水泥改良前后土體凍結(jié)溫度及力學(xué)特性試驗(yàn)研究

胡 俊

(海南大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，海南 ?？?570228)

水泥改良前后土體凍結(jié)溫度及力學(xué)特性試驗(yàn)研究

胡 俊

(海南大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，海南 海口 570228)

為了對(duì)南京地鐵10號(hào)線過江隧道盾構(gòu)始發(fā)端頭的加固設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)，本文取始發(fā)端頭兩種典型土質(zhì)進(jìn)行了水泥改良前后土體凍結(jié)溫度及力學(xué)特性的室內(nèi)試驗(yàn)研究。結(jié)果表明：凍結(jié)溫度均隨水泥摻量和養(yǎng)護(hù)齡期的增大而減小，淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土的凍結(jié)溫度低于粉砂、細(xì)砂的凍結(jié)溫度;不同土質(zhì)不同溫度下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和彈性模量均隨著水泥摻量和養(yǎng)護(hù)齡期的增大而線性增大;不同土質(zhì)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和彈性模量均隨著溫度的降低而線性增大。

南京地鐵 凍結(jié)溫度 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度 彈性模量

軟土地區(qū)盾構(gòu)始發(fā)時(shí)應(yīng)對(duì)端頭土體進(jìn)行加固以降低施工風(fēng)險(xiǎn)，需對(duì)端頭土體進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，為盾構(gòu)始發(fā)端頭加固設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)［1-4］。本文結(jié)合南京地鐵10號(hào)線過江隧道東端頭盾構(gòu)始發(fā)工程，以該地層中兩種典型土質(zhì)為研究對(duì)象，針對(duì)水泥改良前后土體凍結(jié)溫度及力學(xué)特性進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)研究。主要比較研究?jī)煞N土質(zhì)在常溫和 －10℃下水泥摻入比、養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)水泥改良前后土體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和彈性模量的影響規(guī)律。

1 工程背景

南京地鐵10號(hào)線全長(zhǎng)41.4 km，共設(shè)20座車站，計(jì)劃于2015年上半年建成通車，是南京首條穿江地鐵線路。過江隧道(單洞雙線隧道)采用大直徑盾構(gòu)施工，起點(diǎn)位于長(zhǎng)江北岸的中間風(fēng)井，向東依次穿越長(zhǎng)江北岸大堤、城南河、潛洲、長(zhǎng)江主航道、梅子洲江防大堤，到達(dá)江心洲站，如圖1所示。

盾構(gòu)始發(fā)井端頭所處地層自上而下依次為:①－2素填土層，②－1a2－3黏土層，②－2b－4淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，②－3d3－4粉砂、細(xì)砂層。端頭隧道的頂板位于②－2b－4淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，底板位于②－3d3－4粉砂、細(xì)砂層，主要穿越②－3d3－4粉砂、細(xì)砂層。始發(fā)井地層分布如圖2所示，盾構(gòu)始發(fā)時(shí)所涉及土層主要物理性質(zhì)見表1。根據(jù)勘察資料［5］，可知東端盾構(gòu)始發(fā)井處于高水壓砂性地層，該地層具有滲透系數(shù)大、地下水壓力高和地層承載能力差等特點(diǎn)。在不良地質(zhì)和高水壓的不利因素影響下，盾構(gòu)始發(fā)作業(yè)有很大風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)對(duì)端頭土體進(jìn)行加固。因此，需要對(duì)端頭土體進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，為盾構(gòu)始發(fā)端頭加固設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

圖1 南京地鐵十號(hào)線過江隧道平面示意

圖2 東端盾構(gòu)始發(fā)井地層分布

2 室內(nèi)試驗(yàn)安排

單因素試驗(yàn)安排如表2至表4所示。凍結(jié)溫度試驗(yàn)采用南京林業(yè)大學(xué)自制熱電偶測(cè)溫法，試驗(yàn)裝置主要由低溫箱、試樣皿和溫度采集系統(tǒng)構(gòu)成。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和彈性模量試驗(yàn)在南京林業(yè)大學(xué)自行研制的WTD-100B型微機(jī)控制電子式凍土壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。

表1 中間風(fēng)井土的物理性質(zhì)指標(biāo)

表2 水泥摻入比、養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)凍結(jié)溫度影響的單因素試驗(yàn)安排

表3 常溫和－10℃下水泥摻入比、養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、彈性模量影響的單因素試驗(yàn)安排

表4 溫度對(duì)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、彈性模量影響的單因素試驗(yàn)安排

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 水泥摻入比與養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)凍結(jié)溫度的影響

