注入初期盾構(gòu)壁后注漿體的三軸試驗研究

陳喜坤，朱 偉，王 睿 (.蘇交科集團股份有限公司，南京 007; .河海大學 土木與交通學院，南京 0098)

注入初期盾構(gòu)壁后注漿體的三軸試驗研究

陳喜坤1，朱 偉2，王 睿2
(1.蘇交科集團股份有限公司，南京 210017; 2.河海大學 土木與交通學院，南京 210098)

壁后注漿體注入初期的變形及力學性質(zhì)的變化直接影響到土體應(yīng)力釋放、地面沉降以及管片的后期受力情況。基于非自立性材料三軸試驗方法，以工程常用的硬性漿和惰性漿為研究對象，開展了三軸固結(jié)不排水剪切試驗。結(jié)果表明：高圍壓有助于漿液排水固結(jié)，且漿液最終體應(yīng)變也隨著圍壓增加而增大；漿液在不排水條件下剪切過程呈現(xiàn)出應(yīng)變硬化性，體積先收縮，隨后呈現(xiàn)出明顯的剪脹特性。在滿足變形及施工要求的前提下，適當提高注漿壓力及采用水膠比較小的漿液，有利于保證注漿體的施工質(zhì)量。

盾構(gòu); 壁后注漿; 三軸試驗; 剪切應(yīng)力; 孔壓消散; 體應(yīng)變

1 研究背景

盾構(gòu)隧道在我國的使用越來越多，由于壁后注漿引起的變形、上浮、沉降等問題經(jīng)常發(fā)生[1]。使用壁后注漿材料充填盾殼與管片之間的10～20 cm盾尾空隙[2]，這是盾構(gòu)隧道施工過程中控制地表沉降發(fā)生、減少對周圍圍巖擾動、增加盾構(gòu)管片防滲性能的關(guān)鍵[3]。而壁后注漿材料以一種流塑性材料的狀態(tài)注入盾尾空隙，經(jīng)過固結(jié)-膠結(jié)作用后成為管片結(jié)構(gòu)和圍巖之間的過渡性接觸體。從高壓流體材料變?yōu)檫m應(yīng)圍巖應(yīng)力的固體材料，壁后注漿體的主要應(yīng)力和變形都在注入初期發(fā)生，注入初期的力學性質(zhì)對于后期的工程表現(xiàn)起著至為關(guān)鍵的作用。因此，從土力學的角度研究注入初期注漿體的應(yīng)力-應(yīng)變及強度特征，對于理解壁后注漿體的力學行為，合理進行材料配制和施工管理有著重要作用。

目前，常用的壁后注漿體主要包括單液漿和雙液漿，其中單液漿的使用最為廣泛，國內(nèi)外很多學者針對不同盾構(gòu)隧道的壁后注漿體展開研究。李曉鄂[4]等研究發(fā)現(xiàn)采用水泥系注漿材料所形成的固結(jié)體抗壓強度、彈性模量、抗?jié)B性能除與水灰比有關(guān)外，與土質(zhì)也有很大關(guān)系。Mcgillivray[5]針對美國佛羅里達州淺覆土隧道施工的壁后注漿問題，通過測試漿體的流動度、不同養(yǎng)護齡期試塊(直徑76 mm，高度152 mm)強度等指標，選取了一種合適的硬性漿液；王樹清等[6]研制了水泥-粉煤灰-膨潤土-水玻璃系雙液塑性同步注漿材料，探討了組分對漿液流動性、穩(wěn)定性、強度等的影響。

壁后注漿體注入盾尾空隙后的力學性質(zhì)方面也有學者開展了研究，Bezuijen等[7]在二次注漿管處安裝壓力傳感器現(xiàn)場實測了壁后注漿體施工過程中漿液孔隙水壓力的變化，得出了實際施工中壁后注漿體孔壓消散的規(guī)律。張海濤[8]針對上海西藏南路越江隧道進行了惰性漿液配比試驗，通過固結(jié)、直剪等傳統(tǒng)土力學試驗手段得出了不同養(yǎng)護齡期壁后注漿體的強度、流動度、和易性、泌水率等指標的變化規(guī)律。韓月旺等[9]利用自制相似于一維固結(jié)儀的試驗裝置，對壁后注漿體的孔壓消散特性進行研究，發(fā)現(xiàn)注漿材料以及圍巖透水條件會對注漿壓力的消散產(chǎn)生很大的影響。

由于試驗和檢測方法的局限性，目前還不能考慮圍巖應(yīng)力作用下流動性注漿材料逐漸硬化的物理力學過程，因此，壁后注漿材料在注入初期的力學特性尚不明確。針對以上問題，本文使用特殊的能夠進行流塑性材料三軸試驗的儀器，對3種常見的壁后注漿材料進行了三軸試驗，研究了注入初期壁后注漿體的孔壓消散、變形和強度參數(shù)。

