張世榮,侯凱文,潘 鑫,蘇 建,歐孝奪
(1.西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院, 陜西西安710055;2.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院, 廣西南寧530004)
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膨脹巖地區(qū)盾構(gòu)壁后纖維注漿材料試驗(yàn)研究
張世榮1,侯凱文2,潘鑫2,蘇建2,歐孝奪2
(1.西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院, 陜西西安710055;2.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院, 廣西南寧530004)
摘要:為研究膨脹巖地區(qū)纖維注漿材料與膨脹巖相互作用的規(guī)律,以南寧軌道交通一號(hào)線穿越膨脹巖區(qū)域?yàn)橐劳斜尘埃_展纖維壁后注漿材料力學(xué)性能研究,選取3組工程常用配比,分別摻入0.9 kg/m3、1.5 kg/m3、2.0 kg/m3聚丙烯纖維,進(jìn)行抗壓、劈裂抗拉、抗折試驗(yàn)。并自行設(shè)計(jì)模型試驗(yàn)裝置,就摻入1.5 kg/m3纖維時(shí)注漿材料與膨脹巖相互作用開展模型試驗(yàn)及數(shù)值分析。試驗(yàn)結(jié)果表明:①與普通注漿材料相比較,纖維對(duì)注漿材料的強(qiáng)度影響較小,對(duì)其韌性增強(qiáng)作用明顯,摻量1.5 kg/m3時(shí),增韌效果最明顯,相比普通試塊,纖維摻量1.5 kg/m3及以上時(shí)撓度增加均在30%以上;②相對(duì)于普通漿液,相同條件下,纖維漿液使膨脹力衰減32%;③當(dāng)膨脹力增至160 kPa時(shí),纖維漿液使管片最大正彎矩和最大負(fù)彎矩分別減小31.6%和24.2%,可見纖維注漿材料能有效減小膨脹巖膨脹變形對(duì)盾構(gòu)管片的影響。
關(guān)鍵詞:膨脹巖;盾構(gòu)壁后注漿;纖維漿液;數(shù)值模擬
0引言
盾構(gòu)法施工是城市地鐵等各類地下工程建設(shè)中廣泛應(yīng)用的方法[1]。而壁后注漿是盾構(gòu)法施工過程的一個(gè)重要環(huán)節(jié),起到控制地表沉降、增強(qiáng)隧道抗?jié)B性和穩(wěn)定性的作用[2-4]。近幾十年來,國內(nèi)外許多專家學(xué)者針對(duì)特定地層就盾構(gòu)同步注漿這一問題進(jìn)行了深入的研究[5-8],比如成都富水砂卵地層、上海軟土地層、穿黃隧道富水地層等,這些材料都可以達(dá)到良好的施工性能及滿足特定地層的要求。對(duì)于穿越膨脹巖地區(qū)的盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu),將受到特殊巖土膨脹變形的影響,而針對(duì)膨脹巖地區(qū)盾構(gòu)壁后注漿材料的研究鮮見報(bào)道。
南寧軌道交通一號(hào)線全長(zhǎng)29.5 km,其中穿越膨脹巖區(qū)域長(zhǎng)達(dá)6.9 km。該巖層主要為半成巖狀態(tài)的沉積巖,具有強(qiáng)度低、易膨脹軟化、吸水膨脹和失水收縮等典型膨脹巖土特性,對(duì)環(huán)境因素(溫度、濕度等)的變化極為敏感,對(duì)隧道結(jié)構(gòu)危害作用大[9]。本文結(jié)合南寧膨脹巖的工程特性,對(duì)盾構(gòu)管片壁后注漿材料與膨脹巖力學(xué)作用特性開展試驗(yàn)研究。
1膨脹巖地區(qū)盾構(gòu)壁后注漿材料要求
