地層滲透性差異對(duì)壁后注漿漿液固結(jié)特性影響研究

王鈺城， 趙小鵬， 周詩(shī)涵， 張亞洲， 閔凡路

（1.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室，南京 210098； 2.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，南京 210098；3.中交隧道工程局有限公司，北京 100102； 4.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海 200000）

近年來(lái)，盾構(gòu)工法在城市地鐵及水下隧道建設(shè)中得到了廣泛使用. 在盾構(gòu)隧道掘進(jìn)過(guò)程中，管片脫離盾尾后會(huì)產(chǎn)生10～20 cm左右的盾尾間隙，一般采用壁后注漿來(lái)填充［1-2］. 若漿液填充不滿或漿液性質(zhì)與地層不匹配，地層可能會(huì)出現(xiàn)較大的變形，影響地面建筑物安全. 壁后注漿漿液注入盾尾間隙后，在盾構(gòu)機(jī)注漿壓力和地層土水壓力共同作用下，漿液中的水分向地層中滲透，同時(shí)孔壓逐漸消散，漿液體積收縮，這一過(guò)程本質(zhì)上屬于漿液固結(jié)過(guò)程［3-4］. 當(dāng)盾構(gòu)隧道穿越滲透性不同的地層時(shí)，在漿液充填均勻的前提下，漿體固結(jié)排水引起的體積收縮量差異是導(dǎo)致地層發(fā)生不均勻變形主要因素之一，明確不同地層條件下漿液體積收縮量變化規(guī)律是工程中極為關(guān)注的問(wèn)題.

在地層與漿液性質(zhì)匹配方面，韓月旺［5］、左佳［6］、王睿［7-8］等對(duì)于不同注漿材料的固結(jié)特性進(jìn)行系統(tǒng)研究，對(duì)比各種地層下漿液固結(jié)排水速率、壓力消散特性和地層變形等參數(shù)，發(fā)現(xiàn)相比于惰性漿，硬性漿固結(jié)完成后的不排水強(qiáng)度和有效黏聚力較大. 杜瑞［9］、張海濤［10］、范昭平［11］等研究了漿液在不同地層下固結(jié)排水規(guī)律的差異，認(rèn)為漿液材料的性質(zhì)對(duì)漿液固結(jié)后強(qiáng)度影響較大，固結(jié)初期材料性質(zhì)差異對(duì)漿液排水固結(jié)影響較大. 針對(duì)漿液最終固結(jié)強(qiáng)度和固結(jié)速度問(wèn)題，Youn［12-13］等通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試了不同成分漿液在盾尾間隙為20 cm條件下的固結(jié)排水過(guò)程，大部分試驗(yàn)漿液都能保持注漿要求的流動(dòng)性，并且所有的漿液在固結(jié)過(guò)程中排水規(guī)律都相似，但不同組分的漿液最終強(qiáng)度不同. 張莎莎、白云［14-15］等推導(dǎo)了盾構(gòu)機(jī)尾部同步注漿時(shí)注入漿液的固結(jié)方程，認(rèn)為周圍土體的滲流阻力對(duì)壁后注漿在黏性土中的固結(jié)速度影響很大，對(duì)砂性土中漿液固結(jié)速度影響不大. 以上研究主要針對(duì)漿液性質(zhì)變化對(duì)固結(jié)過(guò)程的影響，對(duì)于不同滲透系數(shù)條件下地層的孔隙水壓力消散、固結(jié)強(qiáng)度增長(zhǎng)規(guī)律等固結(jié)特征研究尚不夠完善.

本文針對(duì)粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、礫砂等三種不同滲透性地層，針對(duì)不同地層展開(kāi)漿液固結(jié)排水試驗(yàn)，研究地層滲透性差異對(duì)壁后注漿漿液固結(jié)特性影響，進(jìn)而明確不同地層中漿液固結(jié)排水引起的體積收縮量差異、固結(jié)強(qiáng)度差異等參數(shù)，為評(píng)估地層不均勻變形提供參考.

