廣州強(qiáng)風(fēng)化花崗巖殘積土物理力學(xué)特性試驗(yàn)研究

司延強(qiáng) 王 樺 陳振國(guó)梁 敏許慧斌

(1.中國(guó)煤炭科工集團(tuán) 北京中煤礦山工程有限公司,北京 100013;2.煤炭科學(xué)研究總院 建井研究分院,北京 100013)

隨著近年來(lái)人口的增長(zhǎng)和汽車(chē)保有量的增加,全國(guó)各大中城市市區(qū)內(nèi)的路面交通壓力日趨增大,為緩解路面交通壓力,提高城市效率,加緊軌道交通建設(shè)是必然趨勢(shì)[1]。根據(jù)《廣州市城市總體規(guī)劃(2017—2035年)》草案,要科學(xué)調(diào)控人口規(guī)模,2035年常住人口規(guī)?？刂圃? 000萬(wàn)人左右,同時(shí)按照2 500萬(wàn)管理服務(wù)人口進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)施、公共服務(wù)設(shè)施配套。根據(jù)廣州市統(tǒng)計(jì)局公布的數(shù)據(jù),2016年末,廣州市常住人口為1 404.35萬(wàn)人。2017年底,廣州地鐵發(fā)布消息稱(chēng),廣州地鐵四號(hào)線(xiàn)南延段、九號(hào)線(xiàn)一期、十三號(hào)線(xiàn)一期和十四號(hào)線(xiàn)知識(shí)城支線(xiàn)等四條新線(xiàn)開(kāi)通后,地鐵線(xiàn)網(wǎng)線(xiàn)路長(zhǎng)度增加81.6 km,達(dá)到了390.6 km,穩(wěn)居全國(guó)第三、世界前十。截至2020-12-31,廣州市運(yùn)營(yíng)軌道線(xiàn)路16條,運(yùn)營(yíng)里程553.2 km。按照2017年3月國(guó)家發(fā)改委批復(fù)的《廣州市城市軌道交通第三期建設(shè)規(guī)劃(2017—2023 年)》,到2023 年,廣州將形成18 條線(xiàn)路、總長(zhǎng)800 km 的軌道交通網(wǎng)絡(luò)[2-3]。

廣州地區(qū)普遍發(fā)育有花崗巖,在以往的地鐵工程建設(shè)中,由于花崗巖殘積土的工程特性造成的工程事故較多,給地鐵施工帶來(lái)極大的困難,并給周邊環(huán)境造成了很大影響。如廣州地鐵2號(hào)線(xiàn)越秀公園站圍護(hù)結(jié)構(gòu)人工挖孔樁開(kāi)挖過(guò)程中,由于花崗巖殘積土的崩解軟化特性,造成挖孔樁翻漿冒泥,引起周邊房屋沉降開(kāi)裂,最后不得不改變工法,增加了工期和造價(jià);3號(hào)線(xiàn)天河客運(yùn)站由于花崗巖殘積土的影響,基坑基底軟化造成開(kāi)挖極其困難,并造成圍護(hù)結(jié)構(gòu)連續(xù)墻變形、開(kāi)裂,引發(fā)很大的工程風(fēng)險(xiǎn);3號(hào)線(xiàn)北延段燕塘站位于花崗巖殘積土地區(qū),由于基坑開(kāi)挖引起周邊房屋沉降、開(kāi)裂,嚴(yán)重影響了周邊居民的生活,造成巨額賠償?shù)萚4]。

廣州地鐵4號(hào)線(xiàn)南延、6號(hào)線(xiàn)、6號(hào)線(xiàn)二期、13號(hào)線(xiàn)東部、14號(hào)線(xiàn)及支線(xiàn)、16號(hào)線(xiàn)、21號(hào)線(xiàn)和22號(hào)線(xiàn)等大部分線(xiàn)路穿越花崗巖地層及殘積土分布區(qū)域,且沿線(xiàn)地下水豐富,對(duì)線(xiàn)路的走向、敷設(shè)方式和施工工法的選擇造成極大困難,增加了工程設(shè)計(jì)、施工的難度和費(fèi)用。在花崗巖殘積土分布地區(qū)修建地鐵成為廣州地鐵工程建設(shè)的難題之一[4-6]。