1.1注漿材料一般要求
漿液必須滿足工程使用要求,一般要求如下:①流動(dòng)性好,不產(chǎn)生離析,易于泵送;②壓注后漿液固化收縮率??;③固結(jié)后具有較低滲透系數(shù);④壓注后能迅速獲得適當(dāng)?shù)脑缙趶?qiáng)度。通過搜集各地盾構(gòu)壁后注漿資料得知,上述要求的主要指標(biāo)為流動(dòng)度、凝結(jié)時(shí)間、泌水率、強(qiáng)度。
1.2膨脹力與膨脹變形
膨脹巖吸水產(chǎn)生膨脹變形,當(dāng)巖土體變形受到約束就會(huì)產(chǎn)生膨脹力。廣義膨脹壓力與膨脹變形量有關(guān),相關(guān)研究較為豐富。劉靜德等[10]對(duì)南水北調(diào)線強(qiáng)膨脹巖重塑樣進(jìn)行了控制應(yīng)變的廣義膨脹力試驗(yàn),推導(dǎo)出廣義膨脹力—膨脹應(yīng)變經(jīng)驗(yàn)公式,得出微小變形會(huì)引起廣義膨脹力的大幅減小。謝云等[11]對(duì)南陽重塑膨脹土的三軸膨脹力試驗(yàn)進(jìn)行研究,試驗(yàn)結(jié)果表明,廣義膨脹力與位移呈對(duì)數(shù)關(guān)系,微小的位移可以使膨脹力大大降低。廣西大學(xué)歐孝奪等[12]對(duì)南寧膨脹巖重塑樣微變形與膨脹力的關(guān)系進(jìn)行了研究,微變形為5%時(shí),廣義膨脹力僅為膨脹力的35%。
由此看來,針對(duì)膨脹巖地區(qū)的工程建設(shè),采用柔性材料可以大大減小膨脹力對(duì)結(jié)構(gòu)的不利影響,國內(nèi)膨脹巖隧道的成功建設(shè)經(jīng)驗(yàn)已充分證實(shí)了這點(diǎn)[13]。
1.3膨脹巖地區(qū)盾構(gòu)壁后注漿材料要求
結(jié)合上述分析,膨脹巖地區(qū)的注漿材料要求主要從以下三方面考慮:
①滿足常規(guī)漿液指標(biāo)。漿液施工參數(shù)的研究較多,對(duì)施工最重要的兩個(gè)因素是凝結(jié)時(shí)間和流動(dòng)度,此外還要控制漿液的泌水率。流動(dòng)度滿足泵送要求即可,一般要求初始流動(dòng)度大于24 cm,泌水率一般小于5%,漿液的凝結(jié)時(shí)間比較靈活,根據(jù)地層穩(wěn)定性確定,這種自穩(wěn)性差的地層,凝結(jié)時(shí)間一般控制在6 h,不宜超過8 h。
②強(qiáng)度指標(biāo)。漿液硬化后應(yīng)具有一定的強(qiáng)度,漿液的長(zhǎng)期強(qiáng)度應(yīng)約等于原狀土的強(qiáng)度,通過常年觀測(cè)知道,一般漿液長(zhǎng)期強(qiáng)度達(dá)到1~2 MPa以上效果比較好[14]。根據(jù)一號(hào)線沿線膨脹巖抗壓強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)結(jié)果,單軸抗壓強(qiáng)度在0~2.92 MPa,漿液長(zhǎng)期強(qiáng)度不宜低于2.92 MPa,能和周圍土體共同承受上部荷載。
③韌性要優(yōu)于普通注漿材料??紤]到膨脹力對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的危害,注漿材料應(yīng)具有適應(yīng)或是降低這種危害的性能。注漿層位于膨脹巖與盾構(gòu)管片之間,應(yīng)能起到很好的緩沖效果,具有較好的變形能力,為膨脹力釋放提供空間,同時(shí)具有較好的韌性,發(fā)生較大位移時(shí)不至于破壞。
2盾構(gòu)壁后注漿材料力學(xué)特性研究
