干燥粉细砂地层水平旋喷固结体物理力学性能试验分析

侯 刚

(中铁十二局集团 第三工程有限公司，山西 太原 030024)

干燥粉细砂地层水平旋喷固结体物理力学性能试验分析

侯 刚

(中铁十二局集团 第三工程有限公司，山西 太原 030024)

把隧道开挖切断的水平旋喷加固桩运回实验室加工成试件，进行了重度、劈裂抗拉试验、无侧限抗压试验、直剪试验、单轴和三轴抗压试验，经分析得出：干燥粉细砂地层的水平旋喷固结体的重度变异性较大，粉细砂固结体的平均抗拉强度0.87 MPa，平均抗压强度12.76 MPa，抗拉强度是抗压强度的1/15，二者的变异性相近。固结体的平均变形模量为7.18 GPa，变异性较大，但泊松比较稳定。直剪试验得到的黏聚力比三轴试验大17.1%;而直剪试验得到的内摩擦角比三轴试验小18.1%。因三轴试验剪切破坏面非人为固定，更接近固结体的真实情况。随着围压的增大，固结体的三轴强度也增大，且与围压呈线性关系;随着围压的增大，固结体的塑性变形能力增强。

干燥粉细砂 水平旋喷固结体 力学指标 试验分析

1 工程概况

大西客运专线上白隧道位于山西省闻喜县境内，是全线重点控制性隧道工程，全长1 717 m。隧道最大埋深126 m。隧道洞身大面积穿越第四系上更新统和中更新统粉细砂层，厚度不均，且多以透镜体夹层形式出现于上更新统黄土中，下部为中更新统老黄土。干燥粉细砂层在隧道断面的不同部位均能遇到。由于其自稳能力极差，开挖面不能自稳。最初采用多种间距的超前注浆小导管和管棚对开挖面前方地层进行预加固，由于粉细砂层含水率低、孔隙小、砂粒间没有黏聚力，虽然尝试过水泥浆及聚氨酯浆等多种注浆浆液，但注浆加固效果较差，在隧道施工过程中经常出现漏砂、涌砂现象，甚至发生坍塌。施工进度极为缓慢，成为当时全线隧道头号难点工程。

为了控制超前预支护拱棚间漏砂、涌砂现象，采用技术上已经相对成熟的水平旋喷预支护技术对开挖面前方地层进行预加固。通过水平旋喷柱体相互搭接形成拱棚，为隧道开挖提供预支护，并通过向开挖面前方地层打设水平旋喷预加固柱体稳定开挖面，从而保证隧道施工安全［1-2］。为了确定合理的水平旋喷施工技术参数，对干燥粉细砂地层的水平旋喷固结体力学性能进行测试与分析，以保证水平旋喷预支护拱棚能够承受较大的地层压力。

2 试验情况简介

对粉细砂取样进行分析，测得粉细砂地层含水率3.1%，天然重度 17.1 kN/m3。粒径在 0.074～0.25 mm之间的颗粒含量60.4% ～66.2%，不均匀系数3.9，表明该砂层为粒径比较均匀的干燥粉细砂层。

试验采用的旋喷固结体施工参数:旋喷压力30～35 MPa，喷头旋转速度20 r/min，后退速度20 cm/min，水泥浆水灰比1∶1，水泥为P．O42.5普通硅酸盐水泥。

在现场取出固结体运回室内加工成所需试件。水平旋喷固结体的力学性能试验采用圆柱形试件［3-6］，直径 d为5 cm。对于单轴、三轴试件的高径比为2.0～2.5;劈裂抗拉及直剪试件的高径比为 1.0～1.2。由于旋喷浆液中含有大量的水，因而试件的含水状态均为饱和状态。

3 试验结果与分析

3.1 固结体的重度

用游标卡尺测量圆柱形试件直径及高度，共8个试件，确定每个试件的体积V，饱和状态下的重量 G，然后把试件置于烘箱内烘干24 h，测得试件干燥状态下的重量Gd，则可得固结体的饱和重度和干重度。8个试件的平均饱和重度为18.98 kN/m3，变异系数9.5%;平均干重度15.24 kN/m3，变异系数3.84%。

由此可见，固结体的截面结构不是很均匀的，这主要是由高压射流切割砂层并搅拌成桩的工艺决定的。一般情况下是桩体中心处的密度较大，周边处的密度较小，孔隙率较大。

3.2 劈裂抗拉强度

3.3 抗剪强度指标

图1 角度可变抗剪仪

图2 抗剪强度与法向应力的关系

图2的拟合曲线可表示为 τ=0.57σ+3.36，R2=0.99。由此可得，旋喷固结体内摩擦角和黏聚力分别为 φds=arctan0.57=34.8°，cds=3.36 MPa。

