黏土層中水平MJS水泥土強度分析

肖子聰,江建洪,王占生,張宗超,史培新

(1.蘇州大學 軌道交通學院,江蘇 蘇州 215131;2.蘇州市軌道交通集團有限公司,江蘇 蘇州 215004;3.中鐵十六局集團北京軌道交通工程建設有限公司,北京 101199)

全方位高壓噴射注漿(Metro Jet System,簡稱MJS)在常規高壓旋噴技術的基礎上為鉆具增加了調控地內壓力的功能并且可以強制排漿,具有成樁直徑大、施工對周邊環境擾動小、泥漿污染少等優點,被越來越多地應用于周邊環境復雜、對施工影響敏感的地下工程中[1],如城市深基坑圍護、敏感建筑物保護、地基加固[2-4]。MJS施工靈活,可以在豎直、水平和傾斜方向施工,目前國內對MJS的應用多數為豎直向,水平向的應用較少。少量文獻報道了水平MJS用于新建高鐵盾構隧道聯絡通道、城市軌道交通盾構隧道和地鐵車站穿越既有建(構)筑物的工程[5-8],蘇州地區尚未有水平MJS的應用。

MJS加固的主要目的是提升地層的力學性能(如強度、模量),同時降低地層的滲透性,從而提高施工安全性,控制施工引起的地層變形。室內試驗表明,地層加固形成水泥土的強度隨齡期的增長而增大。其在28 d齡期前增長速度較快,在28 d～90 d增長速率放緩[9]。強度隨水泥摻入比的增加而增大。當水泥摻入比較小時,水化產物主要用于膠結土顆粒,強度與水泥摻入比呈線性相關;當水泥摻入比較大時,水化產物將填充孔隙,強度隨水泥摻入比的增加速度減緩[10]。對于MJS加固形成的水泥土,目前研究較少。劉欣等[11]依托南京地鐵7號線下穿10號線工程,研究了水平MJS的成樁效果,發現半圓樁中部芯樣的強度最大,室內水泥土強度是芯樣強度的3～4倍。

MJS加固水泥土的力學性能主要取決于施工工藝和地層性質。在建蘇州地鐵6號線下穿1號線臨頓路站工程擬采用水平MJS加固既有車站底部土體。由于蘇州本地缺乏水平MJS施工經驗,工程實施前在鄰近的6號線蘇錦站進行了試樁。本文通過室內人工制水泥土,采用無側限抗壓強度試驗來預估實際工程中MJS樁體的強度;然后用現場試驗研究水平MJS樁在蘇州典型地層中的成樁效果,鉆芯取樣檢測其無側限抗壓強度;最后將MJS樁體水泥土與人工制水泥土比較,建立相關強度關系。

1 工程概況與試驗方案

蘇州地鐵6號線區間隧道擬近距離下穿既有1號線臨頓路站,由于既有車站前期未預留換乘條件,新線區間隧道擬采用盾構直接切削鋼筋混凝土地下連續墻的穿越方式。盾構穿越區域如圖1所示,它與1號線車站底板的最小距離僅3.4 m,并且其中有軟弱黏土層(5-1粉質黏土,物理力學性質如表1所示)。為控制施工過程對既有1號線車站的擾動,同時為盾構掘進過程中可能的開倉換刀提供條件,需要對穿越區域的土層進行加固。常規的加固方式難以滿足本工程的要求,比如注漿法的加固體性能不足,高壓旋噴容易破壞既有車站底板,凍結法造成的地層變形難以控制。通過方案比選,本項目擬采用水平MJS加固。為了確保水平MJS施工時的地層變形和加固體性能達到要求,在正式加固前,選擇在附近具有相同地層條件的蘇州地鐵6號線蘇錦站試樁。

圖1 蘇州地鐵6號線下穿1號線臨頓路站水平MJS加固區域剖面圖(單位:m)

表1 土層的物理力學性質

試樁采用向下180°擺噴。其中第一根樁P1(下文簡稱P1)位于5-1粉質黏土中,樁頂標高-16.3 m;第二根樁P2(下文簡稱P2)位于6-1黏土中,樁頂標高-18.5 m。土層的基本物理力學性質見表1。P1和P2均采用長距離變參數的施工方法,每根樁分成4段不同參數的樁段,每段長7 m,相鄰段水平距離0.65 m～0.75 m,試樁的具體位置如圖2所示,施工參數如表2所示。在成樁300 d后進行開挖取芯(在開挖前,樁體在原土中,并且在地下水位以下),每次取芯的長度為30 cm,按圖3所示的位置取芯,實際取芯時根據截面形狀進行調整。取芯完成后加工芯樣使得試件為高100 mm、直徑100 mm的圓柱體。無側限抗壓試驗的試驗方法參考《水泥土配合比設計規程》(JGJ/T 233—2011)和《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—2019)(下文簡稱規范),采用應變控制式壓力試驗機,以1 mm/min的速率加載。為預估現場試驗MJS水泥土和正式下穿工程中MJS水泥土的性能,進行了室內試驗。

