陳 穩(wěn),蘇 昂,劉松玉,白 坤,吳 爍,李 偉,顏庭成
(1.江蘇省交通工程建設(shè)局,江蘇 南京 210004;2.東南大學(xué) 巖土工程研究所,江蘇 南京 210096;3.中鐵十四局集團(tuán)有限公司,山東 濟(jì)南 250101;4.中鐵十四局集團(tuán)大盾構(gòu)工程有限公司,江蘇 南京 211800;5.江蘇華東地質(zhì)建設(shè)集團(tuán)有限公司,江蘇 南京 210000)
江蘇地區(qū)軟土分為海相軟土、湖相軟土以及長(zhǎng)江三角洲沖積相軟土[1],這些軟土分布廣泛且厚度大,具有孔隙比大、壓縮性高、含水量高、滲透性差、抗剪強(qiáng)度低、變形時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn),使得該地區(qū)地下工程建設(shè)中經(jīng)常面臨各種難題,因此研究江蘇省軟土地區(qū)地下工程建設(shè)時(shí)引起的擾動(dòng)問(wèn)題意義重大。
地下連續(xù)墻最早出現(xiàn)于1950年的意大利米蘭,我國(guó)在1958年首次運(yùn)用。該技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展,已在各類(lèi)地下工程中得到廣泛運(yùn)用。地下連續(xù)墻具有施工設(shè)備要求低、剛度高、防滲性能好等優(yōu)點(diǎn)。然而,地連墻成槽過(guò)程會(huì)引起周邊土體擾動(dòng)。已有文獻(xiàn)[2]表明,地下連續(xù)墻成槽施工在控制參數(shù)不合理的情況下,土體地面沉降占至基坑工后總沉降的30%以上。然而,地連墻成槽過(guò)程的一系列對(duì)周邊土體的影響在現(xiàn)階段的工程設(shè)計(jì)中常被忽略,嚴(yán)重影響工程的質(zhì)量安全。因此成槽施工對(duì)土體擾動(dòng)影響的研究對(duì)施工安全控制具有重要作用。
土體擾動(dòng)是指由于土體應(yīng)力狀態(tài)或固結(jié)狀態(tài)的變化等導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)的破壞和變化[3]。土體發(fā)生擾動(dòng)后,很容易誘發(fā)一系列工程安全和環(huán)境問(wèn)題。當(dāng)前學(xué)者主要通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)法和現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試法評(píng)價(jià)土體擾動(dòng)度。在室內(nèi)試驗(yàn)方面,研究人員選取了不同指標(biāo)評(píng)價(jià)土體擾動(dòng)度,如殘余孔隙水壓力[4]、屈服應(yīng)力[5]、殘余應(yīng)力[6]、剪應(yīng)變[7]、孔隙比變化量[8]、球應(yīng)力和偏應(yīng)力[9]等指標(biāo)。基于原位測(cè)試評(píng)價(jià)土體擾動(dòng)度方面,現(xiàn)有研究選取了十字板剪切強(qiáng)度、錐尖阻力[10]和剪切波速[11]等指標(biāo)評(píng)價(jià)土體的擾動(dòng)度。由于室內(nèi)試驗(yàn)方法不能完全真實(shí)地體現(xiàn)原位土體的應(yīng)力狀態(tài),因而對(duì)工程施工土體擾動(dòng)的評(píng)價(jià)缺乏說(shuō)服力;與之相比,原位測(cè)試方法能夠獲取施工過(guò)程中土體原位參數(shù)的變化,可較為準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)工程施工引起的土體擾動(dòng)。然而,通過(guò)原位測(cè)試方法針對(duì)地連墻成槽擾動(dòng)問(wèn)題的相關(guān)研究鮮見(jiàn)報(bào)道。
