淤泥質土及其改良土體動力特性試驗研究

郭文琦,王士民,劉川昆,李 策

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室,成都 610031)

淤泥質土因其含水量高、壓縮性高、抗剪強度低等特點給隧道的施工和正常運營帶來極大危害[1],在淤泥質土地層中,盾構施工通常采用輔助加固措施來降低施工風險和減緩運營期隧道的差異沉降。因此研究淤泥質土的動力學參數(shù)及其土體改良對淤泥質土地層中的沉降等問題具有重要意義。

國內(nèi)外學者針對軟土的動力學特性進行了一系列研究。褚峰等[2]通過動三軸試驗研究了不同固結應力狀態(tài)下的飽和淤泥質砂土的動力變形特性及動強度特性,并初步探明了淤泥與砂含量比例對淤泥質砂土動力特性的影響；蔡輝騰等[3]通過對福州地區(qū)淤泥、淤泥質土、粉質黏土等6類典型土的共振柱試驗,探討了不同圍壓以及土體性質對這6類土的動剪切模型和阻尼比的影響；賴夏蕾等[4]通過福州地區(qū)淤泥質土的動三軸試驗，研究了固結圍壓和動應力幅值對淤泥質土動強度的影響,建立了圍壓、振次與土體動強度的經(jīng)驗關系；黃宣維等[5]通過不同配比重塑淤泥質砂土試樣的動三軸試驗,探究砂土顆粒粒徑、顆粒級配和淤泥含量對淤泥質砂土抗液化性能的影響；雷華陽等[6]對天津濱海新區(qū)典型結構性軟土進行了室內(nèi)循環(huán)三軸試驗,研究了在交通荷載長期作用下淤泥質粉質黏土的動應變發(fā)展情況。

當前,國內(nèi)外研究主要集中在單一土體的動力學特性,而鮮少針對摻加加固材料的改良土體動力學特性展開研究。為此,依托佛山地鐵2號線一期工程,通過模擬列車振動對淤泥質土原狀土及改良土體試樣進行動三軸試驗,以期獲得土體在振動作用下的動摩擦角、動黏聚力等參數(shù),并探究摻加超細水泥對土體動剪切模量、阻尼比的影響,為淤泥質土的改良提供參考依據(jù)。

1 工程概況

佛山地鐵2號線一期工程線路全長約32.4 km,其中盾構隧道區(qū)間內(nèi)有20～35 m厚的淤泥質土軟弱土層。根據(jù)沿線建(構)筑物保護分類原則的規(guī)定,需做主動加固處理,通過采用洞內(nèi)注漿加固方式對淤泥質土地層進行加固，以改善開挖面土體性質,同時也能來控制地層位移,有利于盾構隧道開挖面穩(wěn)定和隧道的正常運營。隧道在里程YDK40+940處的斷面如圖1所示。

圖1 隧道YDK40+940處地質斷面示意(單位：m)

2 動三軸試驗

2.1 試驗土樣

在佛山地鐵2號線一期工程區(qū)域內(nèi)進行鉆芯,采集開挖至一定深度處的淤泥質土,并在一部分淤泥質土中添加超細水泥進行土體改良。

超細水泥是一種高性能超微粒水泥基灌漿材料,它由高強型超細水泥膨脹劑、礦渣等多種助劑組成,具漿液流動性好,材料的比表面積可達800 m2/kg以上,平均粒徑5 μm以下,具有較高的穩(wěn)定性與可灌注性[7-9]。本文試驗中所采用的超細水泥最大比表面積1 600 m2/kg以上,平均粒徑小于2 μm,其強度等級為32.5級。

根據(jù)工程施工經(jīng)驗及類似土體改良研究[10-13],本實驗中3組重塑改良土每立方米土樣中分別加入超細水泥200,300 kg和400 kg。土樣的編號如表1所示。