注漿技術(shù)是將一種或幾種材料配制成漿液,用壓送設(shè)備將其壓入裂隙性含水層或軟弱松散地層中凝固膠結(jié),起堵水或加固作用的技術(shù)。該技術(shù)主要應(yīng)用于地下工程和地面工程[7]。近年來(lái),定向鉆孔注漿技術(shù)在礦山軟巖和含水層改造中得到了長(zhǎng)足的發(fā)展,取得了較好的應(yīng)用效果[8-14],并在土層地鐵隧道預(yù)注漿工程中進(jìn)行了試驗(yàn)性的研究,取得了初步的效果[15-16]。為了確保廣州地鐵工程施工安全,采用注漿法堵水和加固地層是廣州地鐵施工的必然選擇。由于強(qiáng)風(fēng)化花崗巖殘積土地層是廣州地鐵工程事故多發(fā)的重要影響因素之一,本文通過(guò)研究廣州地鐵典型強(qiáng)風(fēng)化花崗巖殘積土地層土樣的物理力學(xué)特性,為廣州地鐵花崗巖殘積土地層重塑和開(kāi)展地層注漿堵水、加固模擬試驗(yàn)提供科學(xué)依據(jù),從而為廣州地鐵工程設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。

1 工程概況與土樣選取

1.1 廣州地鐵22號(hào)線(xiàn)下穿3號(hào)線(xiàn)工程概況[17]

廣州市地鐵22號(hào)線(xiàn)番祈中間風(fēng)井—番祈2#盾構(gòu)井區(qū)間(區(qū)間長(zhǎng)2.513 km),在光明北路與東環(huán)路交匯處下穿既有運(yùn)營(yíng)地鐵3號(hào)線(xiàn)(漢溪長(zhǎng)隆站—市橋站)。地鐵22號(hào)線(xiàn)隧頂距既有地鐵3號(hào)線(xiàn)隧底凈距約5.5 m,地層主要為6Z(全風(fēng)化混合花崗巖)、7Z(強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖)和8Z(中風(fēng)化混合花崗巖),地鐵22號(hào)線(xiàn)左線(xiàn)隧頂埋深26.5 m,右線(xiàn)隧頂埋深26.5～26.9 m,既有地鐵3號(hào)線(xiàn)隧頂埋深約15.1 m。盾構(gòu)通過(guò)時(shí),先下穿地鐵3號(hào)線(xiàn)右線(xiàn),再下穿左線(xiàn)。

地鐵3號(hào)線(xiàn)處于5Z-2(砂質(zhì)黏土)和6Z(全風(fēng)化混合花崗巖)地層中,為盾構(gòu)法隧道,管片外徑6 m,左、右線(xiàn)間距5.4 m;地鐵22號(hào)線(xiàn)盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)開(kāi)挖直徑8.84 m,管片外徑8.5 m,左、右線(xiàn)間距7.5 m。

地鐵22 號(hào)盾構(gòu)下穿地鐵3 號(hào)線(xiàn)長(zhǎng)度為19.2～20.8 m,對(duì)應(yīng)在建地鐵22號(hào)線(xiàn)左線(xiàn)(297～309環(huán))、右線(xiàn)(291～303環(huán))。2019 年10 月,當(dāng)?shù)罔F22號(hào)線(xiàn)左線(xiàn)已掘進(jìn)至273環(huán)、刀盤(pán)距離3號(hào)線(xiàn)邊線(xiàn)約30 m,右線(xiàn)掘進(jìn)至220環(huán)、距離3號(hào)線(xiàn)約113 m 時(shí),由于地鐵3號(hào)線(xiàn)局部沉降嚴(yán)重,被迫停工。

1.2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)