2 試驗材料和方法

2.1 材 料

試驗分別采用了3種常用的壁后注漿體材料，分別是惰性漿a、惰性漿b[10]、硬性漿c[11]，其配方和漿體的工程性質(zhì)分別如表1和表2所示。

表1 漿液單位體積的的材料用量Table 1 Slurry material usage per unit volume kg

表2 漿體的工程參數(shù)Table 2 Engineering parameters of the slurry

2.2 裝 置

圖1 非自立性三軸試驗裝置Fig.1 Non-self-reliant triaxial test device

本文利用Zhu等[12]改進后的非自立性材料三軸試驗儀(圖1)和試驗方法，首次實現(xiàn)了既不改變試樣初始孔隙比又快速有效的制樣手段，并開展壁后注漿材料的應(yīng)力-應(yīng)變試驗。主要實現(xiàn)方法是在對開模的支護下完成試樣的裝填，然后在不拆除對開模的條件下安裝壓力室并注水施加圍壓，圍壓維持到試樣穩(wěn)定之后，通過活塞桿的提升撤銷對開模的支護作用，整個過程試樣均不排水，所以不會對試樣的孔隙比分布帶來影響。

2.3 方 法

(1) 制樣和裝樣。將試驗材料分別稱重，并放入攪拌容器中，攪拌10 min左右，然后裝入事先安裝在三軸儀底座上的對開模中，安裝壓力室并充滿水后施加初始圍壓使試樣穩(wěn)定，整個過程歷時控制在1 h左右。

(2) 固結(jié)過程。提升軸壓桿，打開對開模，對3種漿體均分別采用50，100，200 kPa圍壓進行固結(jié)，孔壓消散過程以孔隙水壓力降為0為消散終點。

(3) 剪切階段。采用固結(jié)不排水剪切，剪切速率為0.02 mm/min。軸向應(yīng)變達到15%時，結(jié)束試驗。

3 結(jié)果與分析

3.1 注入初期壁后注漿材料的孔壓消散特性

試驗中3種漿液實測裝樣高度均為7.5 cm，試樣直徑3.9 cm，試驗條件相同。

如圖2中，u為孔隙水壓力，σ3為圍壓，注入初期3種漿體孔壓消散曲線均呈現(xiàn)反“S”型，根據(jù)消散速率和曲線形態(tài)可將漿體孔壓消散過程分為3個階段：第1階段，孔壓消散速率較小，惰性漿a和硬性漿c出現(xiàn)短暫的孔壓不消散的現(xiàn)象，漿體快速排水；第2階段，孔壓消散速率逐漸達到最大值，這一過程占消散過程歷時的50%以上，漿體排水收縮的速度依然很快，后期開始出現(xiàn)降低；第3階段，孔隙水壓力消散速率降低，漿體體應(yīng)變達到最大值，并趨于穩(wěn)定。

圖2 不同圍壓下漿液孔壓隨固結(jié)時間變化情況Fig.2 Changes of pore pressure of slurry with the consolidation time under different confining pressures

隨著圍壓增大，漿液孔壓消散速度增加，有利于漿液的固結(jié)穩(wěn)定，因此施工中應(yīng)該在不超過地層土水壓力的前提下采用較大的注漿壓力。此外，惰性漿a和硬性漿c第1階段消散過程持續(xù)時間高于惰性漿b，最終孔壓消散時間也高于惰性漿b，分析認為，惰性b水膠比較大(水與膠凝材料的質(zhì)量比，硬性漿的膠凝材料為水泥和粉煤灰，而惰性漿采用石灰與粉煤灰)，導致漿液排水較快，從而使孔壓迅速降低。

3.2 注入初期壁后注漿材料的變形特性

圖3為3種漿液在50, 100, 200 kPa圍壓下的體應(yīng)變變化曲線，表3為漿液最終體應(yīng)變量。

由圖3可知，隨著固結(jié)時間推移，漿液體積收縮率逐漸增加，但增加幅度逐漸減緩，并趨于0。圍壓較大時，漿體體積收縮率增長較快，且最終體應(yīng)變也較大。而小圍壓下漿液體積變形則比較平緩。此外，從表3可以看出，圍壓從100 kPa至200 kPa的體應(yīng)變的增加量，明顯小于50 kPa至100 kPa的體應(yīng)變的增加量。即在低圍壓下體應(yīng)變隨圍壓增加較大，而高圍壓下體應(yīng)變的增幅逐漸降低。

圖3 不同圍壓下漿液體應(yīng)變隨固結(jié)時間變化情況Fig.3 Changes of volumetric strain of slurry with the consolidation time under different confining pressures

表3 漿液體應(yīng)變情況Table 3 Ultimate volumetric strain of different slurries

惰性漿b與惰性漿a相比有較大的水膠比，流動度也大于漿液a，可以發(fā)現(xiàn)其體應(yīng)變量也是最大的。因此，為了減小漿液體應(yīng)變，施工中應(yīng)該在保證漿液可泵送的前提下，盡量減小漿液水膠比。

