南京纬三合段盾构壁后注浆固结不排水剪切试验研究

南京纬三合段盾构壁后注浆固结不排水剪切试验研究

1管片、地表沉降特性的研究近年来，我国隧道业的发展尤其是在城市地铁、滨河公路和海床上的建设中，为提高乘坐水平。针对盾构隧道壁后注浆的研究主要集中在充填性能、早期强度、注入盾尾后的体积变形以及壁后注浆对管片和地表沉降的影响等方面。在浆体的充填性能研究方面,王树清等在浆体的早期强度研究方面,BezuijenA.在浆体的固结变形研究方面,KomiyaK.在壁后注浆对管片和地表沉降的影响研究方面,ThomasKasper等为了控制地表沉降以及防止管片上浮,浆体需要一定的早期强度。因此,有必要对其早期强度和抗剪强度指标进行研究。国内外学者对浆体早期强度的研究一般采用固结仪测试固结过程,以及利用十字板剪切仪进行强度测试,无法将固结和剪切过程统一起来。而三轴试验可以将土体的固结和剪切过程统一起来,从而系统地研究土体的应力-应变关系。本文利用WeiZhu等2试验材料和方法2.1充填颗粒分级配硬性注浆材料主要为水泥、粉煤灰、粉细砂、膨润土、水、添加剂(减水剂)。惰性注浆材料将水泥用石灰石粉代替,选用了和水泥级配相同的石灰石粉,颗粒级配如图1所示。在此针对该工程中使用的惰性浆A和硬性浆B进行试验,两种注浆材料配比如表1所示。其中,水泥为32.5R普通硅酸盐水泥,粉煤灰为Ⅲ级粉煤灰,膨润土为钙基膨润土,砂子为江西赣江细砂,颗粒级配如图2所示,属于细砂。两种浆体材料的常规工程指标如表2所示。2.2切cu试验本文利用非自立性材料的三轴试验对两种壁后注浆材料进行固结不排水剪切(CU)试验,具体的试验方法和仪器的改造见文献[19]。对两种浆体分别设定三种围压水平,分别为50,100和200kPa,三轴剪切仪采用南京自动化设备厂生产的SJ-1A型三轴剪切仪。3试验结果及分析3.1固结过程中孔压的变化惰性浆A和硬性浆B在三种围压下进行固结时的孔压消散曲线如图3所示。其特征主要有:(1)两种浆体在施加不同围压后产生的孔压大小等于施加的围压,固结完成时孔压都趋向于零。(2)两种浆体在三种围压下进行固结时,孔压消散完成时所需要的时间都很短,都小于10min,这与本工程中使用的材料的性质是相关的。(3)两种浆体孔压消散曲线的趋势相似,孔压的变化都经历一个由快到慢的过程。刚开始固结时孔压消散的速率较快,固结的后期孔压减小的速率较慢。3.2固结压力对固结体应变曲线的影响惰性浆A和硬性浆B在三种围压下固结过程中的体应变曲线如图4所示。从图中可知,两种浆体的固结体应变特点为:(1)两种浆体的固结体应变曲线均符合指数函数的分布形式y=c(2)两种浆体在固结的初始阶段体应变速率较快,在固结结束阶段体应变趋于稳定;两种浆体的固结体应变随固结压力的增大而增大。(3)两种浆体的固结体应变不同,整个固结过程中惰性浆A的体应变为6%~9%,硬性浆B的体应变为8%~11%,且在同一固结压力下,惰性浆A的体应变小于硬性浆B的体应变。3.3应力-应变关系曲线图5、图6分别为两种注浆材料在各级围压下轴向应力-应变、超静孔隙水应力-应变关系曲线对比情况。从图中可知:(1)轴向应力-应变关系曲线中,两种浆体的轴向应力均随着应变的增加而增加,两种浆体在剪切过程中应力-应变关系都呈现出应变硬化的特点。在相同围压下两种浆体的轴向应力大致相等。(2)超静孔隙水应力-应变关系曲线中,两种浆孔压随着应变的增加而先增大后减小,在一定应变时出现峰值。其说明惰性浆A和硬性浆B在剪切过程中都呈现出剪缩和剪胀的现象。4固结不排水剪切特性在三轴固结不排水剪切试验中,若轴向应力应变关系中出现最大轴向应力q图7为两种浆体材料的不排水强度S针对两种注浆材料的固结不排水剪切(CU)三轴试验结果,按照摩尔-库仑破坏准则进行整理,可得两种浆体的粘聚力c、内摩擦角φ和有效粘聚力c′、有效内摩擦角φ′,如表3所示。从表中可知,两种浆体各自相应的参数相差不大。由此可见,硬性浆B中较低的水泥含量对两种浆体早期的抗剪强度指标影响不大。5固结过程中孔压本底的影响本文中研究的两种壁后注浆体孔压消散到0时所需要的时间较少,两种浆体在三种围压条件下的消散完成所需要的时间大致相同,大约为9min,远远小于文献[19]中的浆体孔压消散完成所需的时间(惰性浆孔压消散完成所需要的时间为80min)。对上述浆体的各组分进行比较,发现膨润土的吸水膨胀性对浆体的孔压消散有重要的影响。本工程中使用的膨润土的膨胀指数为5ml/2g,属于钙基膨润土;而文献中使用的膨润土的膨胀指数为38ml/2g,属于钠基膨润土。因此,在此工程中使用的膨润土保水能力不强,在固结过程中孔压消散的速度较快。在工程中使用的惰性浆和硬性浆在固结过程中发生的体应变都比较小,且两者相差不大。惰性浆的体应变小于硬性浆的体应变,这是因为惰性浆的密度大于硬性浆的密度(表2)。此外,由于硬性浆中水泥的含量较少,水泥的水化作用过程和水化产物对固结过程中的体应变影响较小。在本工程中使用的惰性浆A和硬性浆B的固结不排水强度S6固结过程中体应变的变化利用改进的三轴试验对南京纬三路过江通道盾构壁后注浆进行固结不排水剪切试验,得到如下结论:(1)本工程中使用的两种浆体属于密度较大的浆体,因此在固结过程中产生的体应变较小,并且惰性浆A的密度略大于硬性浆B的密度,从而导致惰性浆