為了查清廣州地鐵22號(hào)下穿3號(hào)線(xiàn)區(qū)域的工程地質(zhì)與水文地質(zhì)情況,在該區(qū)域布置了10個(gè)鉆孔進(jìn)行補(bǔ)充勘查,其中,Z1和Z2孔位于22號(hào)線(xiàn)左線(xiàn)的中線(xiàn)兩側(cè),距離3號(hào)線(xiàn)右線(xiàn)隧道東墻均為3.0 m;Z3孔位于22號(hào)線(xiàn)左線(xiàn)的中線(xiàn)與3號(hào)線(xiàn)中線(xiàn)的交點(diǎn);Z4和Z5孔位于22號(hào)線(xiàn)左線(xiàn)的中線(xiàn)兩側(cè),距離3號(hào)線(xiàn)左線(xiàn)隧道西墻均為3.0 m。Y1和Y2孔位于22號(hào)線(xiàn)右線(xiàn)的中線(xiàn)兩側(cè),距離3號(hào)線(xiàn)右線(xiàn)隧道東墻均為3.0 m;Y3孔位于22號(hào)線(xiàn)右線(xiàn)的中線(xiàn)與3號(hào)線(xiàn)中線(xiàn)的交點(diǎn);Y4和Y5孔位于22號(hào)線(xiàn)右線(xiàn)的中線(xiàn)兩側(cè),距離3號(hào)線(xiàn)左線(xiàn)隧道西墻均為3.0 m(見(jiàn)圖1)。

圖1 廣州地鐵22號(hào)線(xiàn)下穿3號(hào)線(xiàn)平面及補(bǔ)勘鉆孔布置

根據(jù)補(bǔ)勘資料,在補(bǔ)勘范圍內(nèi)地層由上而下依次為1-2(素填土,厚度3.7～5.5 m)、4N-2(粉質(zhì)黏土,厚度1.0～3.1 m)、4-2B(淤泥質(zhì)土,厚度0～1.3 m)、5Z-2(砂質(zhì)黏土,厚度5.9～11.2 m)、6Z(全風(fēng)化混合花崗巖,厚度4.4～10.9 m)、7Z(強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖,厚度0.9～5.4 m)和8Z(中風(fēng)化混合花崗巖,鉆孔均未穿透),局部區(qū)域在4-2B和5Z-2地層之間含有3-1(粉細(xì)砂,厚度0～3.6 m)和4N-2(粉質(zhì)黏土,厚度0～1.3 m)夾層。

上述地層除8Z(中風(fēng)化混合花崗巖)地層為巖石地層外,其余均為軟土地層。其中,8Z地層巖體裂隙發(fā)育,巖芯呈短柱狀、碎塊狀,少量長(zhǎng)柱狀,巖質(zhì)稍硬,局部夾微風(fēng)化巖塊,RQD值為20%～40%?？箟簭?qiáng)度為13.6～42.7 MPa,平均為24.2 MPa。穩(wěn)定地下水位深度約3 m。

1.3 土樣選取

試驗(yàn)土樣取自廣州地鐵22號(hào)線(xiàn)番祈中間風(fēng)井—番祈2#盾構(gòu)井區(qū)間左線(xiàn)6Z(全風(fēng)化混合花崗巖)地層。

2 花崗巖殘積土的物理力學(xué)試驗(yàn)

2.1 顆粒級(jí)配試驗(yàn)

2.1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

通過(guò)篩分法測(cè)定土的顆粒級(jí)配,判定土的級(jí)配情況是否良好,為土的重塑提供依據(jù)。

2.1.2 試驗(yàn)原理

一般土的粒徑小于60 mm 大于0.075 mm,采用篩分法。通過(guò)篩分,稱(chēng)出留在各篩上的土重,算出各篩的篩余率,以及各篩的累積篩余率,描繪出顆粒級(jí)配曲線(xiàn)。

2.1.3 儀器設(shè)備

(1)圓孔篩:篩孔徑為0.075、0.250、0.500、1.000、2.000、5.000、10.000、20.00、40.00、60.00 mm 的圓孔篩,并附有篩底和篩蓋;