影響纖維復(fù)合材料力學(xué)性能的因素主要有基體、纖維、纖維—基體界面特性,本次試驗(yàn)研究基體強(qiáng)度、纖維摻量對(duì)注漿材料抗壓、抗拉及抗折強(qiáng)度的影響,選擇水膠比、纖維摻量為變量因素進(jìn)行試驗(yàn)。
2.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)
纖維種類繁多,其中聚丙烯纖維(合成纖維的一種)因價(jià)格優(yōu)廉、性能好,應(yīng)用最為廣泛。本次試驗(yàn)采用凱樂牌聚丙烯纖維,長(zhǎng)度19 mm,直徑30 μm,其性能指標(biāo)如表1所示。
表1 纖維主要技術(shù)指標(biāo)
單絲或束狀聚丙烯纖維的摻量一般為0.5~1.5 kg/m3。低摻量聚丙烯纖維對(duì)拌合物工作性能影響很小,當(dāng)摻量小于2 kg/m3時(shí),不必對(duì)混凝土或是砂漿各組成材料原有配比做任何調(diào)整[15]。
收集工程資料顯示,工程常用水膠比在0.6~0.8之間,依據(jù)水膠比為0.6、0.7、0.8分別設(shè)為a#、b#、c#組。同時(shí)通過前期室內(nèi)試驗(yàn),得到了三組配比,初始流動(dòng)度大于24 cm,凝結(jié)時(shí)間小于8 h,泌水率小于5%,滿足施工要求。以三組配比為基本配比(以下簡(jiǎn)稱基配),分別摻入0.9、1.5、2 kg/m3的聚丙烯纖維和不摻入纖維進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn),試驗(yàn)項(xiàng)目包括抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度。
圖1 抗壓強(qiáng)度隨纖維摻量變化關(guān)系曲線Fig.1 The changing curve of compressivestrength with fiber content
2.2試驗(yàn)結(jié)果分析
①抗壓試驗(yàn)結(jié)果
由圖1可以看出,試塊的抗壓強(qiáng)度受水膠比影響顯著。相同纖維摻量條件下,抗壓強(qiáng)度隨水膠比的增大而減小。相同水膠比條件下,纖維摻量對(duì)試塊抗壓強(qiáng)度影響較小。纖維摻量為0.9 kg/m3時(shí),各組試塊強(qiáng)度均有不同程度的提高。纖維摻量為1.5 kg/m3時(shí),各組試塊強(qiáng)度略有下降。隨著纖維摻量增加,試塊強(qiáng)度下降幅度越大。
試驗(yàn)過程中還獲得試塊荷載—位移關(guān)系,如圖2所示。由圖2看出,纖維的摻入提高了試塊的韌性,尤其在峰值之后表現(xiàn)明顯,未摻入纖維的三組基配(1#、5#、9#)在峰值后,曲線下降較陡,承載力急劇下降,呈脆性破壞;而其他摻入纖維的試塊在峰值后,曲線下降較緩,具有更好的變形能力。
(a) 水膠比為0.6
(c) 水膠比為0.8
“1#、5#、9#”表示未摻入纖維的三組基配,“2#、6#、10#”表示摻入的纖維量為0.9 kg·m-3的三組基配,“3#、7#、11#”表示摻入的纖維量為1.5 kg·m-3的三組基配,“4#、8#、12#”表示摻入的纖維量為2.0 kg·m-3的三組基配。
圖2各組荷載—位移曲線(抗壓試驗(yàn))
Fig.2The load-displacement curves of each group(compression test)
圖3 劈裂抗拉強(qiáng)度隨纖維摻量變化關(guān)系曲線Fig.3 The changing curve of splittingtensile strength with fiber content
②劈裂抗拉試驗(yàn)結(jié)果