表1 土樣編號及成分

2.2 試驗方案

本試驗采用西安力創(chuàng)計量儀器有限公司的微機控制電液伺服土動三軸試驗機,如圖2所示。

圖2 土動三軸試驗機

圖3為將制備好的土樣包裹橡皮膜后安裝于土動三軸試驗機。利用削土器,進行原狀土樣的制備,試驗的土樣尺寸為φ39.1 mm×80 mm。對于摻加超細水泥的重塑改良土,分3層擊實制樣。

圖3 動三軸試驗試樣安裝

針對淤泥質土原狀土和摻加超細水泥的重塑改良土進行動強度試驗和阻尼比試驗,考慮100,200,300 kPa三種不同圍壓。

動強度試驗需在土樣制備完成后對試樣施加不同圍壓進行2 h的排水固結,固結比為1.0。

試驗中對試樣施加不同圍壓,每種圍壓下施加3個不同動強度(動強度由試驗狀況確定,根據(jù)前面實驗情況隨時改進)。破壞指標以5%應變?yōu)闇省?/p>

阻尼比試驗在不同圍壓作用下進行,每個土樣在相應幅值下振動20次。

3 試驗結果分析

3.1 動應力與破壞振次關系

將試樣在45°面上的剪應力τ=σd/2作為試樣的剪切強度[14]。圖4為不同土樣在不同圍壓條件下的動應力與破壞振動次數(shù)關系。

圖4 土樣動應力與破壞振次關系

由圖4可知,在相同圍壓和相同的破壞振次條件下,超細水泥摻量對土體的動應力影響較大,隨著超細水泥摻量增加,土體抗剪強度不斷增加。分析其原因,摻加的超細水泥填充了土體的顆粒間孔隙,使土體變得密實,且水泥會吸收淤泥質土中的水分而凝固,因此土體的抗剪強度增加。

對于同一土樣,動應力σd隨著圍壓σ3的增大而顯著增大,分析其原因,圍壓增大使土體的顆粒間孔隙被壓實,從而使試驗土體的動應力增大,即土體的抗剪強度增大。

3.2 土體的動強度指標

根據(jù)動強度試驗得到在不同圍壓等級、不同振次條件下土體的動強度σd,在τ-σ平面繪制每一振次下不同圍壓等級的摩爾圓,根據(jù)每一振次下的3個摩爾圓可得到該振次下的直線型包絡線,求解該包絡線的傾斜角和縱軸截距即可得到土體動強度指標動內(nèi)摩擦角φd和動黏聚力cd[15-16]。各振次下的動強度指標如表2所示。

3.3 動剪切模量比與動應變關系

本文采用Hardin-Drnevich雙曲線模型來描述土體試驗的動剪切模量與剪應變的關系[17],在動荷載下土的動剪應力τ與剪應變γ關系滿足

(1)

表2 各振次下的動強度指標

式中，A和B均為試驗參數(shù)。

土的動剪切模量G可定義為

(2)

則式(1)可整理為

(3)

由式(3)可知,當γ→0時,可以得到系數(shù)A等于最大剪切模量的倒數(shù),即A=1/Gmax,因此可得到對應不同應變模量與最大模量的比值和應變的關系

(4)

根據(jù)式(4)求出各土樣在不同剪應變下的動剪切模量比,如圖5所示。式(4)中A/B的取值統(tǒng)計如表3所示。

圖5 各試樣在不同剪應變下的動剪切模量比曲線

由圖5可以看出,在同一圍壓下,隨著剪應變的增加,各土樣動剪切模量比G/Gmax呈非線性減小,在應變較小時動剪切模量減小的趨勢緩慢,當剪應變增加到一定值時,動剪切模量減小的幅度增加。對比圖5(a)～圖5(d),隨著摻加的細水泥量的增加,動剪切模量減小幅度增加時對應的剪應變越大。

表3 式(4)中A/B的取值匯總

淤泥質土原狀土(MS-1)中動剪切模量減小幅度增加時對應的剪應變?yōu)?0-5,MS-3中動剪切模量減小幅度增加時對應的剪應變?yōu)?0-4,在圖5(a)～圖5(d)中可明顯看出超細水泥摻加量對土體動剪切模量的影響。