瑞雷面波法和高密度電阻率法是目前較為成熟的原位測(cè)試方法。一些學(xué)者對(duì)瑞雷面波法和高密度電阻率法的工程應(yīng)用進(jìn)行了研究。利用瑞雷面波法,歐陽(yáng)鋒等[12]開(kāi)展了注漿加固及強(qiáng)夯地基檢測(cè),李波等[13]開(kāi)展了隧道仰拱厚度檢測(cè),F(xiàn)AN等[14]開(kāi)展了裂縫寬度和深度檢測(cè)。利用高密度電阻率法,MOHAMMED等[15]推導(dǎo)了電阻率與液/塑限、自由膨脹度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系,PERRONE等[16]使用該技術(shù)識(shí)別滑坡幾何特征、潛在不穩(wěn)定區(qū)域,任麗元等[17]檢測(cè)了黃河大堤錐探灌漿效果。從現(xiàn)有研究來(lái)看,利用瑞雷面波法和高密度電阻率法評(píng)價(jià)土體擾動(dòng)度的相關(guān)研究還有待進(jìn)一步開(kāi)展。
基于以上分析,本文針對(duì)地下連續(xù)墻槽段施工對(duì)土體的擾動(dòng)問(wèn)題,以江陰靖江長(zhǎng)江隧道江北段明挖隧道為依托,采用現(xiàn)場(chǎng)瑞雷面波法和高密度電阻率法,對(duì)地下連續(xù)墻成槽施工后土體的剪切模量、電阻率變化規(guī)律以及擾動(dòng)范圍開(kāi)展研究,比較擾動(dòng)區(qū)分布范圍和空間上的變化趨勢(shì),為實(shí)際施工提供參考。
江陰靖江長(zhǎng)江隧道工程主線約11.285 km,分為江北明挖段、盾構(gòu)段、江南明挖段。采用明挖法進(jìn)行施工,明挖段約1 500 m。通過(guò)槽壁加固、地下連續(xù)墻、SMW工法樁、拉森鋼板樁、三軸攪拌樁、MJS旋噴樁地基加固進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工。
江北段地下連續(xù)墻主要分布在工作井四周和后續(xù)段長(zhǎng)條形基坑的兩側(cè)。工作井南北長(zhǎng)度25 m,東西長(zhǎng)度53.6 m,開(kāi)挖深度29.4 m。工作井及后續(xù)段四周由地下連續(xù)墻進(jìn)行圍護(hù),地下連續(xù)墻厚1.2 m,最深60 m。具體圍護(hù)結(jié)構(gòu)分布見(jiàn)圖1。
圖1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)分布示意圖Fig.1 Distribution of the bracing structure
該工程位于典型長(zhǎng)江漫灘地層,上部分布有弱透水粉質(zhì)黏土層,其下為深厚承壓含水層(粉土、粉砂層及中粗砂等),地質(zhì)條件差,地下承壓水位高,且與長(zhǎng)江存在水力聯(lián)系,工作井及后續(xù)明挖段地下連續(xù)墻槽段所處位置的地質(zhì)情況如圖2所示。
圖2 槽段周邊地質(zhì)圖Fig.2 Geological map around the trench section
地下連續(xù)墻兩側(cè)采用導(dǎo)墻及Φ850@600 mm單排三軸攪拌樁槽壁加固,加固深度25 m。導(dǎo)墻翼寬1.2 m,翼厚0.2 m,肋厚0.2 m,總高度約1.5 m,采用C25混凝土。
測(cè)試使用的面波記錄儀為上海巖聯(lián)工程技術(shù)有限公司生產(chǎn)的YL-SWS面波測(cè)試儀。檢波器為上海巖聯(lián)工程技術(shù)有限公司生產(chǎn)的速度型傳感器,測(cè)試深度為20 m。錘擊設(shè)備選用20 kg的重錘。測(cè)試時(shí),在江陰靖江長(zhǎng)江隧道明挖段選取一處槽段,開(kāi)展地下連續(xù)墻成槽前后的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,面波試驗(yàn)測(cè)線布置如圖3所示。每條測(cè)線長(zhǎng)度為12 m,檢波器間距1.0 m,激發(fā)偏移距(即震源與第一個(gè)檢波器的距離)分別為3.0 m、5.0 m、8.0 m。
圖3 面波試驗(yàn)測(cè)線布置示意圖Fig.3 Arrangement of surface wave test measuring lines