圖3給出了水泥摻量與凍結(jié)溫度的關(guān)系曲線?？梢钥闯?，雖然土質(zhì)不同，凍結(jié)溫度均隨著水泥摻量的增大而線性降低。這是因?yàn)殡S著水泥摻量的增大，水泥水解用水量增大，土體中自由水含量減小，水結(jié)冰時(shí)釋放的潛熱減少，故凍結(jié)溫度降低。

圖4給出了養(yǎng)護(hù)齡期與凍結(jié)溫度的關(guān)系曲線?？芍倌噘|(zhì)粉質(zhì)黏土的凍結(jié)溫度始終低于粉砂、細(xì)砂的凍結(jié)溫度，凍結(jié)溫度都隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增大而降低，養(yǎng)護(hù)齡期28 d之前凍結(jié)溫度降低較快，28 d之后下降趨勢(shì)明顯變緩。這是因?yàn)樗嗨夥磻?yīng)在前28 d最為激烈，故在這期間凍結(jié)溫度的變化較為明顯，28 d以后水泥土結(jié)構(gòu)基本穩(wěn)定，含水率也基本穩(wěn)定，故下降趨勢(shì)明顯變緩。

圖3 水泥摻量與凍結(jié)溫度的關(guān)系

圖4 養(yǎng)護(hù)齡期與凍結(jié)溫度的關(guān)系

3.2 常溫和－10℃下水泥摻入比與養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

圖5為水泥摻量與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)系曲線?？梢?，不同土質(zhì)不同溫度下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均隨著水泥摻量的增大而線性增大，粉砂、細(xì)砂的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度上升較快。不同溫度相同水泥摻量下粉砂、細(xì)砂的抗壓強(qiáng)度均大于淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土。原狀土?xí)r，粉砂、細(xì)砂和淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土－10℃的抗壓強(qiáng)度分別是常溫下的292.0倍和65.0倍;當(dāng)水泥摻量20%時(shí)，兩種土－10℃的抗壓強(qiáng)度分別是常溫下的4.6倍和5.3倍，這說明水泥的加入對(duì)凍土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響是十分顯著的。

圖5 水泥摻量與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

圖6為養(yǎng)護(hù)齡期與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)系曲線?？梢姡煌临|(zhì)不同溫度的抗壓強(qiáng)度均隨著齡期的增大而增大，粉砂、細(xì)砂的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度上升較快。不同溫度相同齡期下粉砂、細(xì)砂的抗壓強(qiáng)度均大于淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土。養(yǎng)護(hù)7 d時(shí)，粉砂、細(xì)砂和淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土－10℃的抗壓強(qiáng)度分別是常溫下的7.9倍和16.7倍;養(yǎng)護(hù)90 d時(shí)，兩種土－10℃的抗壓強(qiáng)度分別是常溫下的5.4倍和11.2倍，這說明養(yǎng)護(hù)齡期的改變對(duì)凍土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度有一定的影響。

圖6 養(yǎng)護(hù)齡期與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

3.3 常溫和－10℃下水泥摻入比與養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)彈性模量的影響

圖7為水泥摻量與彈性模量的關(guān)系曲線?？梢姡煌临|(zhì)不同溫度下的彈性模量均隨著水泥摻量的增大而線性增大，粉砂、細(xì)砂的彈性模量上升較快。不同溫度相同水泥摻量下粉砂、細(xì)砂的彈性模量均大于淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土。原狀土?xí)r，粉砂、細(xì)砂和淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土－10℃的彈性模量分別是常溫下的106.2倍和147.1倍，當(dāng)水泥摻量20%時(shí)，兩種土－10℃的彈性模量分別是常溫下的2.5倍和3.7倍，這說明水泥的加入對(duì)凍土彈性模量的影響是非常顯著的。

圖7 水泥摻量與彈性模量的關(guān)系

圖8為養(yǎng)護(hù)齡期與彈性模量的關(guān)系曲線?？梢?，不同土質(zhì)不同溫度的彈性模量均隨著齡期的增大而增大，粉砂、細(xì)砂的彈性模量上升較快。不同溫度相同齡期下粉砂、細(xì)砂的彈性模量均大于淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土。養(yǎng)護(hù)7 d時(shí)，粉砂、細(xì)砂和淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土－10℃的彈性模量分別是常溫下的4.0倍和3.6倍;當(dāng)養(yǎng)護(hù)90 d時(shí)，兩種土－10℃的彈性模量分別是常溫下的2.0倍和3.1倍，這說明養(yǎng)護(hù)齡期的改變對(duì)凍結(jié)水泥土的彈性模量有一定影響。