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 壁后注漿漿液配比及性質(zhì)參數(shù)

試驗(yàn)采用的硬性漿漿液配比見(jiàn)表1，本試驗(yàn)中采用的膨潤(rùn)土為南京湯山膨潤(rùn)土有限公司的Ⅰ級(jí)納基膨潤(rùn)土，采用羧甲基纖維素高效減水劑. 根據(jù)規(guī)范測(cè)定漿液具體工程參數(shù)，漿液基本性質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表2，其中漿液的滲透系數(shù)為漿液被水透過(guò)的性能［16］.

表1 試驗(yàn)漿液配比表Tab.1 Test slurry ratio table

表2 漿液的基本性質(zhì)參數(shù)Tab.2 Basic engineering parameters of the slurry

1.2 試驗(yàn)地層與壓力選取

由于實(shí)際工程穿越地層眾多，漿液在盾尾間隙中的排水條件差異較大，其固結(jié)過(guò)程也存在較大差異［17-18］.為明確不同地層漿液固結(jié)過(guò)程差異，選擇粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、礫砂三種滲透性差異較大地層進(jìn)行試驗(yàn).

試驗(yàn)固結(jié)壓力的選取與實(shí)際注漿壓力和地層土水壓力有關(guān)，固結(jié)壓力為注漿壓力和地層土水壓力之差［19-20］. 以華中地區(qū)為例，上部多為粉質(zhì)黏土層，中部多為粉細(xì)砂層，下部多為礫砂層等地層. 由于實(shí)際工程中隧道埋深不斷發(fā)生變化，固結(jié)壓力也隨之不斷調(diào)整. 為了更好模擬實(shí)際情況，選用4組固結(jié)壓力：200、300、400、500 kPa. 在試驗(yàn)室內(nèi)重塑配制得到試驗(yàn)地層，并通過(guò)常水頭試驗(yàn)得到其滲透系數(shù)，盾構(gòu)穿越主要地層性質(zhì)見(jiàn)表3.

表3 盾構(gòu)穿越的主要地層性質(zhì)Tab.3 Shield crossing major stratigraphic properties

1.3 試驗(yàn)方法

1）壁后注漿體固結(jié)試驗(yàn)

圖1為模擬壁后注漿體的固結(jié)試驗(yàn)裝置［9］. 先將空氣壓縮機(jī)提供的氣壓施加到漿液上，采用孔壓采集系統(tǒng)，測(cè)量漿體中孔隙水應(yīng)力隨時(shí)間的變化.

圖1 漿體固結(jié)試驗(yàn)裝置Fig.1 Slurry consolidation test device

在裝置下層中裝入10 cm試驗(yàn)地層，采用分層擊實(shí)的方法保證裝樣的均勻性，如圖2（a）所示，裝900 mL漿液至乳膠膜中，密封乳膠膜，注清水至乳膠膜上部，漿液在壓力下固結(jié)的過(guò)程中，水位緩慢降低，通過(guò)讀取“U”型管凹液面的刻度隨時(shí)間變化來(lái)體現(xiàn)漿體的固結(jié)沉降過(guò)程.

圖2 漿體固結(jié)試驗(yàn)過(guò)程Fig.2 Slurry consolidation test process

“U”型管中液面保持不變之后，將底座閥門旋開(kāi)，清除采集孔壓系統(tǒng)中的原有讀數(shù)，讀出“U”型管凹液面最初讀數(shù)，將固結(jié)壓力依次設(shè)置到200、300、400、500 kPa，隨后對(duì)漿液加壓. 觀察“U”型管液面讀數(shù)，記錄漿體固結(jié)沉降量與時(shí)間的關(guān)系.

漿液固結(jié)完成，如圖2（b）所示，用環(huán)刀取樣，如圖2（c）所示，將無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試樣養(yǎng)護(hù)至設(shè)計(jì)齡期后，使用YYW-2型應(yīng)變控制式無(wú)側(cè)限壓力儀測(cè)試無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，如圖2（d）所示，得到固結(jié)強(qiáng)度.