圖2 試樁縱斷面

表2 水平MJS樁施工參數

室內水泥土的試驗方法參考規范,選用與試樁現場相同的土層,按原狀土的含水量配制室內水泥土。具體為:使用P·O42.5級水泥,水灰比取1∶1,分別配制7%、14%、21%、28%、35%、40%、45%和50%水泥摻入比的水泥土,制成邊長為70.7 mm的立方體試塊。制樣完成后靜置48 h以上后拆模,放入養護箱中(養護箱中溫度為20±5℃,濕度為95%),養護7 d和28 d。每組制作6個平行樣,共計32組。無側限抗壓試驗采用應變控制式壓力試驗機,以1 mm/min的速率加載。

2 試驗結果與分析

2.1 室內水泥土的力學強度和影響因素

令qu,aw為水泥摻入比aw時的無側限抗壓強度,qu,50%為水泥摻入比50%時的無側限抗壓強度,無側限抗壓強度比Rqu,aw=qu,aw/qu,50%。不同土層制成的水泥土7 d和28 d無側限抗壓強度比Rqu,aw隨水泥摻入比的變化規律如圖4所示。7 d齡期時,水泥摻入比在50%時,5-1層和6-1層水泥土的無側限抗壓強度分別是3.10 MPa和4.35 MPa;對應的28 d強度為3.31 MPa和6.41 MPa。相同齡期條件下,水泥土均表現出Rqu,aw隨水泥摻入比的增加而增大,6-1黏土水泥土相比5-1粉質黏土水泥土在相同水泥摻入比時強度更高,其原因是水泥土的強度與具體土層性質相關。土質對OH-、CaO、Ca2+的吸收能力會影響水化硅酸鈣CSH(對強度貢獻最大的水化產物)的生成量,進而影響強度,并且黏土中Na2SiO3、NaOH、活性SiO2和Al2O3的化學反應生成物有利于水泥土強度的提高[12-14]。相比6-1黏土層,5-1粉質黏土層含有機質,而有機質具有很強的持水性和吸附性,會阻礙水泥與水和黏土顆粒的反應[15]。5-1粉質黏土的天然含水量較6-1黏土高,導致相應的強度更低[16]。土質的塑性越強,水泥土強度對水泥摻入比的敏感性越強[12],6-1黏土的塑限更高,使其水泥土強度受水泥摻入比的影響更大。綜合有機質、似水灰比等因素,5-1粉質黏土水泥土強度更低。

圖4 水泥摻入比和齡期對無側限抗壓強度的影響

無側限抗壓強度比Rqu,aw隨水泥摻入比aw的增加呈非線性的增長,水泥摻入比較低時,強度的增長較快。Rqu,aw與aw存在較好的對數關系:

Rqu,aw=a+b·ln(aw-c)

(1)

不同土層按不同水泥摻入比制成的水泥土,其無側限抗壓強度隨齡期從7 d到28 d的強度均隨齡期的增加而增長,其原因是:隨著齡期增長,水泥的水化產物逐漸將土的小顆粒膠結,形成大的結構單元體,同時填充水泥土中的孔隙,從而實現強度的增長[17]。其中5-1粉質黏土水泥土強度增量平均值為0.49 MPa,小于6-1黏土水泥土強度增量平均值1.42 MPa,表明該強度增量受土層性質的影響較大。根據似水灰比、有機質等因素,5-1粉質黏土層的特性不利于水泥土強度的發展。

2.2 現場MJS水泥土的力學強度與影響因素

鉆芯取得的芯樣存在夾泥情況。在鉆芯時,部分芯樣在夾泥集中的部位發生斷裂,少數芯樣因大量夾泥而難以從鉆孔取出。芯樣加工成試件后進行了無側限抗壓強度試驗,其中“P2-Ⅳ-2 (+1m)”截面各個試件的應力-應變曲線、破壞后的照片以及取芯位置如圖5所示。截面編號“P2-Ⅳ-2 (+1m)”表示P2樁第四段Ⅳ的第2個截面,其截面位置距離該樁段端部的距離為1 m,后續其它截面命名類似,不再特別說明。

