郭文琦,王士民,劉川昆,李 策

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點實驗室,成都 610031)

淤泥質(zhì)土因其含水量高、壓縮性高、抗剪強(qiáng)度低等特點給隧道的施工和正常運營帶來極大危害[1],在淤泥質(zhì)土地層中,盾構(gòu)施工通常采用輔助加固措施來降低施工風(fēng)險和減緩運營期隧道的差異沉降。因此研究淤泥質(zhì)土的動力學(xué)參數(shù)及其土體改良對淤泥質(zhì)土地層中的沉降等問題具有重要意義。

國內(nèi)外學(xué)者針對軟土的動力學(xué)特性進(jìn)行了一系列研究。褚峰等[2]通過動三軸試驗研究了不同固結(jié)應(yīng)力狀態(tài)下的飽和淤泥質(zhì)砂土的動力變形特性及動強(qiáng)度特性,并初步探明了淤泥與砂含量比例對淤泥質(zhì)砂土動力特性的影響；蔡輝騰等[3]通過對福州地區(qū)淤泥、淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土等6類典型土的共振柱試驗,探討了不同圍壓以及土體性質(zhì)對這6類土的動剪切模型和阻尼比的影響；賴夏蕾等[4]通過福州地區(qū)淤泥質(zhì)土的動三軸試驗，研究了固結(jié)圍壓和動應(yīng)力幅值對淤泥質(zhì)土動強(qiáng)度的影響,建立了圍壓、振次與土體動強(qiáng)度的經(jīng)驗關(guān)系；黃宣維等[5]通過不同配比重塑淤泥質(zhì)砂土試樣的動三軸試驗,探究砂土顆粒粒徑、顆粒級配和淤泥含量對淤泥質(zhì)砂土抗液化性能的影響；雷華陽等[6]對天津濱海新區(qū)典型結(jié)構(gòu)性軟土進(jìn)行了室內(nèi)循環(huán)三軸試驗,研究了在交通荷載長期作用下淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土的動應(yīng)變發(fā)展情況。

當(dāng)前,國內(nèi)外研究主要集中在單一土體的動力學(xué)特性,而鮮少針對摻加加固材料的改良土體動力學(xué)特性展開研究。為此,依托佛山地鐵2號線一期工程,通過模擬列車振動對淤泥質(zhì)土原狀土及改良土體試樣進(jìn)行動三軸試驗,以期獲得土體在振動作用下的動摩擦角、動黏聚力等參數(shù),并探究摻加超細(xì)水泥對土體動剪切模量、阻尼比的影響,為淤泥質(zhì)土的改良提供參考依據(jù)。

1 工程概況

佛山地鐵2號線一期工程線路全長約32.4 km,其中盾構(gòu)隧道區(qū)間內(nèi)有20～35 m厚的淤泥質(zhì)土軟弱土層。根據(jù)沿線建(構(gòu))筑物保護(hù)分類原則的規(guī)定,需做主動加固處理,通過采用洞內(nèi)注漿加固方式對淤泥質(zhì)土地層進(jìn)行加固，以改善開挖面土體性質(zhì),同時也能來控制地層位移,有利于盾構(gòu)隧道開挖面穩(wěn)定和隧道的正常運營。隧道在里程YDK40+940處的斷面如圖1所示。

圖1 隧道YDK40+940處地質(zhì)斷面示意(單位：m)

2 動三軸試驗

2.1 試驗土樣

在佛山地鐵2號線一期工程區(qū)域內(nèi)進(jìn)行鉆芯,采集開挖至一定深度處的淤泥質(zhì)土,并在一部分淤泥質(zhì)土中添加超細(xì)水泥進(jìn)行土體改良。

超細(xì)水泥是一種高性能超微粒水泥基灌漿材料,它由高強(qiáng)型超細(xì)水泥膨脹劑、礦渣等多種助劑組成,具漿液流動性好,材料的比表面積可達(dá)800 m2/kg以上,平均粒徑5 μm以下,具有較高的穩(wěn)定性與可灌注性[7-9]。本文試驗中所采用的超細(xì)水泥最大比表面積1 600 m2/kg以上,平均粒徑小于2 μm,其強(qiáng)度等級為32.5級。

根據(jù)工程施工經(jīng)驗及類似土體改良研究[10-13],本實驗中3組重塑改良土每立方米土樣中分別加入超細(xì)水泥200,300 kg和400 kg。土樣的編號如表1所示。

表1 土樣編號及成分

2.2 試驗方案

本試驗采用西安力創(chuàng)計量儀器有限公司的微機(jī)控制電液伺服土動三軸試驗機(jī),如圖2所示。

圖2 土動三軸試驗機(jī)