2）漿體滲透系數(shù)試驗(yàn)

漿體固結(jié)完成后，打開(kāi)試驗(yàn)裝置，使用2個(gè)涂抹凡士林后的環(huán)刀取出試樣并放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)1 d.待養(yǎng)護(hù)完成后，使用TST-55型變水滲透儀，測(cè)試固結(jié)后漿液滲透系數(shù)，進(jìn)行兩次同步試驗(yàn)，取平均值作為固結(jié)后漿液滲透系數(shù). 固結(jié)前的漿液也使用TST-55型變水頭試驗(yàn)儀測(cè)量其滲透系數(shù)（圖3）.

圖3 漿液固結(jié)體滲透試驗(yàn)圖Fig.3 Permeability test diagram of grout consolidation body

2 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

2.1 地層滲透性差異對(duì)孔隙水應(yīng)力消散的影響

注漿材料的固結(jié)和軟黏土類似，是一種由流動(dòng)狀態(tài)變?yōu)楣腆w狀態(tài)的過(guò)程，期間孔隙水應(yīng)力不斷減小，有效應(yīng)力逐漸增大，因此可以用孔隙水應(yīng)力消散的程度來(lái)反映漿液固結(jié)程度. 當(dāng)孔隙水應(yīng)力變化至0時(shí)，視為漿液固結(jié)完成. 通過(guò)固結(jié)裝置上的孔壓計(jì)分別測(cè)得不同滲透性地層及壓力下漿液孔壓消散曲線，各地層及壓力下孔壓消散規(guī)律均類似，固結(jié)前期呈直線快速下降，此后速度逐漸減緩，直至最終消散.

粉質(zhì)黏土層中孔隙水應(yīng)力在1000 s內(nèi)快速下降，前期固結(jié)速度快，后期固結(jié)速度變慢，最終固結(jié)完成時(shí)間為6800 s，如圖4（a）；粉砂、礫砂等滲透性較大地層中，固結(jié)前50 s內(nèi)孔隙水應(yīng)力即快速下降，固結(jié)基本完成，粉砂在0.3 MPa固結(jié)壓力下900 s完成固結(jié)，如圖4（b）. 孔隙水應(yīng)力消散速率與地層滲透系數(shù)相關(guān).

圖4 不同固結(jié)壓力下各地層孔壓消散曲線圖Fig.4 Dissipation curves of each layer under different grouting pressures

粉質(zhì)黏土地層的滲透系數(shù)較小，前期漿體中水分的排出速度受到了地層滲透系數(shù)的限制，因此，前期孔隙水應(yīng)力隨著固結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng)呈線性下降；后期，隨著漿液逐漸固結(jié)，漿體的滲透系數(shù)不斷減小，孔隙水應(yīng)力隨著固結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng)而緩慢下降，直至固結(jié)完成. 在礫砂地層中，在高固結(jié)壓力作用下，固結(jié)前期漿體快速壓縮，同時(shí)在快速排水時(shí)攜帶了大量的細(xì)小顆粒，導(dǎo)致地層交界處的漿體滲透系數(shù)較小，延緩了后期漿體中水分的排出，最終使得0.5 MPa固結(jié)壓力作用下漿體的固結(jié)完成時(shí)間要略長(zhǎng)于0.4 MPa時(shí)的固結(jié)時(shí)間.

滲透系數(shù)對(duì)漿液固結(jié)有至關(guān)重要的影響. 漿體的滲透系數(shù)與地層的滲透系數(shù)存在一種對(duì)應(yīng)關(guān)系，若漿體的滲透系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于地層的滲透系數(shù)（如在粉質(zhì)黏土層中），漿液固結(jié)的主導(dǎo)因素是地層的滲透系數(shù)；隨著地層滲透系數(shù)的不斷增大，地層滲透系數(shù)不斷增大至大于漿液滲透系數(shù)時(shí)（如在粉砂層或礫砂層中），漿液固結(jié)的主導(dǎo)因素不再是地層滲透系數(shù)，而取決于漿液保水性和抗水分散性等漿液本身性質(zhì).

