廣州強風化花崗巖殘積土物理力學特性試驗研究

司延強 王 樺 陳振國梁 敏許慧斌

(1.中國煤炭科工集團 北京中煤礦山工程有限公司,北京 100013;2.煤炭科學研究總院 建井研究分院,北京 100013)

隨著近年來人口的增長和汽車保有量的增加,全國各大中城市市區內的路面交通壓力日趨增大,為緩解路面交通壓力,提高城市效率,加緊軌道交通建設是必然趨勢[1]。根據《廣州市城市總體規劃(2017—2035年)》草案,要科學調控人口規模,2035年常住人口規?？刂圃? 000萬人左右,同時按照2 500萬管理服務人口進行基礎設施、公共服務設施配套。根據廣州市統計局公布的數據,2016年末,廣州市常住人口為1 404.35萬人。2017年底,廣州地鐵發布消息稱,廣州地鐵四號線南延段、九號線一期、十三號線一期和十四號線知識城支線等四條新線開通后,地鐵線網線路長度增加81.6 km,達到了390.6 km,穩居全國第三、世界前十。截至2020-12-31,廣州市運營軌道線路16條,運營里程553.2 km。按照2017年3月國家發改委批復的《廣州市城市軌道交通第三期建設規劃(2017—2023 年)》,到2023 年,廣州將形成18 條線路、總長800 km 的軌道交通網絡[2-3]。

廣州地區普遍發育有花崗巖,在以往的地鐵工程建設中,由于花崗巖殘積土的工程特性造成的工程事故較多,給地鐵施工帶來極大的困難,并給周邊環境造成了很大影響。如廣州地鐵2號線越秀公園站圍護結構人工挖孔樁開挖過程中,由于花崗巖殘積土的崩解軟化特性,造成挖孔樁翻漿冒泥,引起周邊房屋沉降開裂,最后不得不改變工法,增加了工期和造價;3號線天河客運站由于花崗巖殘積土的影響,基坑基底軟化造成開挖極其困難,并造成圍護結構連續墻變形、開裂,引發很大的工程風險;3號線北延段燕塘站位于花崗巖殘積土地區,由于基坑開挖引起周邊房屋沉降、開裂,嚴重影響了周邊居民的生活,造成巨額賠償等[4]。

廣州地鐵4號線南延、6號線、6號線二期、13號線東部、14號線及支線、16號線、21號線和22號線等大部分線路穿越花崗巖地層及殘積土分布區域,且沿線地下水豐富,對線路的走向、敷設方式和施工工法的選擇造成極大困難,增加了工程設計、施工的難度和費用。在花崗巖殘積土分布地區修建地鐵成為廣州地鐵工程建設的難題之一[4-6]。

注漿技術是將一種或幾種材料配制成漿液,用壓送設備將其壓入裂隙性含水層或軟弱松散地層中凝固膠結,起堵水或加固作用的技術。該技術主要應用于地下工程和地面工程[7]。近年來,定向鉆孔注漿技術在礦山軟巖和含水層改造中得到了長足的發展,取得了較好的應用效果[8-14],并在土層地鐵隧道預注漿工程中進行了試驗性的研究,取得了初步的效果[15-16]。為了確保廣州地鐵工程施工安全,采用注漿法堵水和加固地層是廣州地鐵施工的必然選擇。由于強風化花崗巖殘積土地層是廣州地鐵工程事故多發的重要影響因素之一,本文通過研究廣州地鐵典型強風化花崗巖殘積土地層土樣的物理力學特性,為廣州地鐵花崗巖殘積土地層重塑和開展地層注漿堵水、加固模擬試驗提供科學依據,從而為廣州地鐵工程設計提供技術支持。

1 工程概況與土樣選取

1.1 廣州地鐵22號線下穿3號線工程概況[17]

廣州市地鐵22號線番祈中間風井—番祈2#盾構井區間(區間長2.513 km),在光明北路與東環路交匯處下穿既有運營地鐵3號線(漢溪長隆站—市橋站)。地鐵22號線隧頂距既有地鐵3號線隧底凈距約5.5 m,地層主要為6Z(全風化混合花崗巖)、7Z(強風化混合花崗巖)和8Z(中風化混合花崗巖),地鐵22號線左線隧頂埋深26.5 m,右線隧頂埋深26.5～26.9 m,既有地鐵3號線隧頂埋深約15.1 m。盾構通過時,先下穿地鐵3號線右線,再下穿左線。

地鐵3號線處于5Z-2(砂質黏土)和6Z(全風化混合花崗巖)地層中,為盾構法隧道,管片外徑6 m,左、右線間距5.4 m;地鐵22號線盾構機刀盤開挖直徑8.84 m,管片外徑8.5 m,左、右線間距7.5 m。

