广州强风化花岗岩残积土物理力学特性试验研究

司延强 王 桦 陈振国梁 敏许慧斌

(1.中国煤炭科工集团 北京中煤矿山工程有限公司,北京 100013;2.煤炭科学研究总院 建井研究分院,北京 100013)

随着近年来人口的增长和汽车保有量的增加,全国各大中城市市区内的路面交通压力日趋增大,为缓解路面交通压力,提高城市效率,加紧轨道交通建设是必然趋势[1]。根据《广州市城市总体规划(2017—2035年)》草案,要科学调控人口规模,2035年常住人口规模控制在2 000万人左右,同时按照2 500万管理服务人口进行基础设施、公共服务设施配套。根据广州市统计局公布的数据,2016年末,广州市常住人口为1 404.35万人。2017年底,广州地铁发布消息称,广州地铁四号线南延段、九号线一期、十三号线一期和十四号线知识城支线等四条新线开通后,地铁线网线路长度增加81.6 km,达到了390.6 km,稳居全国第三、世界前十。截至2020-12-31,广州市运营轨道线路16条,运营里程553.2 km。按照2017年3月国家发改委批复的《广州市城市轨道交通第三期建设规划(2017—2023 年)》,到2023 年,广州将形成18 条线路、总长800 km 的轨道交通网络[2-3]。

广州地区普遍发育有花岗岩,在以往的地铁工程建设中,由于花岗岩残积土的工程特性造成的工程事故较多,给地铁施工带来极大的困难,并给周边环境造成了很大影响。如广州地铁2号线越秀公园站围护结构人工挖孔桩开挖过程中,由于花岗岩残积土的崩解软化特性,造成挖孔桩翻浆冒泥,引起周边房屋沉降开裂,最后不得不改变工法,增加了工期和造价;3号线天河客运站由于花岗岩残积土的影响,基坑基底软化造成开挖极其困难,并造成围护结构连续墙变形、开裂,引发很大的工程风险;3号线北延段燕塘站位于花岗岩残积土地区,由于基坑开挖引起周边房屋沉降、开裂,严重影响了周边居民的生活,造成巨额赔偿等[4]。

广州地铁4号线南延、6号线、6号线二期、13号线东部、14号线及支线、16号线、21号线和22号线等大部分线路穿越花岗岩地层及残积土分布区域,且沿线地下水丰富,对线路的走向、敷设方式和施工工法的选择造成极大困难,增加了工程设计、施工的难度和费用。在花岗岩残积土分布地区修建地铁成为广州地铁工程建设的难题之一[4-6]。

注浆技术是将一种或几种材料配制成浆液,用压送设备将其压入裂隙性含水层或软弱松散地层中凝固胶结,起堵水或加固作用的技术。该技术主要应用于地下工程和地面工程[7]。近年来,定向钻孔注浆技术在矿山软岩和含水层改造中得到了长足的发展,取得了较好的应用效果[8-14],并在土层地铁隧道预注浆工程中进行了试验性的研究,取得了初步的效果[15-16]。为了确保广州地铁工程施工安全,采用注浆法堵水和加固地层是广州地铁施工的必然选择。由于强风化花岗岩残积土地层是广州地铁工程事故多发的重要影响因素之一,本文通过研究广州地铁典型强风化花岗岩残积土地层土样的物理力学特性,为广州地铁花岗岩残积土地层重塑和开展地层注浆堵水、加固模拟试验提供科学依据,从而为广州地铁工程设计提供技术支持。

1.1 广州地铁22号线下穿3号线工程概况[17]

广州市地铁22号线番祈中间风井—番祈2#盾构井区间(区间长2.513 km),在光明北路与东环路交汇处下穿既有运营地铁3号线(汉溪长隆站—市桥站)。地铁22号线隧顶距既有地铁3号线隧底净距约5.5 m,地层主要为6Z(全风化混合花岗岩)、7Z(强风化混合花岗岩)和8Z(中风化混合花岗岩),地铁22号线左线隧顶埋深26.5 m,右线隧顶埋深26.5～26.9 m,既有地铁3号线隧顶埋深约15.1 m。盾构通过时,先下穿地铁3号线右线,再下穿左线。

地铁3号线处于5Z-2(砂质黏土)和6Z(全风化混合花岗岩)地层中,为盾构法隧道,管片外径6 m,左、右线间距5.4 m;地铁22号线盾构机刀盘开挖直径8.84 m,管片外径8.5 m,左、右线间距7.5 m。