2.2 地層滲透性差異對(duì)漿液固結(jié)變形量的影響

漿液固結(jié)變形量用軸向應(yīng)變表示. 三種漿體的固結(jié)前期軸向應(yīng)變曲線形態(tài)相似，固結(jié)前期軸向應(yīng)變都是線性增加，后期趨于穩(wěn)定后保持不變.

粉質(zhì)黏土等低滲透性地層中，在0.2 MPa固結(jié)壓力作用下，由于地層滲透系數(shù)較小，固結(jié)排水過(guò)程較緩慢，固結(jié)前期漿體的軸向應(yīng)變量呈線性增大趨勢(shì)，隨著固結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng)，漿體的軸向應(yīng)變?cè)隽恐饾u減小，并趨于平緩，如圖5（a）. 在粉砂、礫砂等滲透性較大地層中，土體顆粒相對(duì)較大，在不同固結(jié)壓力作用下，加壓瞬間漿體中的微小顆粒在水流下迅速被帶出，漿液軸向應(yīng)變量在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到最大值，并最終達(dá)到穩(wěn)定，如圖5（b）. 礫砂層中，漿液在0.5 MPa固結(jié)壓力下不斷被進(jìn)一步的壓縮，軸向應(yīng)變量較0.4 MPa下的軸向應(yīng)變也略有增加.

軸向應(yīng)變量與孔壓消散有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，最終的應(yīng)變量與具體地層有關(guān). 低滲透性地層受到地層滲透系數(shù)限制，固結(jié)前期漿體的軸向應(yīng)變量斜率主要取決于地層的滲透系數(shù)；后期，隨著漿體中水分的減少及水泥的水化作用使?jié){體骨架強(qiáng)度不斷增加，漿體的軸向應(yīng)變量也逐漸減小，直至穩(wěn)定；高滲透性地層中主要取決于漿體本身的性質(zhì). 此外，礫砂地層在0.4 MPa和0.5 MPa下軸向應(yīng)變幾無(wú)變化，說(shuō)明在高滲透性地層，固結(jié)壓力對(duì)最終軸向應(yīng)變穩(wěn)定值影響不大.

圖5 不同固結(jié)壓力下各地層軸向變形曲線圖Fig.5 Axial deformation curves of each layer under different grouting pressures

2.3 地層滲透性差異對(duì)固結(jié)強(qiáng)度的影響

為探究漿液在不同地層及固結(jié)壓力下固結(jié)后強(qiáng)度增長(zhǎng)規(guī)律，將固結(jié)完成的試樣放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)依次養(yǎng)護(hù)3、7、28 d，并用無(wú)側(cè)限強(qiáng)度儀分別測(cè)得不同齡期下的無(wú)側(cè)限強(qiáng)度，分別用R3d、R7d和R28d表示，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示.

粉質(zhì)黏土的3 d固結(jié)強(qiáng)度為0.46 MPa，隨著水泥水化作用不斷發(fā)展，漿液固結(jié)體的強(qiáng)度持續(xù)增加，在第28 d時(shí)漿體的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度可達(dá)到穩(wěn)定最大值. 28 d固結(jié)強(qiáng)度粉質(zhì)黏土最小，粉砂次之，礫砂最大（0.5 MPa下的28 d固結(jié)強(qiáng)度為3.8 MPa）. 在0.5 MPa固結(jié)壓力作用下，較高的壓力使得固結(jié)體的壓實(shí)度較0.4 MPa固結(jié)壓力作用下的高，使其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度也略微增大，但對(duì)于高滲透性地層，固結(jié)壓力對(duì)固結(jié)強(qiáng)度影響很小，地層滲透性是最主要影響因素.