(2)物理天平:量程為2 kg,最小分度值0.01 g;(3)烘箱、淺盤(pán)、毛刷和鏟子等。

2.1.4 試驗(yàn)步驟

(1)試樣用四分法縮分至每份不少于550 g的試樣4份,放在105±50 ℃烘箱中烘至恒重,冷卻至室溫。

(2)準(zhǔn)確稱(chēng)取試樣500 g。將篩子按孔徑由大到小疊合起來(lái),附上篩底,將土樣倒入最上層篩中。

(3)將整套圓孔篩進(jìn)行手篩,時(shí)間不少于10 min。

(4)整套圓孔篩手篩完畢后,逐個(gè)在清潔的淺盤(pán)中進(jìn)行手篩,篩至每分鐘通過(guò)量小于試樣總量的0.1%為止。通過(guò)的砂土粒并入下號(hào)篩中,并和下號(hào)篩中的試樣一起過(guò)篩,按此順序進(jìn)行,直至各號(hào)篩全部篩完為止。

(5)稱(chēng)取各號(hào)篩上的篩余量。試樣在各號(hào)篩上的篩余量不得超過(guò)200 g,超過(guò)時(shí)應(yīng)將該篩余試樣分成兩份,再進(jìn)行篩分,并以?xún)纱魏Y余量之和作為該號(hào)篩的篩余量。

2.1.5 試驗(yàn)結(jié)果分析

將各篩的篩余量計(jì)入相關(guān)統(tǒng)計(jì)表,并計(jì)算出各篩的分計(jì)篩余百分率和累計(jì)篩余百分率。根據(jù)篩分試驗(yàn)成果,采用對(duì)數(shù)坐標(biāo)表示,橫坐標(biāo)為粒徑,縱坐標(biāo)為小于(或大于)某粒徑的土重(累計(jì)百分比)含量,繪制成顆粒級(jí)配曲線(xiàn)(見(jiàn)圖2)。

圖2 土樣的顆粒級(jí)配曲線(xiàn)

由試驗(yàn)計(jì)算得,土樣中粒徑≥2 mm 的圓礫(卵石)占土樣重量的38.08%。土樣的不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc分別由式(1)和式(2)表示:

式中:d60、d30和d10分別相當(dāng)于小于某粒徑土重量為60%、30%和10%對(duì)應(yīng)的粒徑,分別稱(chēng)為限制粒徑、中值粒徑和有效粒徑[18],mm。

將圖2中4條曲線(xiàn)的d60、d30和d10分別取平均值,分別代入公式(1)和(2)中,得:

這里Cu＞5、Cc＞1,為級(jí)配良好土。

2.2 含水量試驗(yàn)

土的含水量是指土中水的質(zhì)量與土粒質(zhì)量之比[18],即:

式中:ω為土的含水量,%;mw為土中水的質(zhì)量,g;ms為土粒質(zhì)量,g。

2.2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

測(cè)定土體的天然含水量,為砂卵土地層重塑提供依據(jù)。

2.2.2 基本原理

土體中的自由水和弱結(jié)合水在105～110 ℃的溫度下全部變成水蒸氣揮發(fā),土體土粒質(zhì)量不再發(fā)生變化,此時(shí)的土重為土顆粒質(zhì)量加上強(qiáng)結(jié)合水質(zhì)量,將揮發(fā)掉的水份質(zhì)量與干土質(zhì)量之比稱(chēng)為土體含水率。即土體含水率是指土顆粒在105～110 ℃的溫度下烘干至恒重時(shí)所失去的水份質(zhì)量與烘干土質(zhì)量的比值,用百分?jǐn)?shù)表示。

2.2.3 儀器設(shè)備

(1)恒溫烘箱:恒溫范圍在105～110℃,溫度控制精度高于±2 ℃;(2)天平:量程為200 g,最小分度值0.01 g;(3)其它工具:鋁盒(稱(chēng)量盒)、開(kāi)土刀、干燥器、溫度計(jì)等。

2.2.4 試驗(yàn)步驟

(1)用感量0.01 g的天平稱(chēng)取鋁盒重量,記錄鋁盒編號(hào)和重量;