由表3可知惰性漿a與硬性漿c的體應(yīng)變相差很小，而惰性漿b的體應(yīng)變高于其他2種漿液，說明水泥的水化作用在初期體應(yīng)變發(fā)生過程中影響較小，惰性漿注入初期的體應(yīng)變也可達到較小的水平。

3.3 注入初期壁后注漿材料的強度特性

對于注入初期壁后注漿體固結(jié)不排水剪切，3種漿液應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4所示，可以看出，漿液應(yīng)力-應(yīng)變曲線與正常固結(jié)飽和黏土類似，呈現(xiàn)應(yīng)變硬化性，剪切過程并沒有出現(xiàn)峰值，說明注入初期漿液強度發(fā)展較慢，漿液以塑性變形為主；在不排水的條件下，超靜孔隙水壓力的變化為先增加后減小，如圖5所示，這表明壁后注漿體呈現(xiàn)先剪縮，孔壓上升，隨后發(fā)生剪脹，孔壓隨之降低，這與普通黏土的剪切特性不同，剪切后期的剪脹特性與超固結(jié)土類似，壁后注漿體中的膠結(jié)成分產(chǎn)生的膠結(jié)應(yīng)力是產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因。

此外，從表4可以看出，隨著圍壓增大，漿液抗剪強度也增大，硬性漿液強度高于惰性漿的特征在漿液注入初期并不明顯，漿體剪破時形態(tài)如圖6所示，呈現(xiàn)出明顯的塑性變形。

圖4 漿液固結(jié)不排水剪切應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Consolidated drained shear stress-strain curves of slurry

圖5 剪切過程漿液超靜孔隙水壓力變化情況Fig.5 Changes of excess pore water pressure of slurry in the shear process

表4 漿液抗剪強度Table 4 Shear strengths of slurries

圖6 壁后注漿體的破壞形態(tài)Fig.6 Failure pattern of backfill grouting slurry

表5是通過繪制漿液的總應(yīng)力強度包線，得出的漿液黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ。觀察發(fā)現(xiàn)，漿液抗剪強度由黏聚分量和摩擦分量2部分構(gòu)成，其黏聚力c的值代表了從制樣結(jié)束到開始剪切過程中膠結(jié)應(yīng)力的增加值。水膠比較大的漿液(惰性漿b)其內(nèi)摩擦角較小，而黏聚力也較小。

表5 漿液c，φ值Table 5 Values of c and φ of slurry

4 結(jié) 論

(1) 不同圍壓對壁后注漿材料的力學特性影響較大，漿體固結(jié)時圍壓越大，體應(yīng)變越大，孔壓消散速度越快。但最終體應(yīng)變量隨圍壓的增大，其增長幅度逐漸變小。施工中應(yīng)該根據(jù)需要選取注漿壓力，變形要求小的地層可適當提高注漿壓力。

(2) 漿液水膠比較大時，其抗剪強度較小，體應(yīng)變較大，且變形發(fā)生速度快。實際施工中為了保證同步注漿的施工效果，在滿足泵送條件的前提下，應(yīng)該盡量采用水膠比小的漿液。

(3) 注入初期壁后注漿材料的固結(jié)不排水剪切表現(xiàn)出應(yīng)變硬化性，不排水條件下，剪切過程中體積先收縮，隨后呈現(xiàn)出明顯的剪脹特性。其抗剪強度由黏聚分量和摩擦分量組成，黏聚分量隨著膠結(jié)物質(zhì)的不斷水化而增大，初期剪切變形以塑性變形為主。

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(編輯：占學軍)

Experimental Study on the Triaxial Test of the Shield BackfillGrouting Material at Initial Stage

CHEN Xi-kun1, ZHU Wei2, WANG Rui2

(1.JSTI Group，Nanjing 210017，China; 2.College of Civil and Transportation Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China)

Deformation and mechanical properties of backfill grouting material directly affect soil stress release, ground subsidence and late stress situation of segment lining. Based on triaxial test method of non-independent material, we take the rigid slurry and inert slurry as research objects, carrying out consolidated non-drained triaxial shear test. Results show that, 1) high confining pressure contributes to the consolidation and drainage of the slurry, and the ultimate volumetric strain of the slurry increase with confining pressure; 2) in the shearing process on the non-drained condition, slurry shows tendency of strain hardening, and the volume shrinks first, then with obvious shear dilatation. On the premise of deformation and construction requirements, we can suitably increase grouting pressure and use slurry with smaller water-glue ratio to ensure the construction quality of grouting body.

shield; backfill grouting; triaxial test; shear stress; pore pressure dissipation; volume strain

2015-06-12;

2015-08-09

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973)項目(2015CB057803)；國家自然科學基金項目(51408191)；江蘇省疏浚與泥處理利用國家工程技術(shù)研究中心培育點項目(BM2013013)

陳喜坤(1989-)，男，河南商丘人，碩士，主要從事盾構(gòu)隧道科研與設(shè)計工作，(電話)15252489968(電子信箱)chenxikunz@126.com。

10.11988/ckyyb.20150494

2017,34(4):140-143

U452

A

1001-5485(2017)04-0140-04