圖3為將制備好的土樣包裹橡皮膜后安裝于土動三軸試驗機(jī)。利用削土器,進(jìn)行原狀土樣的制備,試驗的土樣尺寸為φ39.1 mm×80 mm。對于摻加超細(xì)水泥的重塑改良土,分3層擊實制樣。

圖3 動三軸試驗試樣安裝

針對淤泥質(zhì)土原狀土和摻加超細(xì)水泥的重塑改良土進(jìn)行動強(qiáng)度試驗和阻尼比試驗,考慮100,200,300 kPa三種不同圍壓。

動強(qiáng)度試驗需在土樣制備完成后對試樣施加不同圍壓進(jìn)行2 h的排水固結(jié),固結(jié)比為1.0。

試驗中對試樣施加不同圍壓,每種圍壓下施加3個不同動強(qiáng)度(動強(qiáng)度由試驗狀況確定,根據(jù)前面實驗情況隨時改進(jìn))。破壞指標(biāo)以5%應(yīng)變?yōu)闇?zhǔn)。

阻尼比試驗在不同圍壓作用下進(jìn)行,每個土樣在相應(yīng)幅值下振動20次。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 動應(yīng)力與破壞振次關(guān)系

將試樣在45°面上的剪應(yīng)力τ=σd/2作為試樣的剪切強(qiáng)度[14]。圖4為不同土樣在不同圍壓條件下的動應(yīng)力與破壞振動次數(shù)關(guān)系。

圖4 土樣動應(yīng)力與破壞振次關(guān)系

由圖4可知,在相同圍壓和相同的破壞振次條件下,超細(xì)水泥摻量對土體的動應(yīng)力影響較大,隨著超細(xì)水泥摻量增加,土體抗剪強(qiáng)度不斷增加。分析其原因,摻加的超細(xì)水泥填充了土體的顆粒間孔隙,使土體變得密實,且水泥會吸收淤泥質(zhì)土中的水分而凝固,因此土體的抗剪強(qiáng)度增加。

對于同一土樣,動應(yīng)力σd隨著圍壓σ3的增大而顯著增大,分析其原因,圍壓增大使土體的顆粒間孔隙被壓實,從而使試驗土體的動應(yīng)力增大,即土體的抗剪強(qiáng)度增大。

3.2 土體的動強(qiáng)度指標(biāo)

根據(jù)動強(qiáng)度試驗得到在不同圍壓等級、不同振次條件下土體的動強(qiáng)度σd,在τ-σ平面繪制每一振次下不同圍壓等級的摩爾圓,根據(jù)每一振次下的3個摩爾圓可得到該振次下的直線型包絡(luò)線,求解該包絡(luò)線的傾斜角和縱軸截距即可得到土體動強(qiáng)度指標(biāo)動內(nèi)摩擦角φd和動黏聚力cd[15-16]。各振次下的動強(qiáng)度指標(biāo)如表2所示。

3.3 動剪切模量比與動應(yīng)變關(guān)系

本文采用Hardin-Drnevich雙曲線模型來描述土體試驗的動剪切模量與剪應(yīng)變的關(guān)系[17],在動荷載下土的動剪應(yīng)力τ與剪應(yīng)變γ關(guān)系滿足

(1)

表2 各振次下的動強(qiáng)度指標(biāo)

式中，A和B均為試驗參數(shù)。

土的動剪切模量G可定義為

(2)

則式(1)可整理為

(3)

由式(3)可知,當(dāng)γ→0時,可以得到系數(shù)A等于最大剪切模量的倒數(shù),即A=1/Gmax,因此可得到對應(yīng)不同應(yīng)變模量與最大模量的比值和應(yīng)變的關(guān)系

(4)

根據(jù)式(4)求出各土樣在不同剪應(yīng)變下的動剪切模量比,如圖5所示。式(4)中A/B的取值統(tǒng)計如表3所示。

圖5 各試樣在不同剪應(yīng)變下的動剪切模量比曲線

由圖5可以看出,在同一圍壓下,隨著剪應(yīng)變的增加,各土樣動剪切模量比G/Gmax呈非線性減小,在應(yīng)變較小時動剪切模量減小的趨勢緩慢,當(dāng)剪應(yīng)變增加到一定值時,動剪切模量減小的幅度增加。對比圖5(a)～圖5(d),隨著摻加的細(xì)水泥量的增加,動剪切模量減小幅度增加時對應(yīng)的剪應(yīng)變越大。

表3 式(4)中A/B的取值匯總

淤泥質(zhì)土原狀土(MS-1)中動剪切模量減小幅度增加時對應(yīng)的剪應(yīng)變?yōu)?0-5,MS-3中動剪切模量減小幅度增加時對應(yīng)的剪應(yīng)變?yōu)?0-4,在圖5(a)～圖5(d)中可明顯看出超細(xì)水泥摻加量對土體動剪切模量的影響。

