基于單元體模型試驗(yàn)的漿體變形規(guī)律研究

通過隧道施工技術(shù)法廣泛應(yīng)用于主要城市的地鐵和重要河流隧道的建設(shè)。然而,盾構(gòu)施工對地層的擾動、地層的變形沉降始終是困擾施工技術(shù)人員的核心問題。盾構(gòu)壁后注漿是減小地層損失、控制地層應(yīng)力釋放和地層變形的重要手段,是盾構(gòu)施工的必備及關(guān)鍵工序。漿液注入盾尾空隙后,注漿體初期仍處于液相流動狀態(tài),并具備一定的漿體壓力。隨施工進(jìn)行和時間推移,在漿體壓力作用下,漿體向土體排水,逐漸固結(jié)硬化,漿體發(fā)生收縮變形,并在管片外圍形成環(huán)形保護(hù)層,最終圍巖土壓力通過漿體層傳遞到管片。漿體變形會直接影響土體應(yīng)力釋放及土體位移,因此研究漿體的變形規(guī)律對于合理的控制壁后注漿參數(shù)具有重要意義。Kuwahara等學(xué)者在未考慮壁后注漿作用的前提下,利用離心模型試驗(yàn)研究了由于盾尾空隙的閉合引起管片上作用的土壓力、地層位移以及隧道圍巖土壓力變化規(guī)律。離心模型試驗(yàn)是利用橡皮筒模擬隧道,并通過逐步減小橡皮筒氣壓,使橡皮筒產(chǎn)生一定量的體積收縮來模擬地層損失,未能考慮漿液的注入及漿體固結(jié)硬化過程中漿體體積變形對地層位移的影響。盾尾空隙閉合引起的地層損失主要是由于注漿體排水固結(jié)硬化而產(chǎn)生的體積收縮,所以有必要研究壁后注漿體固結(jié)硬化過程中的體積收縮變形。Thomas和Kasper等學(xué)者建立的三維數(shù)值模型能夠比較系統(tǒng)地模擬盾構(gòu)施工過程,并將注漿材料考慮為剛度、滲透系數(shù)隨時間變化的材料,在漿液未完全固結(jié)硬化時采用應(yīng)力邊界來模擬注漿壓力的作用,在漿體完全固結(jié)硬化后則采用位移邊界來模擬。在數(shù)值仿真計(jì)算中雖然考慮了漿體材料性質(zhì)在固結(jié)硬化過程中的變化,但漿體力學(xué)參數(shù)的取值及應(yīng)力邊界的取值是基于假設(shè)的前提,缺乏試驗(yàn)結(jié)果的支撐。為此,根據(jù)漿液在盾尾空隙中的受力狀態(tài)及受力環(huán)境,設(shè)計(jì)了單元體模型試驗(yàn)裝置,可以分別考慮不同土質(zhì)條件,不同漿體壓力、不同地下水壓對漿體變形的影響,可以更為明確的反映漿體注入在盾尾空隙后的固結(jié)硬化過程中漿體的變形特性。1調(diào)整噴射試驗(yàn)的配置和方案1.1土體硬化后原漿體的收縮變形盾尾脫出管片后,對土體與管片間產(chǎn)生的盾尾空隙進(jìn)行注漿填充,漿體排水固結(jié)硬化,如圖1所示。管片認(rèn)為不透水,漿體在土水壓力作用下,發(fā)生固結(jié)硬化,漿體中一部分水分在注漿初期向土體中滲透,體積發(fā)生收縮變形。根據(jù)以上分析,設(shè)計(jì)了如圖2和圖3所示的漿體變形試驗(yàn)裝置。漿體壓力通過活塞上方堆載砝碼施加,中間為漿體,最下方為土體,土體中水分在超過預(yù)先設(shè)定的壓力后排水,漿體產(chǎn)生壓固縮水,逐漸固結(jié)硬化,漿體體積發(fā)生收縮變形。1.2土體壓力和百分表試驗(yàn)前將土體進(jìn)行飽和。將排水管充滿水后關(guān)閉閥門1,打開閥門2,對密封容器進(jìn)行加壓,使氣壓等于地下水壓后,關(guān)閉閥門2。將土體裝入圓筒底部,根據(jù)所設(shè)定的漿體壓力對活塞進(jìn)行堆載加壓,使土體固結(jié)完成后,再將活塞取出。然后把漿體裝入圓筒內(nèi),對活塞進(jìn)行堆載加壓,該壓力即為漿體壓力。同時架好百分表,讀取初始讀數(shù),并量取漿體的長度。打開閥門1,漿體排水,并實(shí)時記錄百分表讀數(shù)。忽略土體的變形量,活塞下降高度與漿體高度之比即為漿體的體積收縮率。