測(cè)試過(guò)程為:從測(cè)線起點(diǎn)開(kāi)始,隔1.0 m的間距共布置24個(gè)檢波器,每個(gè)檢波器在豎直方向上與土體緊密接觸。連接檢波器與面波記錄儀,并設(shè)置傳感器通道的增益。測(cè)試傳感器安裝情況,檢查無(wú)誤后,選擇不同的偏移距,布置震源。采樣時(shí),激發(fā)震源,讀取并保存數(shù)據(jù)。
現(xiàn)場(chǎng)高密度電阻率測(cè)試所用設(shè)備為ABEM公司生產(chǎn)的Terrameter LS 2高密度電阻率儀,主要包括銅電極、電極夾、電纜、電法儀、電源5個(gè)部分。將81根電極插進(jìn)土體后,用電極夾、電纜將電極與電法儀相連,接通電源之后即可對(duì)該測(cè)線進(jìn)行測(cè)量。
進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的測(cè)線位置與面波試驗(yàn)相同。成槽前后在槽段對(duì)應(yīng)的橫斷面選擇2條測(cè)線,由于現(xiàn)場(chǎng)條件限制,沿地連墻長(zhǎng)度的斷面未能布置測(cè)線。受明挖段基坑的寬度限制,測(cè)線長(zhǎng)度為40 m,電極間距0.5 m,共布置81個(gè)電極。測(cè)試過(guò)程為:將電極、電纜與電法儀對(duì)應(yīng)連接,連接完畢后打開(kāi)電法儀,測(cè)試電極安裝情況。檢查無(wú)誤后,開(kāi)始正式測(cè)量,每條測(cè)線要在三處電纜連接處進(jìn)行測(cè)試,分別在成槽前后各測(cè)試一次。
瑞雷波的傳播速度與剪切波速有式(1)的近似關(guān)系[18]:
式中:ν為地層的泊松比;VR為瑞雷波波速;Vs為剪切波速。
通過(guò)式(2)[19]將剪切波速轉(zhuǎn)換為剪切模量:
式中:G為剪切模量;Vs為剪切波速;ρ為體積密度。
圖4為成槽前后槽段橫斷面土體剪切模量分布圖。從圖4中可以看出,地下連續(xù)墻所處斷面的整體情況為淺部土體剪切模量較小而深部土體剪切模量較大。靠近地下連續(xù)墻處的土體剪切模量較小,遠(yuǎn)離地下連續(xù)墻處的土體剪切模量較大。施工成槽后,槽段附近土體剪切模量整體變小。
圖4 成槽前后槽段橫斷面土體剪切模量分布圖Fig.4 Shear modulus distribution of cross-sectional soil before and after grooving
對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集后的數(shù)據(jù)采用Res2dinv軟件進(jìn)行處理分析,采用平滑約束的最小二乘法進(jìn)行初步處理,再將視電阻率轉(zhuǎn)化為真電阻率。在反演過(guò)程中,共進(jìn)行5~7次迭代,直至計(jì)算結(jié)果的均方根誤差達(dá)到所設(shè)置的誤差范圍內(nèi)。成槽前后槽壁橫斷面土體電阻率分布如圖5所示。
圖5 成槽前后槽壁橫斷面土體電阻率分布圖Fig.5 Resistivity distribution of cross-sectional soil before and after grooving
從圖5中可以看出,成槽前后土體電阻率分布情況整體未發(fā)生明顯變化,淺層2 m深度范圍內(nèi)的雜填土有些許變化,這可能是由于場(chǎng)地內(nèi)的設(shè)備發(fā)生移動(dòng)或是天氣溫度等變化使淺層土體的密度和含水量發(fā)生變化所致。2~6 m深度范圍內(nèi)的土體整體變化不明顯,說(shuō)明地下連續(xù)墻成槽對(duì)所處斷面深層土體的電阻率影響不大。地下連續(xù)墻附近土體低電阻率區(qū)域的范圍增加,這可能是由于成槽施工時(shí)槽段內(nèi)泥漿豐富,泥漿中的水分有一部分滲透進(jìn)周?chē)耐馏w里,從而使電阻率值降低,低電阻率區(qū)域范圍擴(kuò)大。
(1)剪切模量變化規(guī)律