結(jié)合表3分析,同一圍壓下,式(4)中A/B的值增大隨著摻加超細(xì)水泥的量增加而增大,即式(4)的值增大,土樣的動剪切模量增大。對于同一土體,式(4)中A/B的值隨著圍壓的增加而增大,即土樣的動剪切模量隨圍壓的增加而增大。

各土樣的動剪切模量G經(jīng)過Gmax歸一化后,不同圍壓下試驗點的離散性很小,但仍能看出不同圍壓對動剪切模量G的影響,在同樣的剪應(yīng)變水平下,土樣的動剪切模量G隨圍壓的增大而增大。分析其原因,這是因為土樣的孔隙比隨圍壓增大而減小,土樣的相對密度增大,土顆粒接觸點增加,使得應(yīng)力波在土中的傳播更快,從而增大了土體的動剪切模量G。

3.4 阻尼比與動應(yīng)變關(guān)系

參照已有試驗的數(shù)據(jù)處理[18-20],通過對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,得到阻尼比與剪應(yīng)變之間存在下述關(guān)系

(5)

作出各土樣在不同剪應(yīng)變下的阻尼比,如圖6所示。從圖6可以看出,當(dāng)剪應(yīng)變小于10-4時,阻尼比隨著剪應(yīng)變的增大而增大,當(dāng)剪應(yīng)變超過10-4后,阻尼比幾乎不隨剪應(yīng)變的變化而變化。對比圖6(a)～圖6(d)中不同土體在同一圍壓下的阻尼比,可以看出,隨著土樣所摻加的超細(xì)水泥量的增加,土樣的最大阻尼比減小。

以圍壓為100 kPa為例,淤泥質(zhì)土原狀土(MS-1)中最大阻尼比約為0.21,MS-2中最大阻尼比約為0.16,MS-3中最大阻尼比約為0.125,MS-4中最大阻尼比約為0.08,在圖6(a)～圖6(d)中可明顯看出超細(xì)水泥摻加量對土體阻尼比的影響。

不同圍壓條件下的阻尼比隨剪應(yīng)變的變化均可分為兩個階段,當(dāng)剪應(yīng)變較小時,阻尼比λ隨著圍壓σ3的增加而減小,但在剪應(yīng)變較大的情況下,阻尼比λ隨著圍壓σ3的增加而增大。分析其原因,土樣的剪應(yīng)變在加載前期較小,土樣本身的累積變形也比較小,此時土樣的阻尼比主要是來自其體積變形引起的能量耗散,圍壓越大,土樣越密實,消耗能量就越小,則圍壓越大,阻尼比越小。隨著加載的進(jìn)行,土樣的剪應(yīng)變和土樣累積變形較高,土樣結(jié)構(gòu)逐漸破壞,則圍壓越大,土樣越發(fā)松散,需要消耗的能量越大,因此阻尼比越大。

圖6 各試樣在不同剪應(yīng)變下的阻尼比曲線

式(5)中系數(shù)C和D的取值匯總?cè)绫?所示。

表4 式(5)中系數(shù)C和D的取值

4 結(jié)論

通過動三軸試驗,對佛山地鐵2號線一期工程的淤泥質(zhì)土原狀土及摻加超細(xì)水泥改良后土體的動力學(xué)特性進(jìn)行了研究,主要得到以下結(jié)論。

(1)相同圍壓條件下：超細(xì)水泥摻量對土體的動應(yīng)力影響較大,隨著超細(xì)水泥摻量增加,土體抗剪強(qiáng)度不斷增加；土體動剪切模量隨著摻加超細(xì)水泥量的增加而增大；隨著土樣所摻加的超細(xì)水泥量的增加,土樣的最大阻尼比減小。

(2)對于同一土樣：土體的動應(yīng)力隨著圍壓的增大而顯著增大；在同樣的剪應(yīng)變水平下,土樣的動剪切模量G隨圍壓的增大而增大。不同圍壓條件下對應(yīng)的阻尼比，隨剪應(yīng)變的變化均可分為兩個階段,當(dāng)剪應(yīng)變較小時,阻尼比隨著圍壓的增加而減小,但在剪應(yīng)變較大的情況下,阻尼比隨著圍壓的增加而增大。

(3)摻加超細(xì)水泥對淤泥質(zhì)土具有較好的改良效果,摻加超細(xì)水泥400 kg后改良土體的動黏聚力為4.4～7.5 kPa,動內(nèi)摩擦角為1.9°～5.16°。