從圖3看出,試塊的劈裂抗拉強(qiáng)度受水膠比影響顯著,水膠比增加0.1,劈裂抗拉強(qiáng)度下降0.2~0.3 MPa。相同水膠比條件下,劈裂抗拉強(qiáng)度隨纖維摻量的增加呈先增大后減小的趨勢(shì);纖維摻量為0.9 kg/m3時(shí),抗拉強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度最大;纖維摻量1.5 kg/m3時(shí),試塊劈裂抗拉強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度小于摻量0.9 kg/m3;摻量2.0 kg/m3時(shí)抗拉強(qiáng)度反而下降。
③抗折試驗(yàn)結(jié)果
抗折試驗(yàn)中采集的荷載—撓度曲線反映材料抵抗斷裂的能力。最大荷載處撓度值如表2所示,抗折試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。
表2 各組最大荷載處撓度值及比較
(a) 水膠比為0.6
(b) 水膠比為0.7
(c) 水膠比為0.8
從表2可以得到,纖維摻量為1.5 kg/m3時(shí),增韌效果最明顯,最大達(dá)到106%。摻量1.5 kg/m3及以上時(shí),除a#組(即水膠比為0.6的組別)外,撓度增加均在30%以上,由于a#組為人工攪拌,纖維摻量大時(shí),不易使其均勻分散,影響其增韌效果,屬試驗(yàn)誤差。纖維摻量2.0 kg/m3時(shí),增韌效果已不明顯。同時(shí)從圖4中也可以看出,纖維的摻入,增加了材料的斷裂伸長(zhǎng)值,使材料的變形能力得到提高,抗折強(qiáng)度也得到了一定增長(zhǎng)。因此,相比基配試塊,纖維的適量摻入有助于增加基體初斷裂時(shí)的撓度,使得試塊有更好的變形能力,同時(shí)水膠比也有較大影響。
綜上所述,纖維摻量1.5 kg/m3時(shí),對(duì)注漿材料的抗壓強(qiáng)度影響很小,對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度有提高,增韌效果最明顯。因此,本次試驗(yàn)纖維摻量1.5 kg/m3為最優(yōu)摻量。水膠比為0.8時(shí)注漿材料長(zhǎng)期抗壓強(qiáng)度達(dá)到5.57 MPa。同時(shí)由于一般漿液長(zhǎng)期強(qiáng)度達(dá)到1~2 MPa以上效果比較好[14],且根據(jù)一號(hào)線沿線膨脹巖抗壓強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)結(jié)果,單軸抗壓強(qiáng)度在0~2.92 MPa之間,因此漿液長(zhǎng)期強(qiáng)度不宜低于2.92 MPa。故選取水膠比0.8時(shí)的配合比及最優(yōu)纖維摻量1.5 kg/m3進(jìn)行模型試驗(yàn)研究。
2.3機(jī)理分析
許多學(xué)者針對(duì)纖維對(duì)材料的強(qiáng)度影響做了大量試驗(yàn),他們認(rèn)為加入纖維后對(duì)材料的斷裂能和韌性有顯著提高[16-17]。纖維摻入注漿材料中,數(shù)以千萬計(jì)的纖維單絲與注漿材料連為一體,減小由收縮等原因產(chǎn)生的原生裂隙的數(shù)量和尺度,提高材料介質(zhì)的連續(xù)性[18],這對(duì)于盾構(gòu)隧道受力是有利的。注漿材料凝固后握裹水泥的聚丙烯纖維絲粘連成為致密的亂向分布的網(wǎng)狀系統(tǒng),在受膨脹力作用時(shí),纖維與其共同受力變形,聚丙烯纖維在裂縫擴(kuò)展中伸長(zhǎng)量非常大,使注漿材料的縱向變形增大,為膨脹變形提供空間,使膨脹力衰減。
3膨脹巖與盾構(gòu)壁后注漿材料模型試驗(yàn)及計(jì)算分析