將地下連續(xù)墻成槽前后不同位置土體剪切模量的變化情況部分繪制于圖6。從圖6中可以看出,距地連墻槽段不同位置處土體的剪切模量在成槽施工后都會(huì)有變小的趨勢(shì),其中靠近地下連續(xù)墻處土體的剪切模量變化更明顯。在同一水平位置處,淺部土體的剪切模量在成槽施工前后變化量更大,10 m深度以下土體的剪切模量變化相對(duì)較小。
圖6 成槽前后不同位置土體剪切模量變化圖Fig.6 Variations of shear modulus of soils at different positions before and after grooving
(2)基于剪切模量的土體擾動(dòng)度
以成槽前后土體的剪切模量作為評(píng)價(jià)指標(biāo),提出地下連續(xù)墻成槽施工擾動(dòng)度SDD的計(jì)算公式:
式中:G0為成槽施工前土體的剪切模量;G?為成槽施工后土體的剪切模量。
依據(jù)MENG等[20]對(duì)擾動(dòng)區(qū)的劃分標(biāo)準(zhǔn),將擾動(dòng)度SDD≥10%的區(qū)域視為明顯擾動(dòng)區(qū),將擾動(dòng)度SDD<10%的區(qū)域視為微小擾動(dòng)區(qū)。
按照式(3)計(jì)算得出基于剪切模量的土體擾動(dòng)度分布,分布情況如圖7所示。有必要說(shuō)明,淺部3 m深度以?xún)?nèi)、距槽壁1.5 m以?xún)?nèi)的數(shù)據(jù)缺乏,這是由于現(xiàn)場(chǎng)成槽施工使得靠近地下連續(xù)墻處的土體被泥漿和清水覆蓋,瑞雷面波試驗(yàn)未能覆蓋這部分區(qū)域。從圖7中可以看出,在成槽施工后,同一位置處土體的擾動(dòng)度沿深度方向整體上具有由大變小的趨勢(shì)。8 m深度以上土體的擾動(dòng)度較大且變化趨勢(shì)較快,8 m深度以下土體擾動(dòng)度較小,基本低于2%。4 m深度以上,同一深度處距地連墻槽壁越近,土體的擾動(dòng)度越大。深度4 m以上且距地連墻槽壁約5.5 m以?xún)?nèi)土體的擾動(dòng)度在10%以上,視為明顯擾動(dòng)區(qū),其余區(qū)域土體擾動(dòng)度小于10%,視為微小擾動(dòng)區(qū)。
圖7 基于剪切模量的土體擾動(dòng)度分布圖Fig.7 Distribution of soil disturbance degree based on shear modulus
通過(guò)Excel將地下連續(xù)墻斷面不同位置的擾動(dòng)度SDD篩選出大于10%的部分,該部分為明顯擾動(dòng)區(qū),再將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Surfer軟件,繪制基于剪切模量的土體擾動(dòng)區(qū)分布圖,如圖8所示。從圖8中可以看出,土體越靠近地連墻槽壁且深度越淺,受擾動(dòng)程度越高。明顯擾動(dòng)區(qū)主要分布在距槽壁5.5 m且深度4 m以?xún)?nèi)范圍。根據(jù)結(jié)果可推斷得出,測(cè)試數(shù)據(jù)缺乏的3 m深度以上且靠近地下連續(xù)墻處土體處于明顯擾動(dòng)區(qū),但深度較大且緊鄰地連墻槽壁處(1.5 m以?xún)?nèi))的擾動(dòng)度是否大于10%還需進(jìn)一步研究。
圖8 基于剪切模量的土體擾動(dòng)區(qū)分布圖Fig.8 Distribution of soil disturbance area based on shear modulus
(1)電阻率變化規(guī)律
將地下連續(xù)墻成槽前后不同位置處土體電阻率的變化情況部分繪制于圖9。從圖9中可以看出,地連墻成槽后,距槽壁10 m以?xún)?nèi)且深度位于2 m以下的土體電阻率總體具有降低的趨勢(shì),而深度2 m以上土體電阻率在成槽前后相差不大。這可能是由于深度2 m內(nèi)存在導(dǎo)墻,導(dǎo)墻對(duì)土體的保護(hù)作用使得2 m深度內(nèi)開(kāi)挖引起的擾動(dòng)較小,而2 m深度以下的土體則在開(kāi)挖后受到的擾動(dòng)較大。
圖9 成槽前后不同位置處土體電阻率變化Fig.9 Variations of soil resistivity at different positions before and after grooving