地铁22 号盾构下穿地铁3 号线长度为19.2～20.8 m,对应在建地铁22号线左线(297～309环)、右线(291～303环)。2019 年10 月,当地铁22号线左线已掘进至273环、刀盘距离3号线边线约30 m,右线掘进至220环、距离3号线约113 m 时,由于地铁3号线局部沉降严重,被迫停工。

1.2 工程地质与水文地质

为了查清广州地铁22号下穿3号线区域的工程地质与水文地质情况,在该区域布置了10个钻孔进行补充勘查,其中,Z1和Z2孔位于22号线左线的中线两侧,距离3号线右线隧道东墙均为3.0 m;Z3孔位于22号线左线的中线与3号线中线的交点;Z4和Z5孔位于22号线左线的中线两侧,距离3号线左线隧道西墙均为3.0 m。Y1和Y2孔位于22号线右线的中线两侧,距离3号线右线隧道东墙均为3.0 m;Y3孔位于22号线右线的中线与3号线中线的交点;Y4和Y5孔位于22号线右线的中线两侧,距离3号线左线隧道西墙均为3.0 m(见图1)。

图1 广州地铁22号线下穿3号线平面及补勘钻孔布置

根据补勘资料,在补勘范围内地层由上而下依次为1-2(素填土,厚度3.7～5.5 m)、4N-2(粉质黏土,厚度1.0～3.1 m)、4-2B(淤泥质土,厚度0～1.3 m)、5Z-2(砂质黏土,厚度5.9～11.2 m)、6Z(全风化混合花岗岩,厚度4.4～10.9 m)、7Z(强风化混合花岗岩,厚度0.9～5.4 m)和8Z(中风化混合花岗岩,钻孔均未穿透),局部区域在4-2B和5Z-2地层之间含有3-1(粉细砂,厚度0～3.6 m)和4N-2(粉质黏土,厚度0～1.3 m)夹层。

上述地层除8Z(中风化混合花岗岩)地层为岩石地层外,其余均为软土地层。其中,8Z地层岩体裂隙发育,岩芯呈短柱状、碎块状,少量长柱状,岩质稍硬,局部夹微风化岩块,RQD值为20%～40%。抗压强度为13.6～42.7 MPa,平均为24.2 MPa。稳定地下水位深度约3 m。

1.3 土样选取

试验土样取自广州地铁22号线番祈中间风井—番祈2#盾构井区间左线6Z(全风化混合花岗岩)地层。

2.1 颗粒级配试验

2.1.1 试验目的

通过筛分法测定土的颗粒级配,判定土的级配情况是否良好,为土的重塑提供依据。

2.1.2 试验原理

一般土的粒径小于60 mm 大于0.075 mm,采用筛分法。通过筛分,称出留在各筛上的土重,算出各筛的筛余率,以及各筛的累积筛余率,描绘出颗粒级配曲线。

2.1.3 仪器设备

(1)圆孔筛:筛孔径为0.075、0.250、0.500、1.000、2.000、5.000、10.000、20.00、40.00、60.00 mm 的圆孔筛,并附有筛底和筛盖;

(2)物理天平:量程为2 kg,最小分度值0.01 g;(3)烘箱、浅盘、毛刷和铲子等。

2.1.4 试验步骤

(1)试样用四分法缩分至每份不少于550 g的试样4份,放在105±50 ℃烘箱中烘至恒重,冷却至室温。

(2)准确称取试样500 g。将筛子按孔径由大到小叠合起来,附上筛底,将土样倒入最上层筛中。

(3)将整套圆孔筛进行手筛,时间不少于10 min。

(4)整套圆孔筛手筛完毕后,逐个在清洁的浅盘中进行手筛,筛至每分钟通过量小于试样总量的0.1%为止。通过的砂土粒并入下号筛中,并和下号筛中的试样一起过筛,按此顺序进行,直至各号筛全部筛完为止。

(5)称取各号筛上的筛余量。试样在各号筛上的筛余量不得超过200 g,超过时应将该筛余试样分成两份,再进行筛分,并以两次筛余量之和作为该号筛的筛余量。

2.1.5 试验结果分析

将各筛的筛余量计入相关统计表,并计算出各筛的分计筛余百分率和累计筛余百分率。根据筛分试验成果,采用对数坐标表示,横坐标为粒径,纵坐标为小于(或大于)某粒径的土重(累计百分比)含量,绘制成颗粒级配曲线(见图2)。

图2 土样的颗粒级配曲线

由试验计算得,土样中粒径≥2 mm 的圆砾(卵石)占土样重量的38.08%。土样的不均匀系数Cu和曲率系数Cc分别由式(1)和式(2)表示:

式中:d60、d30和d10分别相当于小于某粒径土重量为60%、30%和10%对应的粒径,分别称为限制粒径、中值粒径和有效粒径[18],mm。

将图2中4条曲线的d60、d30和d10分别取平均值,分别代入公式(1)和(2)中,得:

这里Cu＞5、Cc＞1,为级配良好土。

2.2 含水量试验

土的含水量是指土中水的质量与土粒质量之比[18],即:

式中:ω为土的含水量,%;mw为土中水的质量,g;ms为土粒质量,g。

2.2.1 试验目的

测定土体的天然含水量,为砂卵土地层重塑提供依据。

2.2.2 基本原理

土体中的自由水和弱结合水在105～110 ℃的温度下全部变成水蒸气挥发,土体土粒质量不再发生变化,此时的土重为土颗粒质量加上强结合水质量,将挥发掉的水份质量与干土质量之比称为土体含水率。即土体含水率是指土颗粒在105～110 ℃的温度下烘干至恒重时所失去的水份质量与烘干土质量的比值,用百分数表示。

2.2.3 仪器设备

(1)恒温烘箱:恒温范围在105～110℃,温度控制精度高于±2 ℃;(2)天平:量程为200 g,最小分度值0.01 g;(3)其它工具:铝盒(称量盒)、开土刀、干燥器、温度计等。

2.2.4 试验步骤

(1)用感量0.01 g的天平称取铝盒重量,记录铝盒编号和重量;

(2)取具有代表性的试样15～30 g放入铝盒内,(有机质土、砂类土和整体状构造冻土为50 g),迅速盖好盒盖,称铝盒加湿土质量,准确至0.01 g,并记录铝盒号和盒加湿土质量;

(3)揭开盒盖,将试样和铝盒一起放入恒温烘箱,在温度105～110 ℃下烘至恒重(烘干时间不得少于6 h);

(4)将铝盒从烘箱中取出,盖好铝盒盖,放入干燥器内冷却至室温后,称铝盒加干土质量,准确至0.01 g,并记录铝盒号和盒加干土质量。

2.2.5 试验结果

共进行5组试验,试验结果如表1所示。由表1可知,土样的平均含水量为9.02%。

表1 砂土含水量试验结果

2.3 固结试验

2.3.1 试验目的

测定土的压缩性指标,主要包括土的压缩系数、压缩模量等。

2.3.2 试验原理

固结试验是将天然状态下原状土样或人工制备的扰动土制备成一定规格的试件,然后置于固结仪中(见图3),在不同荷载、有侧限和轴向排水条件下测定其压缩变形。

图3 固结仪

2.3.3 试验记录与计算(1)孔隙比孔隙比是孔隙体积与土颗粒体积之比[18],即:

式中:e为土的孔隙比;VV为孔隙体积,cm3;VS为土颗粒体积,cm3;ds为土粒相对密度,g/cm3;ω为土的含水量,%;ρw为水的密度,g/cm3;ρ为土的密度,g/cm3。

(2)土的压缩系数

土的压缩系数是土体在侧限条件下,孔隙比(e)减小量与有效应力(p)增量的比值,即e-p曲线中某一压力段的割线斜率,即:

式中:α为土的压缩系数,MPa-1;p1是地基某深度处土中(竖向)自重应力,是指土中某点的“原始压力”(p0),MPa;p2是地基某深度处土中(竖向)自重应力与(竖向)附加应力之和,MPa;e1、e2相当于p1、p2作用下压缩稳定后的孔隙比[18]。

(3)压缩模量

土的压缩模量是土体在侧限条件下的竖向附加应力与竖向应变的比值[18],即:

式中:ES为土的压缩模量,MPa。

本次试验固结试验共3组,试验结果如表2所示,砂土的孔隙比-应力关系(e-p)曲线如图4所示。

表2 砂土固结试验成果

图4 e-p 曲线

通过系列试验,研究了广州典型强风化花岗岩残积土的物理力学性质,主要结论如下:

(1)卵石(粒径大于2 mm)含量占残积土重量的38.08%,土的不均匀系数Cu≈5.76、曲率系数Cc≈1.06,为级配良好土。

(2)砂土(粒径小于2 mm)含量占残积土重量的61.92%,土的含水量为9.02%。

(3)在12.5～800 kPa压力作用下,残积土的孔隙比为0.124～0.010,压缩模量为1.21～67.73 MPa。

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