探究隧道超前加固的实验方法

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1试验方案

JC8:桩身长17.20m~24.1m,芯样长6.90m,呈灰色、浅灰色,成分主要由水泥浆及中粗砂组成,芯样呈松散状,主要表现为中粗砂,表面粗糙,断面吻合差,仅见少量水泥浆,夹泥很多,湿。取芯范围内未见桩体。JC9:桩身长17.7m~24.3m,芯样长6.7m,成分主要由水泥浆及中粗砂组成。20.4m~21.9m段芯样呈长柱状,其余芯样状呈碎块状,断面较粗糙,断面吻合一般,未见夹泥,干强度高。标准贯入试验修正击数大于60击/10cm。桩身的渗透系数为4.5×10-5cm/s。试验桩钻芯取样分析试验桩施工完毕28d后,选取特殊位置(咬合处)进行取芯试验,位置所示。芯样描述:JC7:桩身长18.20m~24.00m,芯样长5.80m,成分主要由水泥浆及中粗砂组成。芯桩呈散体状,局部呈短柱状,断面较粗糙,断面吻合一般或较差,未见夹泥,干强度高。标准贯入试验修正击数大于60击/10cm。桩身的渗透系数为1.2×10-4cm/s。JC10:桩身长17.9m~24.40m,芯样长6.50m,呈灰色、浅灰色,成分主要由水泥浆及中粗砂组成,芯样呈松散状,主要表现为中粗砂,表面粗糙,断面吻合差,仅见少量水泥浆,夹泥很多,湿。取芯范围内未见桩体。JC11:桩身长19.2m~24.70m,芯样长5.50m,呈灰色、浅灰色,成分主要由水泥浆及中粗砂组成,芯样呈松散状,主要表现为中粗砂,表面粗糙,断面吻合差,仅见少量水泥浆,夹泥严重,湿。取芯范围内未见桩体。JC12:桩身长18.9m~24.3m,芯样长5.4m,呈灰色、浅灰色,成分主要由水泥浆及中粗砂组成。20.4m~23.5m芯样呈松散状或碎块状,表面粗糙,断面吻合差,未见夹泥;19.5m~20.4m、23.5m~24.3m段主要表现为砂层,芯样呈松散状,表面粗糙,断面吻合差,见少量水泥浆,夹泥很多,湿。JC13:桩身长17.2m~24.10m,芯样长6.90m,呈灰色、浅灰色,成分主要由水泥浆及中粗砂组成。芯样呈松散状,主要表现为中粗砂,表面粗糙,断面吻合差,仅见少量水泥浆,夹泥很多,湿。试验总体效果标贯试验:本次在JC7、JC9孔进行的标贯入试验,击数均大于60击/10cm,符合要求。渗透系数:据JC7和JC9孔所作的注水试验,桩身的渗透系数分别为1.2×10-4cm/s、4.5×10-5cm/s、均大于1×10-6cm/s,不符合要求。

2试验结果分析

根据JC8、JC10、JC11孔所取芯样情况,说明试验选择桩距的排距偏大。从取芯情况来看,本次试验未达到既定的目标,可以得出以下两点结论:从JC7、JC9芯样可以看出,全风化层的加固效果要比砂层的加固效果好。JC7和JC9芯样明显好于JC12和JC13芯样,这说明水泥用量越大,桩体的胶结效果越好。从旋喷桩取芯检测的结果来看,标准贯入均达到要求,渗透系数均未达到要求,说明旋喷桩已经达到加固地层的作用,但堵水效果还不明显,原因如下:被加固砂层的孔隙率较大,且含水饱和,选用2.0MPa~2.5MPa的注浆压力,可能会使水泥浆液渗透扩散范围加大,导致预定加固范围内的水泥浆量减少,与砂层胶结不充分。砂层中的水受潮汐影响具有流动性,水泥浆在未凝固之前很有可能被砂层中的流动水带走,造成桩体水泥浆含量减少。采用单序连续孔施工,在引孔和旋喷时均发现已经注浆的相邻孔有水泥浆液返出,这有可能是高压水置换相邻孔的水泥浆液,造成相邻孔桩体的水泥浆量减少。由于试验桩本身数量有限,没有形成群桩效应,防水效果自然不够理想,故桩体的渗透系数偏大,不符合要求。如果大面积展开施工,预计渗透系数有所减少,防水效果有所改善。旋喷机的高压出水口与喷浆口间距为45cm(高压出水口在上),按照提升速度5cm/min计算,喷浆至高压水切割位置需9min。由于砂层的自稳性差,在喷浆开始时可能该段已经坍孔,造成旋喷半径减小和胶结效果不好。试验改进将三重管改为二重管。将原机械的高压水喷口堵塞,原水泥浆喷口不变,将高压风出口改为水玻璃出口,使水泥浆喷出压力达到20MPa,水玻璃喷出压力达到1MPa~2MPa。为改善浆液性能,将单液浆改为双液浆。在浆液中按水泥浆体积比1∶0.2加入水玻璃,为促使其早强,提高抗渗性能,外掺2%~4%氯化钙;试验室理论凝结时间为500s。采用双液浆旋喷,经现场观察返出浆液可以在2min内凝结。对比试验分析试验参数采用双液浆旋喷,经现场观察返出浆液可以在2min内凝结。注水试验得出各桩渗透系数分别为:K1=5.4×10-4cm/s、K2=1.6×10-5cm/s、K3=4.3×10-5cm/s、K4=2.0×10-6cm/s,改进后经过现场试验,满足设计要求。

3结论

超前注浆加固工艺、固化材料存在地质适应性。在粉质黏性土和全风化花岗岩地层中,由于渗透系数小(为10-5cm/s数量级以下),采用高压旋喷、水泥浆液施工效果好。对于粗砂和砾砂地层,由于地层渗透系数较大,为10-3cm/s数量级以上,在这种地层中成桩质量受动水影响明显,应将三重管工艺改为二重管旋喷工艺、将固化材料水泥浆液改为水泥水玻璃双液浆,可以在粗砂和砾砂地层取得良好的效果。

作者：张照华单位：集美大学