結合表3分析,同一圍壓下,式(4)中A/B的值增大隨著摻加超細水泥的量增加而增大,即式(4)的值增大,土樣的動剪切模量增大。對于同一土體,式(4)中A/B的值隨著圍壓的增加而增大,即土樣的動剪切模量隨圍壓的增加而增大。

各土樣的動剪切模量G經(jīng)過Gmax歸一化后,不同圍壓下試驗點的離散性很小,但仍能看出不同圍壓對動剪切模量G的影響,在同樣的剪應變水平下,土樣的動剪切模量G隨圍壓的增大而增大。分析其原因,這是因為土樣的孔隙比隨圍壓增大而減小,土樣的相對密度增大,土顆粒接觸點增加,使得應力波在土中的傳播更快,從而增大了土體的動剪切模量G。

3.4 阻尼比與動應變關系

參照已有試驗的數(shù)據(jù)處理[18-20],通過對試驗數(shù)據(jù)進行擬合,得到阻尼比與剪應變之間存在下述關系

(5)

作出各土樣在不同剪應變下的阻尼比,如圖6所示。從圖6可以看出,當剪應變小于10-4時,阻尼比隨著剪應變的增大而增大,當剪應變超過10-4后,阻尼比幾乎不隨剪應變的變化而變化。對比圖6(a)～圖6(d)中不同土體在同一圍壓下的阻尼比,可以看出,隨著土樣所摻加的超細水泥量的增加,土樣的最大阻尼比減小。

以圍壓為100 kPa為例,淤泥質土原狀土(MS-1)中最大阻尼比約為0.21,MS-2中最大阻尼比約為0.16,MS-3中最大阻尼比約為0.125,MS-4中最大阻尼比約為0.08,在圖6(a)～圖6(d)中可明顯看出超細水泥摻加量對土體阻尼比的影響。

不同圍壓條件下的阻尼比隨剪應變的變化均可分為兩個階段,當剪應變較小時,阻尼比λ隨著圍壓σ3的增加而減小,但在剪應變較大的情況下,阻尼比λ隨著圍壓σ3的增加而增大。分析其原因,土樣的剪應變在加載前期較小,土樣本身的累積變形也比較小,此時土樣的阻尼比主要是來自其體積變形引起的能量耗散,圍壓越大,土樣越密實,消耗能量就越小,則圍壓越大,阻尼比越小。隨著加載的進行,土樣的剪應變和土樣累積變形較高,土樣結構逐漸破壞,則圍壓越大,土樣越發(fā)松散,需要消耗的能量越大,因此阻尼比越大。

圖6 各試樣在不同剪應變下的阻尼比曲線

式(5)中系數(shù)C和D的取值匯總如表4所示。

表4 式(5)中系數(shù)C和D的取值

4 結論

通過動三軸試驗,對佛山地鐵2號線一期工程的淤泥質土原狀土及摻加超細水泥改良后土體的動力學特性進行了研究,主要得到以下結論。

(1)相同圍壓條件下：超細水泥摻量對土體的動應力影響較大,隨著超細水泥摻量增加,土體抗剪強度不斷增加；土體動剪切模量隨著摻加超細水泥量的增加而增大；隨著土樣所摻加的超細水泥量的增加,土樣的最大阻尼比減小。

(2)對于同一土樣：土體的動應力隨著圍壓的增大而顯著增大；在同樣的剪應變水平下,土樣的動剪切模量G隨圍壓的增大而增大。不同圍壓條件下對應的阻尼比，隨剪應變的變化均可分為兩個階段,當剪應變較小時,阻尼比隨著圍壓的增加而減小,但在剪應變較大的情況下,阻尼比隨著圍壓的增加而增大。

(3)摻加超細水泥對淤泥質土具有較好的改良效果,摻加超細水泥400 kg后改良土體的動黏聚力為4.4～7.5 kPa,動內(nèi)摩擦角為1.9°～5.16°。