圖5 典型截面中夾泥程度對水泥土強度的影響

通過觀察芯樣破壞后的照片,可以把芯樣的夾泥程度分成5個類型,分別為“無明顯夾泥”、“少量夾泥”、“夾泥”、“局部大塊夾泥”和“大量夾泥”。“無明顯夾泥”具體表現為試塊整體顏色均勻,沒有肉眼可見的土塊;“少量夾泥”具體表現為試塊大部分呈均勻的灰色,存在少量徑向尺寸在5 mm左右的土塊,并且土塊分布分散;“夾泥”具體表現為試塊整體顏色不均勻,存在徑向尺寸達10 mm以上的土塊,并且土塊分布較集中;“局部大塊夾泥”具體表現為試塊整體上與“少量夾泥”的外觀相似,但局部存在徑向大于20 mm且連續甚至貫通截面的土塊;“大量夾泥”具體表現為試塊大部分為土塊,土塊和水泥土均連續分布。

本次在12個截面完成了取芯,芯樣無側限抗壓強度qu與夾泥程度的關系如表3所示。表3中序號5～12為P2的截面,夾泥程度為“夾泥”、“局部大塊夾泥”和“大量夾泥”的芯樣強度平均值分別是“少量夾泥”芯樣強度平均值的88%、62%和48%。表3中序號9、10截面的芯樣夾泥程度與強度不對應,中部都有破碎芯樣。夾泥程度是樁體性能的宏觀表現,可以部分反映芯樣的強度。對于某具體芯樣,水泥摻入比、原土體的均勻程度、含水量、礦物成分等物理化學性質都會影響芯樣的強度,因此表3中部分截面芯樣的強度未與夾泥程度正相關。下面分析樁體截面上的強度分布。

表3 夾泥程度對無側限抗壓強度的影響

5-1粉質黏土層中的P1與6-1黏土層中的P2呈現不同的強度分布規律。由于5-1層的土質常不均勻,夾粉粒,漿液易沿粉粒處滲流,同時由于射流的壓強較大,使地層中原有的孔隙擴大,形成類似滲透注漿和劈裂注漿的注漿型截面。在該種截面取得的芯樣多數呈局部大塊夾泥,樁體不均勻。6-1層的土質較均勻,P2的截面均呈切割攪拌型,芯樣的夾泥程度存在較大差異。圖5所示截面P2-Ⅳ-2的強度呈不均勻分布,而夾泥程度與截面上的相對位置相關。表3中序號5、7、8、11、12截面的表現為:截面上部有一定夾泥,中部夾泥程度相對較低,下部夾泥程度高。其原因分析如下:噴漿會擾動上部土體,使其塌落,造成樁體上部均勻性較差;未固化的水泥漿與土在重力作用下,固體下沉而氣液上浮,較重的土團沉積在樁體下部,而樁體下部與噴口距離遠,此處的射流能量已大量損耗,漿液難以與土體混合均勻;相對地,截面中部的夾泥程度較低,相關芯樣的強度較高。以上截面表現出樁體中部的成樁效果最佳,與劉欣等[11]的結論相同。由于取芯數量有限,此規律在其它截面上不明顯。

成樁質量檢查的結果表明,土質均勻性是樁體強度分布的首要影響因素。5-1粉質黏土層不均勻,常夾粉粒,樁體截面多數為注漿型,其強度分布與位置沒有明顯的對應關系,多數芯樣呈局部大塊夾泥。6-1黏土層土質均勻,樁體截面均形成切割攪拌型。6-1土層埋深較大且不排水抗剪強度較高,MJS射流的作用能力有限,水泥漿與土體沒有充分攪拌混合,導致樁體夾泥。此外,黏土的滲透性弱,射流不能滲透到土體的孔隙中,增加了樁體截面上強度分布的離散性。以上因素導致6-1層中樁體仍表現為不均勻[18-19]。

2.3 室內水泥土與現場MJS水泥土的力學強度對比分析

室內水泥土和現場MJS水泥土在無側限抗壓試驗中表現出相似的應力-應變變化趨勢,依次經過彈性階段、塑性階段、軟化階段和殘余強度階段。相比室內水泥土,現場MJS水泥土表現出更強的脆性,室內水泥土殘余強度與峰值強度的比值平均為0.60,破壞應變平均為3.48%;現場MJS水泥土的相應比值為0.37,破壞應變平均為1.70%。