作用在構(gòu)筑物上膨脹接觸壓力的大小取決于它們之間的變形量。膨脹變形的出現(xiàn),會(huì)引起膨脹力衰減,衰減幅度隨膨脹變形量的增加而增大。通過對(duì)上一節(jié)的試驗(yàn)結(jié)果分析,選出滿足要求配比的注漿材料,自行設(shè)計(jì)裝置開展注漿材料模型試驗(yàn)研究,分析兩種盾構(gòu)注漿材料與膨脹巖相互作用規(guī)律,驗(yàn)證膨脹巖地區(qū)纖維漿液的適應(yīng)性,同時(shí)采用數(shù)值模擬計(jì)算分析兩種材料對(duì)襯砌管片的影響。
3.1模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)試驗(yàn)裝置如圖5所示。裝置由矩形箱體及固定裝置組成,采用5 mm厚鋼板焊制而成。矩形箱體尺寸為長(zhǎng)300 mm,寬100 mm,高600 mm,固定裝置由蓋板和螺栓組成,蓋板尺寸同矩形箱頂面尺寸相同。裝置安裝過程如圖6所示。
圖5試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖
Fig.5Test device
圖6安裝過程
Fig.6The installation process
通過改變土體含水率獲得膨脹力,本次試驗(yàn)采用透水法,即在矩形箱體四個(gè)側(cè)面鉆透水孔,分別在前后側(cè)面高度1/3處、2/3處水平方向間隔50 mm鉆孔,在垂直方向沿中線間隔100 mm鉆孔,在左右側(cè)面垂直方向沿中線間隔100 mm鉆孔。
3.2模型試驗(yàn)過程
一般地,膨脹巖(土)體的干密度和含水量是影響膨脹力大小的主要因素[19]。試驗(yàn)所用膨脹性泥巖土料取自南寧東站,根據(jù)勘察報(bào)告統(tǒng)計(jì)資料,膨脹巖的平均含水率為16.5%,平均密度1.80 g/cm3,試驗(yàn)過程中以此為控制目標(biāo)。
為了更真實(shí)的測(cè)出作用在試塊底面處的膨脹力,在距離試塊頂部50 mm處埋設(shè)土壓力盒,每個(gè)模型沿垂直方向共埋設(shè)3只土壓力盒,土壓力盒之間的垂直間距為200 mm。在試塊與土體接觸的底面中部粘貼電阻應(yīng)變計(jì),監(jiān)測(cè)其應(yīng)變變化。
3.3試驗(yàn)結(jié)果分析
將采集到的數(shù)據(jù)結(jié)果整理如圖7~圖9所示。
(a) 普通注漿材料
(b) 纖維注漿材料
圖7各測(cè)點(diǎn)膨脹力變化
Fig.7Expansive force change variation
圖8底部膨脹接觸壓力對(duì)比圖
Fig.8Comparison chart of expansion
contact pressure at the bottom
圖9試塊底部應(yīng)變對(duì)比圖
Fig.9Strain comparison chart at
the bottom of the test block
由圖7看出,隨著水分不斷滲入膨脹巖體中,各測(cè)點(diǎn)膨脹力逐漸增大;5 d后,隨著泡水時(shí)間的增加,各測(cè)點(diǎn)膨脹力有下降趨勢(shì)。圖8為試塊1與試塊2底部膨脹接觸壓力對(duì)比圖。1 d前,試塊1、2的底部膨脹力基本相同,隨著泡水時(shí)間的延長(zhǎng),試塊1膨脹力的增長(zhǎng)趨勢(shì)逐漸大于試塊2,之后趨于穩(wěn)定,最后試塊2膨脹力較試塊1小23.6 kPa,相對(duì)于試塊1,膨脹力衰減32%。圖9為試塊與膨脹巖接觸底面應(yīng)變變化圖,隨時(shí)間的增加,兩個(gè)試塊應(yīng)變均呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。1 d前,試塊1與試塊2應(yīng)變變化趨勢(shì)基本一致,之后試塊2的應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)趨勢(shì)大于試塊1。