1.3配合比的確定利用漿體變形模型試驗(yàn)裝置,分別在不同漿體壓力、不同土質(zhì)條件和不同地下水壓條件下,進(jìn)行漿體體積收縮變形試驗(yàn)。梁精華對不同配比的壁后注漿材料進(jìn)行了大量試驗(yàn),提出了一種較好的配合比,漿液配比見表1,漿液基本性能見表2。土體分別采用南水北調(diào)中線穿黃隧道的中細(xì)砂土(顆粒分析曲線見圖4,)和南京地鐵珠江路站的粉質(zhì)粘土,材料參數(shù)見表3。漿體壓力分別采用0.15MPa,0.2MPa,0.25MPa,0.3MPa。地下水壓分別采用0MPa,0.05MPa,0.1MPa。2漿體變形試驗(yàn)的結(jié)果分析2.1支護(hù)結(jié)構(gòu)下漿體變形規(guī)律圖5、圖6為砂土條件和粘土條件,漿體在排水壓力(Pw)為0MPa,漿體壓力(Pg)分別為0.15MPa,0.2MPa,0.25MPa,0.3MPa的條件下的變形曲線?？梢钥闯?在漿體壓力與地下水壓一定的情況下,在砂土土質(zhì)條件下,漿體變形曲線在3～4h前變形速率較快,曲線較陡,在4h后變形曲線趨于平緩穩(wěn)定。在粘土條件下,漿體變形曲線表現(xiàn)為平緩上升趨勢,且漿體變形趨于穩(wěn)定的時間較長。砂土條件與粘土條件相比,砂土條件下,漿體變形速率快,漿體最終變形量較大;粘土條件下,漿體變形速率慢,漿體最終變形量小。這主要是由于砂土的滲透率遠(yuǎn)大于粘土的滲透率,促使?jié){體的排水速率加快,漿體能夠快速壓密,同時也使?jié){體的水灰比變小,增強(qiáng)了漿體中水泥的水化作用,從而加快漿體的固結(jié)硬化進(jìn)程,說明土體的滲透性是影響漿體變形的重要因素。2.2漿體壓力和變形量圖7、圖8是土質(zhì)條件為砂土和粘土,地下水壓為0.05MPa時,漿體壓力對漿體變形的影響曲線。隨漿體壓力的增大,漿體的排水速率加快,并使?jié){體的變形量增大。在砂土條件時,在初期漿體壓力的增大對漿體變形影響較大,當(dāng)時間達(dá)到3～4h后,漿體壓力對漿體變形的影響逐漸減小。當(dāng)土質(zhì)條件為粘土?xí)r,漿體壓力對漿體變形的影響較為明顯,隨漿體壓力的增大,不僅明顯加快了漿體的變形速率,而且加大了漿體的變形量。2.3最終變形量因受壓圖9、圖10是土質(zhì)條件為砂土和粘土,漿體壓力為0.3MPa時,地下水壓對漿體變形的影響曲線。隨地下水壓的增大,漿體的體積變形速率呈減緩趨勢,且漿體的最終變形量也隨之降低。在砂土條件時,地下水壓為0.05MPa與地下水壓為0MPa相比,具有明顯降低漿體變形量的效果,而地下水壓0.1MPa與地下水壓為0.05MPa相比降低漿體變形量的效果不明顯,地下水壓對于砂土中漿體的變形速率及最終變形量都具有明顯影響。而在粘土條件下,地下水壓的增大對漿體的變形影響較小,呈線性減小趨勢。表明地下水壓具有阻礙漿體排水的作用,在砂土條件下表現(xiàn)的更為明顯。3壓力和滲透率對漿體變形的影響壁后注漿是盾構(gòu)施工中主動控制地層應(yīng)力釋放和地層位移的重要手段。漿體從液體狀態(tài)向固體狀態(tài)逐漸固結(jié)硬化的過程是漿體發(fā)生體積收縮的主要階段,是影響土體應(yīng)力釋放和土體變形的主要因素。1)較高的漿體壓力不僅加快了漿體的排水速率,使?jié){體的變形速率加快,且增大了漿體最終變形量。在粘土條件中,漿體壓力對漿體變形的影響要明顯大于砂土條件。因此在砂性土條件下進(jìn)行壁后注漿應(yīng)盡量選用保水性好的漿體。2)土體的滲透率對于漿體的變形具有較大的影響。由于砂土的滲透率遠(yuǎn)大于粘土,故在砂土條件下,漿體的變形速率明顯快于粘土條件,漿體變形趨于穩(wěn)定的時間也較短。在粘土條件下漿體的變形速率及最終變形量較小,說明在滲透率較低的地層中,壁后注漿對控制地層應(yīng)力釋放及地層變形具有較好的效果。3)在粘土條件下,地下水壓對漿體變形的影響較小,而在砂土條件下,地下水壓的增大不僅明顯的減緩了漿體的變形速率,導(dǎo)致漿體的最終變形量明顯減小。說明地下水壓具有阻礙漿體排水的作用,尤其