埋深約80 m，因而對(duì)固結(jié)體分別進(jìn)行了 0，300，600，900 和1 200 kPa 5種圍壓的三軸試驗(yàn)，每種圍壓下做3個(gè)試件。三軸壓縮試驗(yàn)在電液伺服試驗(yàn)機(jī)上完成。

三軸試驗(yàn)的主應(yīng)力差(σ1－σ3)隨軸向應(yīng)變 ε1的變化曲線如圖3所示(僅列出三種圍壓下的曲線)。

由圖3可以看出:①各種圍壓條件下的主應(yīng)力差—軸向應(yīng)變曲線在軸向變形較小時(shí)(＜0.02%)，曲線呈現(xiàn)下凸，原因是固結(jié)體進(jìn)一步被壓密。隨后曲線接近直線增長，主應(yīng)力差—應(yīng)變曲線接近線彈性，然后試件出現(xiàn)微觀裂縫，主應(yīng)力差—應(yīng)變曲線開始呈現(xiàn)非線性;隨著應(yīng)力的增加，試件出現(xiàn)宏觀裂縫，曲線到達(dá)峰值。②隨著圍壓的增大，主應(yīng)力差—應(yīng)變曲線的后半段逐漸抬升，說明在圍壓約束下，試件的塑性變形能力增強(qiáng)。③隨著圍壓的增大，試件達(dá)到峰值強(qiáng)度時(shí)的應(yīng)變也在增大。

圖3 不同圍壓下的主應(yīng)力差—軸向應(yīng)變曲線

3.5.2 三軸強(qiáng)度

把主應(yīng)力差—軸向應(yīng)變曲線的峰值強(qiáng)度稱之為固結(jié)體的三軸強(qiáng)度σf。固結(jié)體的三軸強(qiáng)度σf隨著圍壓的增大而增大，二者的關(guān)系曲線如圖4所示。進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得到σf=4.16σ3+13.03，R2=0.99。因此，可以認(rèn)為固結(jié)體的三軸強(qiáng)度與圍壓成線形關(guān)系。

圖4 三軸強(qiáng)度與圍壓之間的關(guān)系

由直剪試驗(yàn)得到的黏聚力比三軸試驗(yàn)大17.1%;而由直剪試驗(yàn)得到的內(nèi)摩擦角比三軸試驗(yàn)小18.1%。原因可能是因直剪試驗(yàn)的剪切破壞面是人為固定的，與固結(jié)體的真實(shí)內(nèi)摩擦角大小無關(guān)，而三軸試驗(yàn)剪切破壞面非人為固定，與固結(jié)體的真實(shí)內(nèi)摩擦角相關(guān)。因此，由三軸試驗(yàn)得到的固結(jié)體黏聚力和內(nèi)摩擦角更接近真實(shí)情況。

4 結(jié)論

1)干燥粉細(xì)砂地層的水平旋噴固結(jié)體的重度變異性較大;粉細(xì)砂固結(jié)體的平均抗拉強(qiáng)度0.87 MPa，平均抗壓強(qiáng)度12.76 MPa，劈裂抗拉強(qiáng)度是抗壓強(qiáng)度的1/15，二者的變異性相近。

2)固結(jié)體的平均變形模量7.18 GPa，變異性較大，但泊松比比較穩(wěn)定。直剪試驗(yàn)得到的黏聚力比三軸試驗(yàn)大17.1%;而直剪試驗(yàn)得到的內(nèi)摩擦角比三軸試驗(yàn)小18.1%。三軸試驗(yàn)剪切破壞面非人為固定，因而更接近固結(jié)體的真實(shí)情況。

3)隨著圍壓的增大，固結(jié)體的三軸強(qiáng)度也增大，且與圍壓呈線性關(guān)系;隨著圍壓的增大，固結(jié)體的塑性變形性能增強(qiáng)。

［1］劉勇，孫星亮，朱永全，等．水平旋噴預(yù)支護(hù)技術(shù)在鐵路隧道中的應(yīng)用［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2002，21(6):905-909．

［2］黃建明．水平旋噴攪拌樁在暗挖隧道超前支護(hù)中的應(yīng)用［J］．鐵道建筑，2007，26(3):26-29．

［3］TAHA A M．Properties of cement-based grouts and soilcrete and applications of jet grouting［D］．Akron:The University of Akron，1992．

［4］孫星亮，景詩庭．水平鉆孔旋噴注漿加固地層效果研究［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，1998，17(5):589-593．

［5］唐朝松，李峰．旋噴樁在加固鐵路隧道Ⅵ級(jí)圍巖風(fēng)積砂地層中的應(yīng)用［J］．鐵道建筑，2012(5):54-56．

［6］黃建明．水平旋噴攪拌樁在暗挖隧道超前支護(hù)中的應(yīng)用［J］．鐵道建筑，2007(7):26-28．

［7］中華人民共和國鐵道部．TB 1011—1998 鐵路工程巖石試驗(yàn)規(guī)程［S］．北京:中國鐵道出版社，1998．

U451+．5

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2014．01．14

1003-1995(2014)01-0046-03

2013-08-02;

2013-10-25

侯剛(1970— )，男，山西平遙人，高級(jí)工程師。

(責(zé)任審編 葛全紅)