3.4 单轴抗压强度、变形模量及泊松比

固结体的单轴抗压强度试验在常规电液伺服三轴仪上进行，可以记录轴向偏应力与应变的全过程和试件的径向位移，因此通过单轴压缩试验可以得到旋喷固结体的单轴抗压强度、变形模量和泊松比。变形模量E50取峰值强度 σa的50%时对应的应力与应变之比。泊松比取峰值强度之前泊松比的平均值。单轴压缩试验有8个试件，测试结果见表1。

表1 固结体压缩试验结果

由表1可知，粉细砂固结体的平均抗压强度为12.76 MPa，劈裂抗拉强度与其单轴抗压强度的比值达到1/15。固结体变形模量较大，平均值达到了7.18 GPa，变异性较大，变异系数达到10.3%。旋喷固结体材料的泊松比比较稳定，其平均值为0.28，变异性较小。

3.5 旋喷固结体的应力—应变特性及三轴强度

3.5.1 三轴受压条件下应力—应变特性

水平旋喷拱棚的受力处于三维应力状态。由于隧道埋深不大，选取拱部为干燥粉细砂地层的区段进行水平旋喷预支护试验。试验段最大埋深约80 m，因而对固结体分别进行了 0，300，600，900 和1 200 kPa 5种围压的三轴试验，每种围压下做3个试件。三轴压缩试验在电液伺服试验机上完成。

三轴试验的主应力差(σ1－σ3)随轴向应变 ε1的变化曲线如图3所示(仅列出三种围压下的曲线)。

由图3可以看出:①各种围压条件下的主应力差—轴向应变曲线在轴向变形较小时(＜0.02%)，曲线呈现下凸，原因是固结体进一步被压密。随后曲线接近直线增长，主应力差—应变曲线接近线弹性，然后试件出现微观裂缝，主应力差—应变曲线开始呈现非线性;随着应力的增加，试件出现宏观裂缝，曲线到达峰值。②随着围压的增大，主应力差—应变曲线的后半段逐渐抬升，说明在围压约束下，试件的塑性变形能力增强。③随着围压的增大，试件达到峰值强度时的应变也在增大。

图3 不同围压下的主应力差—轴向应变曲线

3.5.2 三轴强度

把主应力差—轴向应变曲线的峰值强度称之为固结体的三轴强度σf。固结体的三轴强度σf随着围压的增大而增大，二者的关系曲线如图4所示。进行数据拟合，得到σf=4.16σ3+13.03，R2=0.99。因此，可以认为固结体的三轴强度与围压成线形关系。

图4 三轴强度与围压之间的关系

由直剪试验得到的黏聚力比三轴试验大17.1%;而由直剪试验得到的内摩擦角比三轴试验小18.1%。原因可能是因直剪试验的剪切破坏面是人为固定的，与固结体的真实内摩擦角大小无关，而三轴试验剪切破坏面非人为固定，与固结体的真实内摩擦角相关。因此，由三轴试验得到的固结体黏聚力和内摩擦角更接近真实情况。

4 结论

1)干燥粉细砂地层的水平旋喷固结体的重度变异性较大;粉细砂固结体的平均抗拉强度0.87 MPa，平均抗压强度12.76 MPa，劈裂抗拉强度是抗压强度的1/15，二者的变异性相近。

2)固结体的平均变形模量7.18 GPa，变异性较大，但泊松比比较稳定。直剪试验得到的黏聚力比三轴试验大17.1%;而直剪试验得到的内摩擦角比三轴试验小18.1%。三轴试验剪切破坏面非人为固定，因而更接近固结体的真实情况。

3)随着围压的增大，固结体的三轴强度也增大，且与围压呈线性关系;随着围压的增大，固结体的塑性变形性能增强。

［1］刘勇，孙星亮，朱永全，等．水平旋喷预支护技术在铁路隧道中的应用［J］．岩石力学与工程学报，2002，21(6):905-909．

［2］黄建明．水平旋喷搅拌桩在暗挖隧道超前支护中的应用［J］．铁道建筑，2007，26(3):26-29．

［3］TAHA A M．Properties of cement-based grouts and soilcrete and applications of jet grouting［D］．Akron:The University of Akron，1992．

［4］孙星亮，景诗庭．水平钻孔旋喷注浆加固地层效果研究［J］．岩石力学与工程学报，1998，17(5):589-593．

［5］唐朝松，李峰．旋喷桩在加固铁路隧道Ⅵ级围岩风积砂地层中的应用［J］．铁道建筑，2012(5):54-56．

［6］黄建明．水平旋喷搅拌桩在暗挖隧道超前支护中的应用［J］．铁道建筑，2007(7):26-28．

［7］中华人民共和国铁道部．TB 1011—1998 铁路工程岩石试验规程［S］．北京:中国铁道出版社，1998．

U451+．5

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2014．01．14

1003-1995(2014)01-0046-03

2013-08-02;

2013-10-25

侯刚(1970— )，男，山西平遥人，高级工程师。

(责任审编 葛全红)