(2)取具有代表性的試樣15～30 g放入鋁盒內(nèi),(有機(jī)質(zhì)土、砂類(lèi)土和整體狀構(gòu)造凍土為50 g),迅速蓋好盒蓋,稱(chēng)鋁盒加濕土質(zhì)量,準(zhǔn)確至0.01 g,并記錄鋁盒號(hào)和盒加濕土質(zhì)量;

(3)揭開(kāi)盒蓋,將試樣和鋁盒一起放入恒溫烘箱,在溫度105～110 ℃下烘至恒重(烘干時(shí)間不得少于6 h);

(4)將鋁盒從烘箱中取出,蓋好鋁盒蓋,放入干燥器內(nèi)冷卻至室溫后,稱(chēng)鋁盒加干土質(zhì)量,準(zhǔn)確至0.01 g,并記錄鋁盒號(hào)和盒加干土質(zhì)量。

2.2.5 試驗(yàn)結(jié)果

共進(jìn)行5組試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。由表1可知,土樣的平均含水量為9.02%。

表1 砂土含水量試驗(yàn)結(jié)果

2.3 固結(jié)試驗(yàn)

2.3.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

測(cè)定土的壓縮性指標(biāo),主要包括土的壓縮系數(shù)、壓縮模量等。

2.3.2 試驗(yàn)原理

固結(jié)試驗(yàn)是將天然狀態(tài)下原狀土樣或人工制備的擾動(dòng)土制備成一定規(guī)格的試件,然后置于固結(jié)儀中(見(jiàn)圖3),在不同荷載、有側(cè)限和軸向排水條件下測(cè)定其壓縮變形。

圖3 固結(jié)儀

2.3.3 試驗(yàn)記錄與計(jì)算(1)孔隙比孔隙比是孔隙體積與土顆粒體積之比[18],即:

式中:e為土的孔隙比;VV為孔隙體積,cm3;VS為土顆粒體積,cm3;ds為土粒相對(duì)密度,g/cm3;ω為土的含水量,%;ρw為水的密度,g/cm3;ρ為土的密度,g/cm3。

(2)土的壓縮系數(shù)

土的壓縮系數(shù)是土體在側(cè)限條件下,孔隙比(e)減小量與有效應(yīng)力(p)增量的比值,即e-p曲線(xiàn)中某一壓力段的割線(xiàn)斜率,即:

式中:α為土的壓縮系數(shù),MPa-1;p1是地基某深度處土中(豎向)自重應(yīng)力,是指土中某點(diǎn)的“原始?jí)毫Α?p0),MPa;p2是地基某深度處土中(豎向)自重應(yīng)力與(豎向)附加應(yīng)力之和,MPa;e1、e2相當(dāng)于p1、p2作用下壓縮穩(wěn)定后的孔隙比[18]。

(3)壓縮模量

土的壓縮模量是土體在側(cè)限條件下的豎向附加應(yīng)力與豎向應(yīng)變的比值[18],即:

式中:ES為土的壓縮模量,MPa。

本次試驗(yàn)固結(jié)試驗(yàn)共3組,試驗(yàn)結(jié)果如表2所示,砂土的孔隙比-應(yīng)力關(guān)系(e-p)曲線(xiàn)如圖4所示。

表2 砂土固結(jié)試驗(yàn)成果

圖4 e-p 曲線(xiàn)

3 結(jié)論

通過(guò)系列試驗(yàn),研究了廣州典型強(qiáng)風(fēng)化花崗巖殘積土的物理力學(xué)性質(zhì),主要結(jié)論如下:

(1)卵石(粒徑大于2 mm)含量占?xì)埛e土重量的38.08%,土的不均勻系數(shù)Cu≈5.76、曲率系數(shù)Cc≈1.06,為級(jí)配良好土。

(2)砂土(粒徑小于2 mm)含量占?xì)埛e土重量的61.92%,土的含水量為9.02%。

(3)在12.5～800 kPa壓力作用下,殘積土的孔隙比為0.124～0.010,壓縮模量為1.21～67.73 MPa。