圖10 膨脹接觸壓力—膨脹應(yīng)變關(guān)系圖Fig.10 Diagram of the expansion contactpressure-swelling strain
試驗(yàn)中注漿材料底部與土體緊密接觸,且無相對(duì)位移,土體與注漿材料具有相同的變形。根據(jù)所測(cè)膨脹接觸壓力及應(yīng)變擬合出兩種注漿材料的膨脹接觸壓力—膨脹應(yīng)變模型及膨脹接觸壓力—膨脹應(yīng)變關(guān)系圖,如圖10所示。
普通注漿材料膨脹接觸壓力—膨脹應(yīng)變模型:P1=45.286 ln(με)-125.49,相關(guān)系數(shù)R2=0.888。
纖維注漿材料膨脹接觸壓力~膨脹應(yīng)變模型:P2=33.123 ln(με) - 99.839,相關(guān)系數(shù)R2= 0.980。
由圖10看出,普通注漿材料隨膨脹力增大,變形較小,纖維注漿材料隨膨脹力增大,變形較大。與普通注漿材料相比,纖維注漿材料的變形能力更好,更能適應(yīng)膨脹巖地層。當(dāng)作用大小相同力時(shí)(假設(shè)不考慮膨脹力的衰減),纖維漿液的變形量大于普通漿液,由于膨脹力隨變形增大而衰減的性質(zhì),產(chǎn)生相同變形量時(shí),纖維漿液比普通漿液需要的力小。
3.4膨脹力對(duì)盾構(gòu)管片影響的數(shù)值計(jì)算分析
上述模型試驗(yàn)研究了膨脹巖與注漿材料相互作用的規(guī)律,為了獲得膨脹力經(jīng)注漿材料后對(duì)盾構(gòu)管片的影響,本節(jié)采用大型通用有限元軟件ANSYS開展研究。
3.4.1模型建立
盾構(gòu)隧道外徑6.28 m,內(nèi)徑5.4 m,管片厚度0.3 m,注漿層厚度0.14 m,管片混凝土標(biāo)號(hào)為C50。當(dāng)管片底部90°范圍內(nèi)分布膨脹巖時(shí)對(duì)其內(nèi)力影響是最不利的[20],因此以此為計(jì)算模型。模型概況如圖11所示,模型的建立如圖12所示。各土層及結(jié)構(gòu)模擬參數(shù)如表3所示。
本次土層計(jì)算深度取45 m,水平計(jì)算寬度取60 m,采用Drucker-Prage的本構(gòu)模型,分別按盾構(gòu)管片外為普通材料注漿層與纖維材料注漿層兩種材料進(jìn)行計(jì)算。
圖11巖土層結(jié)構(gòu)模型
Fig.11Model of the rock layer structure
(a) 模型建立(b) 網(wǎng)格劃分
圖12 有限元模型建立
3.4.2計(jì)算結(jié)果與分析
根據(jù)一號(hào)線地質(zhì)資料統(tǒng)計(jì)得到研究區(qū)段膨脹巖的膨脹力變化范圍為0~162.6 kPa,本次數(shù)值計(jì)算以40 kPa為一個(gè)單位,從0到160 kPa依次增加,分別作用在注漿層上。由于不考慮膨脹巖與纖維注漿材料相互作用,故施加在纖維注漿層的膨脹力為衰減后的膨脹力。
對(duì)不同膨脹力作用下普通注漿層管片彎矩、纖維注漿層管片彎矩進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,如表4所示。
表4 管片最大彎矩統(tǒng)計(jì)表
由表4可以看出,管片彎矩隨膨脹力增大而增大。就最大正彎矩而言,在覆土自重作用下,纖維注漿層管片彎矩較普通注漿層管片彎矩增加0.5%,影響很小。隨著膨脹力的增大,纖維注漿層管片彎矩較普通注漿層管片彎矩的減小幅度逐漸增加。當(dāng)膨脹力增至160 kPa時(shí),管片最大正彎矩和最大負(fù)彎矩的減小幅度分別達(dá)到了31.6%和24.2%。由此可見,纖維注漿材料比普通注漿材料更能適應(yīng)膨脹巖地層。