地鐵22 號盾構下穿地鐵3 號線長度為19.2～20.8 m,對應在建地鐵22號線左線(297～309環)、右線(291～303環)。2019 年10 月,當地鐵22號線左線已掘進至273環、刀盤距離3號線邊線約30 m,右線掘進至220環、距離3號線約113 m 時,由于地鐵3號線局部沉降嚴重,被迫停工。

1.2 工程地質與水文地質

為了查清廣州地鐵22號下穿3號線區域的工程地質與水文地質情況,在該區域布置了10個鉆孔進行補充勘查,其中,Z1和Z2孔位于22號線左線的中線兩側,距離3號線右線隧道東墻均為3.0 m;Z3孔位于22號線左線的中線與3號線中線的交點;Z4和Z5孔位于22號線左線的中線兩側,距離3號線左線隧道西墻均為3.0 m。Y1和Y2孔位于22號線右線的中線兩側,距離3號線右線隧道東墻均為3.0 m;Y3孔位于22號線右線的中線與3號線中線的交點;Y4和Y5孔位于22號線右線的中線兩側,距離3號線左線隧道西墻均為3.0 m(見圖1)。

圖1 廣州地鐵22號線下穿3號線平面及補勘鉆孔布置

根據補勘資料,在補勘范圍內地層由上而下依次為1-2(素填土,厚度3.7～5.5 m)、4N-2(粉質黏土,厚度1.0～3.1 m)、4-2B(淤泥質土,厚度0～1.3 m)、5Z-2(砂質黏土,厚度5.9～11.2 m)、6Z(全風化混合花崗巖,厚度4.4～10.9 m)、7Z(強風化混合花崗巖,厚度0.9～5.4 m)和8Z(中風化混合花崗巖,鉆孔均未穿透),局部區域在4-2B和5Z-2地層之間含有3-1(粉細砂,厚度0～3.6 m)和4N-2(粉質黏土,厚度0～1.3 m)夾層。

上述地層除8Z(中風化混合花崗巖)地層為巖石地層外,其余均為軟土地層。其中,8Z地層巖體裂隙發育,巖芯呈短柱狀、碎塊狀,少量長柱狀,巖質稍硬,局部夾微風化巖塊,RQD值為20%～40%?？箟簭姸葹?3.6～42.7 MPa,平均為24.2 MPa。穩定地下水位深度約3 m。

1.3 土樣選取

試驗土樣取自廣州地鐵22號線番祈中間風井—番祈2#盾構井區間左線6Z(全風化混合花崗巖)地層。

2 花崗巖殘積土的物理力學試驗

2.1 顆粒級配試驗

2.1.1 試驗目的

通過篩分法測定土的顆粒級配,判定土的級配情況是否良好,為土的重塑提供依據。

2.1.2 試驗原理

一般土的粒徑小于60 mm 大于0.075 mm,采用篩分法。通過篩分,稱出留在各篩上的土重,算出各篩的篩余率,以及各篩的累積篩余率,描繪出顆粒級配曲線。

2.1.3 儀器設備

(1)圓孔篩:篩孔徑為0.075、0.250、0.500、1.000、2.000、5.000、10.000、20.00、40.00、60.00 mm 的圓孔篩,并附有篩底和篩蓋;

(2)物理天平:量程為2 kg,最小分度值0.01 g;(3)烘箱、淺盤、毛刷和鏟子等。

2.1.4 試驗步驟

(1)試樣用四分法縮分至每份不少于550 g的試樣4份,放在105±50 ℃烘箱中烘至恒重,冷卻至室溫。

(2)準確稱取試樣500 g。將篩子按孔徑由大到小疊合起來,附上篩底,將土樣倒入最上層篩中。

(3)將整套圓孔篩進行手篩,時間不少于10 min。

(4)整套圓孔篩手篩完畢后,逐個在清潔的淺盤中進行手篩,篩至每分鐘通過量小于試樣總量的0.1%為止。通過的砂土粒并入下號篩中,并和下號篩中的試樣一起過篩,按此順序進行,直至各號篩全部篩完為止。

(5)稱取各號篩上的篩余量。試樣在各號篩上的篩余量不得超過200 g,超過時應將該篩余試樣分成兩份,再進行篩分,并以兩次篩余量之和作為該號篩的篩余量。

2.1.5 試驗結果分析

將各篩的篩余量計入相關統計表,并計算出各篩的分計篩余百分率和累計篩余百分率。根據篩分試驗成果,采用對數坐標表示,橫坐標為粒徑,縱坐標為小于(或大于)某粒徑的土重(累計百分比)含量,繪制成顆粒級配曲線(見圖2)。

圖2 土樣的顆粒級配曲線

由試驗計算得,土樣中粒徑≥2 mm 的圓礫(卵石)占土樣重量的38.08%。土樣的不均勻系數Cu和曲率系數Cc分別由式(1)和式(2)表示:

式中:d60、d30和d10分別相當于小于某粒徑土重量為60%、30%和10%對應的粒徑,分別稱為限制粒徑、中值粒徑和有效粒徑[18],mm。

將圖2中4條曲線的d60、d30和d10分別取平均值,分別代入公式(1)和(2)中,得:

這里Cu＞5、Cc＞1,為級配良好土。

2.2 含水量試驗

土的含水量是指土中水的質量與土粒質量之比[18],即:

式中:ω為土的含水量,%;mw為土中水的質量,g;ms為土粒質量,g。

2.2.1 試驗目的

測定土體的天然含水量,為砂卵土地層重塑提供依據。

2.2.2 基本原理

土體中的自由水和弱結合水在105～110 ℃的溫度下全部變成水蒸氣揮發,土體土粒質量不再發生變化,此時的土重為土顆粒質量加上強結合水質量,將揮發掉的水份質量與干土質量之比稱為土體含水率。即土體含水率是指土顆粒在105～110 ℃的溫度下烘干至恒重時所失去的水份質量與烘干土質量的比值,用百分數表示。

2.2.3 儀器設備

(1)恒溫烘箱:恒溫范圍在105～110℃,溫度控制精度高于±2 ℃;(2)天平:量程為200 g,最小分度值0.01 g;(3)其它工具:鋁盒(稱量盒)、開土刀、干燥器、溫度計等。

2.2.4 試驗步驟

(1)用感量0.01 g的天平稱取鋁盒重量,記錄鋁盒編號和重量;

(2)取具有代表性的試樣15～30 g放入鋁盒內,(有機質土、砂類土和整體狀構造凍土為50 g),迅速蓋好盒蓋,稱鋁盒加濕土質量,準確至0.01 g,并記錄鋁盒號和盒加濕土質量;

(3)揭開盒蓋,將試樣和鋁盒一起放入恒溫烘箱,在溫度105～110 ℃下烘至恒重(烘干時間不得少于6 h);

(4)將鋁盒從烘箱中取出,蓋好鋁盒蓋,放入干燥器內冷卻至室溫后,稱鋁盒加干土質量,準確至0.01 g,并記錄鋁盒號和盒加干土質量。

2.2.5 試驗結果

共進行5組試驗,試驗結果如表1所示。由表1可知,土樣的平均含水量為9.02%。

表1 砂土含水量試驗結果

2.3 固結試驗

2.3.1 試驗目的

測定土的壓縮性指標,主要包括土的壓縮系數、壓縮模量等。

2.3.2 試驗原理

固結試驗是將天然狀態下原狀土樣或人工制備的擾動土制備成一定規格的試件,然后置于固結儀中(見圖3),在不同荷載、有側限和軸向排水條件下測定其壓縮變形。

圖3 固結儀

2.3.3 試驗記錄與計算(1)孔隙比孔隙比是孔隙體積與土顆粒體積之比[18],即:

式中:e為土的孔隙比;VV為孔隙體積,cm3;VS為土顆粒體積,cm3;ds為土粒相對密度,g/cm3;ω為土的含水量,%;ρw為水的密度,g/cm3;ρ為土的密度,g/cm3。

(2)土的壓縮系數

土的壓縮系數是土體在側限條件下,孔隙比(e)減小量與有效應力(p)增量的比值,即e-p曲線中某一壓力段的割線斜率,即:

式中:α為土的壓縮系數,MPa-1;p1是地基某深度處土中(豎向)自重應力,是指土中某點的“原始壓力”(p0),MPa;p2是地基某深度處土中(豎向)自重應力與(豎向)附加應力之和,MPa;e1、e2相當于p1、p2作用下壓縮穩定后的孔隙比[18]。

(3)壓縮模量

土的壓縮模量是土體在側限條件下的豎向附加應力與豎向應變的比值[18],即:

式中:ES為土的壓縮模量,MPa。

本次試驗固結試驗共3組,試驗結果如表2所示,砂土的孔隙比-應力關系(e-p)曲線如圖4所示。

表2 砂土固結試驗成果

圖4 e-p 曲線

3 結論

通過系列試驗,研究了廣州典型強風化花崗巖殘積土的物理力學性質,主要結論如下:

(1)卵石(粒徑大于2 mm)含量占殘積土重量的38.08%,土的不均勻系數Cu≈5.76、曲率系數Cc≈1.06,為級配良好土。

(2)砂土(粒徑小于2 mm)含量占殘積土重量的61.92%,土的含水量為9.02%。

(3)在12.5～800 kPa壓力作用下,殘積土的孔隙比為0.124～0.010,壓縮模量為1.21～67.73 MPa。