部分室內水泥土無側限抗壓試驗的結果和現場水泥土無側限抗壓試驗的結果對比如表4所示,現場水泥土的無側限抗壓強度為該土層所有芯樣強度的平均值。由于取樣數量有限,并且部分芯樣破碎無法測試強度,表中樁體強度并不具有全集的代表性。表4中室內水泥土的齡期為28 d,而現場MJS水泥土的齡期為305 d～335 d。阮錦樓等[20]的研究表明粉質黏土制成的水泥土28 d齡期的無側限抗壓強度約為90 d齡期的71%～80%,通常認為水泥土的強度在90 d齡期以后不再明顯增長。因此,可假設測得的現場MJS水泥土無側限抗壓強度與90 d齡期時相當,取其75%作為估算的28 d齡期強度。現場MJS水泥土無側限抗壓試驗的試件尺寸與室內水泥土不同,存在尺寸效應。根據王珍蘭等[21]的研究,前者是后者強度的90%,據此在表4中已將現場MJS水泥土圓柱體的強度換算成立方體的強度。由表4可知,現場水泥土的強度明顯小于室內水泥土,并且兩者的差異隨土層的不同存在較大差距,5-1粉質黏土層中現場MJS水泥土與室內水泥土的無側限抗壓強度之比平均為0.87,6-1黏土層中相應平均為0.55。

表4 室內水泥土與現場水泥土的強度對比

室內水泥土與現場MJS水泥土存在強度差異主要是因為兩者的形成條件不同。室內水泥土通過機械攪拌混合,并進行振搗,混合物較均勻,而現場水泥土通過射流與土的相互作用混合,攪拌不均勻,存在夾泥現象,并且MJS樁體的強度分布具有空間變異性。從水泥土的固化機理來分析,攪拌均勻有利于提高水泥土強度,因為水泥漿可以充分滲透到土孔隙中,使CSH等水化產物易于與土顆粒發生膠結作用,也使得土中礦物易于與水化產物Ca(OH)2發生硬凝反應,經過膠結的黏土顆粒通過團粒化作用逐漸形成硬骨架,水泥土的強度因此提高。相反,在未充分攪拌的水泥土中,存在部分土顆粒沒有受到膠結,也不存在團粒化作用,導致水泥土局部強度低,同時降低了整體強度。

現場MJS水泥土與室內水泥土的強度差異隨土層的不同而表現出明顯的變化,主要因素包括土體均勻性、土體強度和土體的物理化學特性等。6-1黏土層較為均勻,而5-1粉質黏土層夾有粉粒,射流易沿粉粒滲透而形成注漿型樁體,因此5-1層中樁體截面多數呈局部大塊夾泥。6-1黏土層的不排水抗剪強度是5-1粉質黏土層的2.86倍,使得射流在6-1黏土層的切割能力有限,這使得樁體截面呈現不同程度的夾泥現象。以上這些夾泥現象使得現場MJS水泥土的強度降低。由2.1節可知,在水泥摻入比較高與齡期較長時,5-1粉質黏土水泥土的強度增長速度明顯低于6-1黏土水泥土,因此表4中5-1層的現場水泥土無側限抗壓強度與室內水泥土的差異較小。綜合以上因素,相比6-1黏土,5-1粉質黏土MJS水泥土與室內水泥土的強度均較小,但MJS水泥土與室內水泥土的強度比值較大。從表3中水泥土在不同施工參數下的強度值可見,施工參數在一定范圍內的變化并不會引起同一土層內水泥土強度的較大變化,因而以上分析未考慮不同施工參數的具體影響。

3 結 論

本文基于水平MJS試樁,通過鉆芯、無側限抗壓試驗研究了蘇州典型黏土中水平MJS樁體的強度影響因素與強度分布;對現場MJS樁體的夾泥程度進行了分類;結合室內水泥土試驗,得到了室內水泥土和現場MJS水泥土的強度關系。通過分析和研究得出如下結論:

(1) 蘇州5-1粉質黏土和6-1黏土水泥土,當水泥摻入比從7%～50%時,其無側限抗壓強度隨水泥摻入比的變化呈近似的對數關系。

(2)位于6-1黏土中的MJS樁體存在夾泥現象,夾泥程度會顯著影響樁體強度。試驗發現大部分芯樣有“少量夾泥”,夾泥程度為“夾泥”、“局部大塊夾泥”和“大量夾泥”的芯樣強度平均值分別是“少量夾泥”芯樣強度平均值的88%、62%和48%。

(3) MJS樁體截面上的強度分布具有空間變異性,主要取決于土體的不均勻性和土體強度。相比較均勻的6-1黏土層,5-1粉質黏土層夾粉粒,易形成更不均勻的注漿型樁體,無側限抗壓強度的離散性更大。

(4) 現場MJS水泥土的強度明顯小于室內水泥土的強度,主要原因是室內水泥土攪拌均勻,而現場水泥土不均勻,存在夾泥現象。在28 d齡期時,本次試驗中5-1粉質黏土層和6-1黏土層中現場MJS水泥土與相應水泥摻入比為40%、45%和50%的室內水泥土無側限抗壓強度平均值之比分別為0.87和0.55。