4結(jié)論
通過開展壁后纖維注漿材料性能的室內(nèi)試驗(yàn),獲取一組纖維注漿材料的配比,進(jìn)而開展膨脹巖與注漿材料模型試驗(yàn),并采用數(shù)值模擬分析兩種漿液對(duì)盾構(gòu)管片的影響,主要結(jié)論如下:
①纖維對(duì)注漿材料抗壓強(qiáng)度的提高作用很小,甚至?xí)档推鋸?qiáng)度;相同水膠比條件下,劈裂抗拉強(qiáng)度隨纖維摻量的增加呈先增大后減小的趨勢(shì);纖維對(duì)注漿材料的抗折強(qiáng)度影響甚微,對(duì)其韌性增強(qiáng)作用明顯。表明摻入一定量的纖維對(duì)注漿材料的抗拉和變形能力有提高作用,尤其是提高其韌性,而對(duì)其抗壓強(qiáng)度影響較小。
②在與膨脹巖相互作用過程中,纖維注漿材料較普通注漿材料使膨脹接觸壓力衰減32%。纖維漿液在與膨脹巖相互作用時(shí)較普通漿液具有更好的變形能力。
③管片受到的彎矩減小,對(duì)于最大正彎矩,膨脹力增至160 kPa時(shí),纖維注漿層管片彎矩較普通注漿層管片彎矩減小幅度為31.6%;對(duì)于最大負(fù)彎矩,纖維注漿層管片彎矩較普通注漿層管片彎矩減小幅度為24.2%。由此可見,纖維注漿材料比普通注漿材料更能適應(yīng)膨脹巖地層。
參考文獻(xiàn):
[1]任強(qiáng).北京地鐵盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與控制技術(shù)研究[D]. 北京: 中國地質(zhì)大學(xué), 2010.
[2]鄒翀.盾構(gòu)隧道同步注漿技術(shù)[J]. 巖土工程屆, 2002, 9(5): 44-47.
[3]張士屹.盾構(gòu)法施工同步注漿施工工藝[J]. 西部探礦工程, 2009(4): 164-167.
[4]BEZUIJEN A, TALMON A M, KAALBERG F J.Field measurement of grout pressures during tunneling of the Sophia rail tunnel[J]. Soil and Foundations.2004, 44(1): 39-48.
[5]余浩.盾構(gòu)隧道壁后可硬性漿液配比優(yōu)化試驗(yàn)研究[D]. 北京: 北京交通大學(xué), 2011.
[6]梁小英.富水地層盾構(gòu)隧道同步注漿材料的研究與應(yīng)用[D]. 武漢: 武漢理工大學(xué), 2007.
[7]蘇華.南水北調(diào)中線穿黃隧道工程盾構(gòu)施工壁后注漿漿材研究[D]. 南京: 河海大學(xué)巖土工程研究所, 2004.
[8]TOSHI N, SHINICHIRO I, TOSHIYUKI H. Shield tunnel construction in centrifuge[J]. Journal of Geotechnical and Geoemironmental Engineering, 1999, 125(4): 289-300.
[9]許健.新奧法原理在膨脹土質(zhì)隧道中的應(yīng)用[J]. 廣西大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 1989,13(1):42-45.
[10]劉靜德,李青云,龔壁衛(wèi).南水北調(diào)中線膨脹巖膨脹特性研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2011, 33(5): 826-830.
