干燥粉細砂地層水平旋噴固結體物理力學性能試驗分析

侯 剛

(中鐵十二局集團 第三工程有限公司，山西 太原 030024)

干燥粉細砂地層水平旋噴固結體物理力學性能試驗分析

侯 剛

(中鐵十二局集團 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回實驗室加工成試件，進行了重度、劈裂抗拉試驗、無側限抗壓試驗、直剪試驗、單軸和三軸抗壓試驗，經分析得出：干燥粉細砂地層的水平旋噴固結體的重度變異性較大，粉細砂固結體的平均抗拉強度0.87 MPa，平均抗壓強度12.76 MPa，抗拉強度是抗壓強度的1/15，二者的變異性相近。固結體的平均變形模量為7.18 GPa，變異性較大，但泊松比較穩定。直剪試驗得到的黏聚力比三軸試驗大17.1%;而直剪試驗得到的內摩擦角比三軸試驗小18.1%。因三軸試驗剪切破壞面非人為固定，更接近固結體的真實情況。隨著圍壓的增大，固結體的三軸強度也增大，且與圍壓呈線性關系;隨著圍壓的增大，固結體的塑性變形能力增強。

干燥粉細砂 水平旋噴固結體 力學指標 試驗分析

1 工程概況

大西客運專線上白隧道位于山西省聞喜縣境內，是全線重點控制性隧道工程，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和中更新統粉細砂層，厚度不均，且多以透鏡體夾層形式出現于上更新統黃土中，下部為中更新統老黃土。干燥粉細砂層在隧道斷面的不同部位均能遇到。由于其自穩能力極差，開挖面不能自穩。最初采用多種間距的超前注漿小導管和管棚對開挖面前方地層進行預加固，由于粉細砂層含水率低、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常出現漏砂、涌砂現象，甚至發生坍塌。施工進度極為緩慢，成為當時全線隧道頭號難點工程。

為了控制超前預支護拱棚間漏砂、涌砂現象，采用技術上已經相對成熟的水平旋噴預支護技術對開挖面前方地層進行預加固。通過水平旋噴柱體相互搭接形成拱棚，為隧道開挖提供預支護，并通過向開挖面前方地層打設水平旋噴預加固柱體穩定開挖面，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參數，對干燥粉細砂地層的水平旋噴固結體力學性能進行測試與分析，以保證水平旋噴預支護拱棚能夠承受較大的地層壓力。

2 試驗情況簡介

對粉細砂取樣進行分析，測得粉細砂地層含水率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3.9，表明該砂層為粒徑比較均勻的干燥粉細砂層。

試驗采用的旋噴固結體施工參數:旋噴壓力30～35 MPa，噴頭旋轉速度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。

在現場取出固結體運回室內加工成所需試件。水平旋噴固結體的力學性能試驗采用圓柱形試件［3-6］，直徑 d為5 cm。對于單軸、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均為飽和狀態。

3 試驗結果與分析

3.1 固結體的重度

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

由此可見，固結體的截面結構不是很均勻的，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 劈裂抗拉強度

3.3 抗剪強度指標

圖1 角度可變抗剪儀

圖2 抗剪強度與法向應力的關系

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

3.4 單軸抗壓強度、變形模量及泊松比

固結體的單軸抗壓強度試驗在常規電液伺服三軸儀上進行，可以記錄軸向偏應力與應變的全過程和試件的徑向位移，因此通過單軸壓縮試驗可以得到旋噴固結體的單軸抗壓強度、變形模量和泊松比。變形模量E50取峰值強度 σa的50%時對應的應力與應變之比。泊松比取峰值強度之前泊松比的平均值。單軸壓縮試驗有8個試件，測試結果見表1。

表1 固結體壓縮試驗結果

由表1可知，粉細砂固結體的平均抗壓強度為12.76 MPa，劈裂抗拉強度與其單軸抗壓強度的比值達到1/15。固結體變形模量較大，平均值達到了7.18 GPa，變異性較大，變異系數達到10.3%。旋噴固結體材料的泊松比比較穩定，其平均值為0.28，變異性較小。

3.5 旋噴固結體的應力—應變特性及三軸強度

3.5.1 三軸受壓條件下應力—應變特性

水平旋噴拱棚的受力處于三維應力狀態。由于隧道埋深不大，選取拱部為干燥粉細砂地層的區段進行水平旋噴預支護試驗。試驗段最大埋深約80 m，因而對固結體分別進行了 0，300，600，900 和1 200 kPa 5種圍壓的三軸試驗，每種圍壓下做3個試件。三軸壓縮試驗在電液伺服試驗機上完成。

三軸試驗的主應力差(σ1－σ3)隨軸向應變 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力差—軸向應變曲線在軸向變形較小時(＜0.02%)，曲線呈現下凸，原因是固結體進一步被壓密。隨后曲線接近直線增長，主應力差—應變曲線接近線彈性，然后試件出現微觀裂縫，主應力差—應變曲線開始呈現非線性;隨著應力的增加，試件出現宏觀裂縫，曲線到達峰值。②隨著圍壓的增大，主應力差—應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。③隨著圍壓的增大，試件達到峰值強度時的應變也在增大。

圖3 不同圍壓下的主應力差—軸向應變曲線

3.5.2 三軸強度

把主應力差—軸向應變曲線的峰值強度稱之為固結體的三軸強度σf。固結體的三軸強度σf隨著圍壓的增大而增大，二者的關系曲線如圖4所示。進行數據擬合，得到σf=4.16σ3+13.03，R2=0.99。因此，可以認為固結體的三軸強度與圍壓成線形關系。

圖4 三軸強度與圍壓之間的關系

由直剪試驗得到的黏聚力比三軸試驗大17.1%;而由直剪試驗得到的內摩擦角比三軸試驗小18.1%。原因可能是因直剪試驗的剪切破壞面是人為固定的，與固結體的真實內摩擦角大小無關，而三軸試驗剪切破壞面非人為固定，與固結體的真實內摩擦角相關。因此，由三軸試驗得到的固結體黏聚力和內摩擦角更接近真實情況。

4 結論

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

2)固結體的平均變形模量7.18 GPa，變異性較大，但泊松比比較穩定。直剪試驗得到的黏聚力比三軸試驗大17.1%;而直剪試驗得到的內摩擦角比三軸試驗小18.1%。三軸試驗剪切破壞面非人為固定，因而更接近固結體的真實情況。

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

［1］劉勇，孫星亮，朱永全，等．水平旋噴預支護技術在鐵路隧道中的應用［J］．巖石力學與工程學報，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中的應用［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］．巖石力學與工程學報，1998，17(5):589-593．

［5］唐朝松，李峰．旋噴樁在加固鐵路隧道Ⅵ級圍巖風積砂地層中的應用［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中的應用［J］．鐵道建筑，2007(7):26-28．

［7］中華人民共和國鐵道部．TB 1011—1998 鐵路工程巖石試驗規程［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，高級工程師。

(責任審編 葛全紅)