(2)基于電阻率的土體擾動(dòng)度
對(duì)于飽和土體,電阻率的降低代表土體的孔隙率和含水量提高,因此,土體的壓縮性和強(qiáng)度也會(huì)降低。本文以成槽施工前土體的電阻率 0ρ和成槽施工后土體的電阻率ρ'作為評(píng)價(jià)參數(shù),提出地下連續(xù)墻成槽施工的擾動(dòng)度SDD公式,用于近似估算土體力學(xué)性質(zhì)的擾動(dòng)程度。
根據(jù)式(4)可得出距槽壁一定距離處施工前后基于電阻率的土體擾動(dòng)度分布,如圖10所示。從圖10中可以看出:總體上,成槽后距槽壁一定位置處土體的擾動(dòng)度沿深度方向具有由小變大的趨勢(shì),在4 m深度以?xún)?nèi)土體擾動(dòng)度基本保持在10%以?xún)?nèi)。距地連墻2 m范圍內(nèi)土體的擾動(dòng)度較大,此范圍內(nèi)深度6.7 m處的土體擾動(dòng)度達(dá)到40%左右。這主要是由于深度4~6.7 m范圍內(nèi)的土體電阻率值較低,大小為5 Ω·m左右,因此較小的電阻率值變化就會(huì)引起較大的擾動(dòng)度。
圖10 基于電阻率的土體擾動(dòng)度分布圖Fig.10 Distribution of soil disturbance degree based on resistivity
通過(guò)Excel將不同位置的擾動(dòng)度SDD篩選出大于10%的部分,該部分定義為明顯擾動(dòng)區(qū),再將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Surfer軟件,繪制基于電阻率的土體擾動(dòng)區(qū)分布圖,如圖11所示。從圖11中可以看出,明顯擾動(dòng)區(qū)主要分布在距地連墻4 m范圍以?xún)?nèi)且深度位于4 m以下,其余部分均為微小擾動(dòng)區(qū),表明距槽壁4 m范圍內(nèi)的土體電阻率變化較大,這可能是由于土體卸荷、泥漿的水分遷移和成槽機(jī)對(duì)土體的切削和擠壓造成的。在現(xiàn)場(chǎng)40 m長(zhǎng)測(cè)線、電極間距1 m的實(shí)驗(yàn)情況下,高密度電測(cè)試所得出的電阻率結(jié)果只顯示到地下6.7 m深度處,這是由于現(xiàn)場(chǎng)條件限制,測(cè)線在橫斷面上土體區(qū)域只有40 m長(zhǎng),其余部分為硬化路面,不適用于高密度電測(cè)試,因此所能探測(cè)到的土體比較淺,更深位置處的土體電阻率變化有待進(jìn)一步研究。
圖11 基于電阻率的土體擾動(dòng)區(qū)分布圖Fig.11 Distribution of soil disturbance area based on resistivity
本文針對(duì)地下連續(xù)墻槽段施工對(duì)土體的擾動(dòng)問(wèn)題,以江陰靖江長(zhǎng)江隧道江北段明挖隧道為工程依托,在工作井處地下連續(xù)墻成槽時(shí)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)瑞雷面波法和高密度電阻率法試驗(yàn),對(duì)地下連續(xù)墻成槽施工后土體的剪切模量、電阻率變化規(guī)律以及擾動(dòng)范圍開(kāi)展研究。主要結(jié)果如下:
(1)瑞雷面波法測(cè)試結(jié)果表明,成槽施工后土體剪切模量變小,槽壁附近和淺部土體剪切模量變化量更明顯,10~20 m深度土體剪切模量基本未變化;以擾動(dòng)度10%為界,明顯擾動(dòng)區(qū)主要分布在深度4 m以上且距槽壁5.5 m范圍內(nèi);靠近槽壁土體的擾動(dòng)度更高,最高達(dá)到20%左右。
(2)高密度電阻率法測(cè)試結(jié)果表明,成槽施工后深度2 m以下且距槽壁10 m范圍內(nèi)的土體電阻率明顯變小,而在2 m深度以上基本無(wú)變化;明顯擾動(dòng)區(qū)位于深度4 m以下且距槽壁4 m范圍內(nèi)的區(qū)域;靠近槽壁土體的擾動(dòng)度更高,最高達(dá)到40%左右。