[11]謝云.重塑膨脹土的三向膨脹力試驗(yàn)研究[J]. 巖土力學(xué), 2007, 28(8): 1636-1642.
[12]歐孝奪,唐迎春.重塑膨脹巖土微變形條件下膨脹力試驗(yàn)研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2013, 32(5): 1067-1072.
[13]王占龍,董新平.烏鞘嶺左線隧道膨脹巖地段施工技術(shù)[J]. 鐵道建筑技術(shù), 2004(S1): 14-15.
[14]徐建平,林文書,許可,等.盾構(gòu)隧道快硬高性能同步注漿材料研究[J]. 隧道建設(shè), 2014, 34(2): 95-100.
[15]張偉.聚丙烯纖維高強(qiáng)混凝土的力學(xué)性能試驗(yàn)研究[D]. 太原: 太原理工大學(xué), 2010.
[16]鄧家才, 孫成棟, 黃博升.碳纖維混凝土的壓縮韌度指數(shù)[J]. 混凝土與水泥制品, 2000(4):37-38.
[17]NERIJUS.A, ALBINAS.G, INGRIDA G.Efficient mix design method and main properties of composite materials [J]. Materials Science, 2005,11(1):1312-1320.
[18]俞家歡.超強(qiáng)韌性纖維混凝土的性能及應(yīng)用[M]. 北京:中國建筑工業(yè)出版社, 2012.
[19]歐孝奪, 唐迎春, 鐘子文,等.重塑膨脹巖微變形條件下膨脹力試驗(yàn)研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2013,32(5): 1067-1072.
[20]郭瑞, 何川, 方勇.膨脹土地層中盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)受力分析與對(duì)策研究[J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù), 2010, 47(6): 17-22.
(責(zé)任編輯唐漢民梁健)
Research on mechanical effect of backfill fiber grouting material on expansive rock
ZHANG Shi-rong1, HOU Kai-wen2, PAN Xin2, SU Jian2, OU Xiao-duo2
(1.College of Civil Engineering, Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an 710055, China;
2.College of Civil Engineering and Architecture, Guangxi University, Nanning 530004, China)
Abstract:In order to study the interaction between fiber grouting material and expansive rock, the swelling rock region of Nanning Rail Transit Line 1 was taken as the research object. Compressive strength, splitting tensile strength and flexural tests were carried out on three samples of backfill fiber grouting material with different polypropylene fiber mixed ratios of 0.9 kg/m3, 1.5 kg/m3and 2.0 kg/m3for mechanical properties research. A model test of the swelling rock and grouting materials was conducted by a self-designed test apparatus, and a numerical analysis was carried out, as well. The experimental results show that polypropylene fiber has little effect on the strength of grouting material while the effect of toughness enhancement is obvious. When the mixed ratio is 1.5 kg/m3, the toughening effect is obvious. The deflection increases 30% more than that of ordinary slurry, when the mixed ratio is 1.5 kg/m3and above. Compared to ordinary slurry, 32% of the expansion force can be reduced by fiber slurry under the same conditions. The maximum positive moment and the minimum negative moment of the segment can be reduced by 31.6% and 24.2%, respectively, when the expansion force comes to 160 kPa. Therefore, fiber grouting materials can effectively reduce the influence of expansion due to rock deformation on shield lining segments.
Key words:expansive rock; back grouting of shield wall; fiber slurry; numerical simulation
中圖分類號(hào):TU45
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
文章編號(hào):1001-7445(2016)01-0187-09
doi:10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.0187
通訊作者:張世榮(1971—),男,山東臨朐人,西安建筑科技大學(xué)高級(jí)工程師;E-mail: 122822169@qq.com。
基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51168004)
收稿日期:2015-04-20;
修訂日期:2015-12-01
引文格式:張世榮,侯凱文,潘鑫,等.膨脹巖地區(qū)盾構(gòu)壁后纖維注漿材料試驗(yàn)研究[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2016,41(1):187-195.