基于單元體模型試驗的漿體變形規(guī)律研究

基于單元體模型試驗的漿體變形規(guī)律研究

通過隧道施工技術法廣泛應用于主要城市的地鐵和重要河流隧道的建設。然而,盾構施工對地層的擾動、地層的變形沉降始終是困擾施工技術人員的核心問題。盾構壁后注漿是減小地層損失、控制地層應力釋放和地層變形的重要手段,是盾構施工的必備及關鍵工序。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,逐漸固結硬化,漿體發(fā)生收縮變形,并在管片外圍形成環(huán)形保護層,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等學者在未考慮壁后注漿作用的前提下,利用離心模型試驗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硬化過程中的體積收縮變形。Thomas和Kasper等學者建立的三維數(shù)值模型能夠比較系統(tǒng)地模擬盾構施工過程,并將注漿材料考慮為剛度、滲透系數(shù)隨時間變化的材料,在漿液未完全固結硬化時采用應力邊界來模擬注漿壓力的作用,在漿體完全固結硬化后則采用位移邊界來模擬。在數(shù)值仿真計算中雖然考慮了漿體材料性質在固結硬化過程中的變化,但漿體力學參數(shù)的取值及應力邊界的取值是基于假設的前提,缺乏試驗結果的支撐。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,設計了單元體模型試驗裝置,可以分別考慮不同土質條件,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硬化過程中漿體的變形特性。1調整噴射試驗的配置和方案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)生的盾尾空隙進行注漿填充,漿體排水固結硬化,如圖1所示。管片認為不透水,漿體在土水壓力作用下,發(fā)生固結硬化,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,設計了如圖2和圖3所示的漿體變形試驗裝置。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先設定的壓力后排水,漿體產(chǎn)生壓固縮水,逐漸固結硬化,漿體體積發(fā)生收縮變形。1.2土體壓力和百分表試驗前將土體進行飽和。將排水管充滿水后關閉閥門1,打開閥門2,對密封容器進行加壓,使氣壓等于地下水壓后,關閉閥門2。將土體裝入圓筒底部,根據(jù)所設定的漿體壓力對活塞進行堆載加壓,使土體固結完成后,再將活塞取出。然后把漿體裝入圓筒內,對活塞進行堆載加壓,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裝置,分別在不同漿體壓力、不同土質條件和不同地下水壓條件下,進行漿體體積收縮變形試驗。梁精華對不同配比的壁后注漿材料進行了大量試驗,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中線穿黃隧道的中細砂土(顆粒分析曲線見圖4,)和南京地鐵珠江路站的粉質粘土,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漿體變形試驗的結果分析2.1支護結構下漿體變形規(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,增強了漿體中水泥的水化作用,從而加快漿體的固結硬化進程,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,當時間達到3～4h后,漿體壓力對漿體變形的影響逐漸減小。當土質條件為粘土時,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施工中主動控制地層應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行壁后注漿應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