圖8 養(yǎng)護(hù)齡期與彈性模量的關(guān)系曲線

3.4 溫度對(duì)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和彈性模量的影響

圖9為溫度與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)系曲線。可見，不同土質(zhì)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均隨著溫度的降低而線性增大，相同溫度下粉砂、細(xì)砂的抗壓強(qiáng)度大于淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土。

圖10為溫度與彈性模量的關(guān)系曲線?？芍?，不同土質(zhì)彈性模量均隨著溫度的降低而線性增大，粉砂、細(xì)砂的彈性模量上升較快。相同溫度下粉砂、細(xì)砂的彈性模量大于淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土。

圖9 溫度與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)系曲線

圖10 溫度與彈性模量的關(guān)系曲線

4 結(jié)語(yǔ)

本文以南京地鐵10號(hào)線過江隧道盾構(gòu)始發(fā)工程為例，對(duì)始發(fā)端頭兩種典型土質(zhì)進(jìn)行了水泥改良前后土體凍結(jié)溫度及力學(xué)特性的室內(nèi)試驗(yàn)，主要得出:

1)凍結(jié)溫度均隨水泥摻量和養(yǎng)護(hù)齡期的增大而減小，淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土的凍結(jié)溫度低于粉砂、細(xì)砂。

2)不同土質(zhì)不同溫度下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和彈性模量均隨著水泥摻量的增大而線性增大。原狀土?xí)r，粉砂、細(xì)砂和淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土－10℃的抗壓強(qiáng)度分別是常溫下的292.0倍和65.0倍，彈性模量分別是常溫下的106.2倍和147.1倍。當(dāng)水泥摻量20%時(shí)，兩種土－10℃的抗壓強(qiáng)度分別是常溫下的4.6倍和5.3倍，彈性模量分別是常溫下的2.5倍和3.7倍。

3)不同土質(zhì)不同溫度下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和彈性模量均隨著齡期的增大而增大。當(dāng)養(yǎng)護(hù)7 d時(shí)，粉砂、細(xì)砂和淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土－10℃的抗壓強(qiáng)度分別是常溫下的7.9倍和16.7倍，彈性模量分別是常溫下的4.0倍和3.6倍;當(dāng)養(yǎng)護(hù)90 d時(shí)，兩種土 －10℃的抗壓強(qiáng)度分別是常溫下的5.4倍和11.2倍，彈性模量分別是常溫下的2.0倍和3.1倍。

4)不同土質(zhì)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和彈性模量均隨著溫度的降低而線性增大，相同溫度下粉砂、細(xì)砂的抗壓強(qiáng)度和彈性模量大于淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土。

［1］胡俊，楊平，董朝文，等．蘇州地鐵一號(hào)線盾構(gòu)隧道端頭加固方式現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查研究［J］．鐵道建筑，2010(11):32-35．

［2］楊平，佘才高，董朝文，等．人工凍結(jié)法在南京地鐵張府園車站的應(yīng)用［J］．巖土力學(xué)，2003，24(增刊):388-391．

［3］譚麗華．水泥改良土凍脹融沉特性研究［D］．上海:同濟(jì)大學(xué)，2008．

［4］黃峰．含鹽土層人工凍土帷幕計(jì)算方法研究［D］．上海:同濟(jì)大學(xué)，2008．

［5］江蘇省水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院．南京地鐵十號(hào)線(西延線)DW-XK01-0000-1006標(biāo)江心洲～中間風(fēng)井區(qū)間巖土工程初步勘察報(bào)告［R］．南京:江蘇省水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院，2011．

Experimental study on freezing temperature and mechanical performance of soil before and after cement-improving

HU Jun

(College of Civil Engineering and Architecture，Hainan University，Haikou Hainan 570228，China)

In order to provide a reference for the reinforcement design of shield originating end in crossing-river tunnel of Nanjing Subway Line 10，this paper tested the freezing temperature and mechanical properties of two typical soils in originating end before and after the cement improvement．The experiment results showed that the freezing temperature decreases with the cement content and curing time increasing，the freezing temperature of silty clay is lower than that of sand and fine sand，the unconfined compressive strength and elastic modulus of different soils in different temperature linearly increase with the cement content and curing time increasing，and the unconfined compressive strength and elastic modulus of different soils linearly increase with the temperature decreasing．

Nanjing subway;Freezing temperature;Unconfined compressive strength;Elastic modulus

U456

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2013．04．48

1003-1995(2013)04-0156-04

2012-10-10;

2012-12-10

海南大學(xué)科研啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目(kyqd1241)

胡俊(1983— )，男，四川樂山人，講師，工學(xué)博士。

(責(zé)任審編 葛全紅)