圖6 不同固結(jié)壓力下各地層固結(jié)強(qiáng)度圖Fig.6 Consolidation strength curves of different layers under different grouting pressures

為獲得漿液強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律，計(jì)算漿液在不同齡期下強(qiáng)度比值，結(jié)果見(jiàn)表4. 各地層固結(jié)7 d至28 d的強(qiáng)度增長(zhǎng)率均小于固結(jié)前7 d的強(qiáng)度增長(zhǎng)率，說(shuō)明前期固結(jié)速度快，漿體迅速獲得可靠的強(qiáng)度，隨著水化作用的不斷進(jìn)行，漿體強(qiáng)度緩慢增長(zhǎng)并達(dá)到最大強(qiáng)度. 在地層滲透性差異方面，在粉砂、礫砂等滲透性較高地層中，漿液排水速度快，短時(shí)間內(nèi)漿液迅速固結(jié)，漿體強(qiáng)度增長(zhǎng)速率較粉質(zhì)黏土層等低滲透性地層更快.

表4 漿液固結(jié)強(qiáng)度隨時(shí)間增長(zhǎng)表Tab.4 Consolidation strength increases of slurry with time

2.4 地層滲透性差異對(duì)固結(jié)后漿體滲透系數(shù)的影響

為體現(xiàn)不同地層條件下固結(jié)后漿液性質(zhì)變化，測(cè)試固結(jié)后漿液滲透系數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表5. 在礫砂、粉砂等高滲透性地層中，固結(jié)后漿液滲透系數(shù)降低較小，在粉質(zhì)黏土等低滲透性地層中降低較大.

固結(jié)前后漿液的滲透系數(shù)變化的過(guò)程類似于復(fù)合地層的滲透過(guò)程，在滲透性較小地層中，漿液固結(jié)的主導(dǎo)因素是地層的滲透系數(shù)，漿液固結(jié)前后滲透系數(shù)變化較?。辉跐B透性較大地層中，固結(jié)的主導(dǎo)因素變?yōu)闈{液的滲透系數(shù)，漿液性質(zhì)在固結(jié)過(guò)程中更為重要，漿液的滲透行為得以充分發(fā)生，漿液的滲透系數(shù)變化也更大.

表5 固結(jié)前后漿液滲透系數(shù)變化表Tab.5 Change of grout permeability coefficients before and after consolidation

3 總結(jié)

1）漿液固結(jié)過(guò)程中孔隙水應(yīng)力不斷消散，漿體軸向應(yīng)變逐漸增大，固結(jié)強(qiáng)度不斷增大，具體固結(jié)過(guò)程取決于漿液性質(zhì)及地層情況.

2）粉質(zhì)黏土等低滲透性地層中，地層滲透系數(shù)小于漿液滲透系數(shù)，水分入滲困難，孔壓消散緩慢，軸向應(yīng)變速率??；粉細(xì)砂和礫砂等滲透性較大地層中，地層滲透系數(shù)大于漿液滲透系數(shù)，孔壓消散速率和軸向應(yīng)變速率均較大，地層滲透性對(duì)固結(jié)過(guò)程影響較小，不同固結(jié)壓力也對(duì)固結(jié)過(guò)程影響較小.

3）各養(yǎng)護(hù)齡期下，漿液在粉質(zhì)黏土層中固結(jié)后無(wú)側(cè)限強(qiáng)度較小且增長(zhǎng)較慢；在粉細(xì)砂及礫砂地層中，強(qiáng)度較大且增長(zhǎng)快，固結(jié)壓力對(duì)強(qiáng)度影響很小，地層滲透性差異在固結(jié)過(guò)程中起到了決定性作用.

本文探討了幾個(gè)代表性固結(jié)壓力下滲透性差異地層壁后注漿固結(jié)過(guò)程，但缺乏不同類型漿液在滲透性差異地層中固結(jié)特性研究，后續(xù)將開(kāi)展其他不同地層及復(fù)合地層條件下多種漿液固結(jié)排水過(guò)程研究.