陸凱君，石錦江，方治綱，錢勇進(jìn)，王 璐

（1.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098；2.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，南京 210098；3.濟(jì)南軌道交通集團(tuán)有限公司，濟(jì)南 250101；4.中鐵三局集團(tuán)第五工程有限公司，山西晉中 030600）

隨著我國(guó)地下空間開發(fā)不斷進(jìn)行，越來越多的城市地鐵隧道、穿江跨海隧道采用盾構(gòu)技術(shù)進(jìn)行施工［1］.盾構(gòu)隧道建設(shè)的主要特點(diǎn)是在地下施工時(shí)最大限度地降低地面的沉降變形，而壁后注漿是對(duì)圍巖變形及地表的沉降控制最重要的手段.常用的壁后注漿體主要分為單液漿和雙液漿，其中單液漿在國(guó)內(nèi)盾構(gòu)隧道建設(shè)中使用最為廣泛［2］，雙液漿在巷道及隧道二次補(bǔ)漿過程中應(yīng)用較多［3-4］.國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同盾構(gòu)隧道壁后注漿材料適應(yīng)性進(jìn)行研究，鄒翀［5］對(duì)不同地層條件、地下水情況下注漿材料的工程性質(zhì)進(jìn)行研究，認(rèn)為漿液配比應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整；朱東元等［6］研究漿液配比對(duì)滲透性影響，發(fā)現(xiàn)漿液中細(xì)顆粒含量是影響滲透性大小關(guān)鍵因素.

在壁后注漿材料力學(xué)性質(zhì)方面，一些學(xué)者開展了相關(guān)研究.Bezuijen等［7］利用自制固結(jié)試驗(yàn)裝置研究壁后注漿的固結(jié)排水過程，發(fā)現(xiàn)固結(jié)顯著地提高漿液的強(qiáng)度；韓月旺等［8］利用自制固結(jié)儀對(duì)壁后注漿體孔壓消散特性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)漿液性質(zhì)及地層條件對(duì)漿液消散速率有很大的影響；王睿等［9］基于南京緯三路過江通道工程，對(duì)新拌的漿液進(jìn)行固結(jié)不排水剪試驗(yàn)，研究漿液早期固結(jié)及強(qiáng)度特性，發(fā)現(xiàn)水泥含量顯著影響漿液的早期強(qiáng)度.

在改性漿液及土體后力學(xué)特性變化方面，劉鑫等［10］在淤泥質(zhì)土中摻入水泥砂漿固化后開展三軸試驗(yàn)，確定了水泥砂漿固化淤泥質(zhì)土的最優(yōu)摻砂量；王海龍等［11］在寒區(qū)開展了水泥砂漿固化土的三軸試驗(yàn)，分析摻砂量對(duì)固化土抗剪強(qiáng)度的影響；范惜輝等［12］采用早強(qiáng)水泥對(duì)淤泥固化后強(qiáng)度特性進(jìn)行研究，分析了早強(qiáng)水泥固化淤泥的強(qiáng)度變化規(guī)律；徐超［13］針對(duì)單液硬性漿凝結(jié)時(shí)間長(zhǎng)的問題，提出添加少量水玻璃促進(jìn)漿液膠結(jié)作用，開展改性漿液的流動(dòng)性及凝結(jié)時(shí)間等試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)添加少量水玻璃可以大幅提高單液漿的凝結(jié)時(shí)間，而漿液強(qiáng)度隨齡期如何變化未進(jìn)行深入研究；郭棋武等［14］使用氯化鋁改良雙液漿后提高了漿體抗壓強(qiáng)度、減緩凝結(jié)時(shí)間等特性.

上述研究主要討論壁后注漿材料的強(qiáng)度、固結(jié)特性及流動(dòng)性等早期力學(xué)特性變化，分析水泥、砂等摻量對(duì)改性材料力學(xué)性質(zhì)的影響，但對(duì)壁后注漿材料改性后抗剪強(qiáng)度的研究較少.對(duì)水玻璃與氯化鋁混合材料對(duì)壁后注漿體抗剪強(qiáng)度的影響規(guī)律尚不清楚，本文基于該問題對(duì)4組漿液開展三軸試驗(yàn)，研究不同齡期下改性漿液的抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律，為盾構(gòu)隧道工程單液漿改性材料的選擇提供了一定的參考.

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料主要包括水泥、粉煤灰、砂、膨潤(rùn)土、水、減水劑、水玻璃及氯化鋁溶液.原壁后注漿配比如表1所示，其中水泥為安徽海螺水泥股份有限公司生產(chǎn)的海螺牌P.O 42.5水泥，粉煤灰為南京下關(guān)電廠Ⅲ級(jí)粉煤灰，膨潤(rùn)土為南京湯山鈣基膨潤(rùn)土，砂采用河砂經(jīng)過1 mm土工篩后余下部分.

表1 濟(jì)南地鐵某工程壁后注漿配比Tab.1 Original mixing proportion of backfill grouting

試驗(yàn)中采用的水玻璃為南京某公司生產(chǎn)的商品水玻璃，模數(shù)為2.5，波美度為35.氯化鋁為國(guó)藥集團(tuán)生產(chǎn)的分析純99%的無水氯化鋁，使用時(shí)配制成1 mol/L的溶液.

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 制樣

試驗(yàn)中先按表1配制原始壁后注漿漿液，再按表2加入一定體積比的氯化鋁與水玻璃溶液［14］，并攪拌均勻.漿液配制完后倒入直徑39.1 mm、高度80 mm的圓柱體試模中，振實(shí)并排除氣泡后，靜置24 h脫模，在恒溫恒濕標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱（溫度20℃±2℃，濕度＞95%）中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)到對(duì)應(yīng)的齡期，養(yǎng)護(hù)齡期分別為1、3、7、14、28 d.

表2 改性漿液配比（體積分?jǐn)?shù)）Tab.2 Mixing proportion of modified grout（volume fraction）

1.2.2 三軸剪切試驗(yàn)

三軸剪切試驗(yàn)采用南京土壤儀器廠制造生產(chǎn)的LSY30-1型應(yīng)力應(yīng)變控制式三軸儀，如圖1所示.王睿等［9］的研究發(fā)現(xiàn)，硬性漿的固結(jié)在漿液注入1 d內(nèi)幾乎完成，因此對(duì)不同齡期的漿液按《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123—1999）進(jìn)行不固結(jié)不排水剪試驗(yàn)，剪切速率設(shè)為0.08 mm/min，各試樣分別在100、200、400 kPa圍壓進(jìn)行試驗(yàn).

圖1 應(yīng)力應(yīng)變控制式三軸儀Fig.1 Stress-strain controlled triaxial apparatus

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)峰值強(qiáng)度的影響

對(duì)4組漿液在不同齡期下進(jìn)行不固結(jié)不排水剪試驗(yàn)，得出4種漿液的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系.以漿液A和B3為例，如圖2所示，圖2（a），圖2（c）分別為漿液A在7 d、28 d齡期的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系圖.在三種圍壓作用下，漿液試樣的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系一開始呈現(xiàn)應(yīng)變硬化的特征，隨著應(yīng)變的增加，偏應(yīng)力達(dá)到峰值，此時(shí)的應(yīng)力為最大偏應(yīng)力或峰值強(qiáng)度.隨著應(yīng)變繼續(xù)增加，應(yīng)力逐漸減小，此時(shí)漿液呈現(xiàn)應(yīng)變軟化的特征，最終趨于一定值.圖2（b）、圖2（d）分別為漿液B3在7 d、28 d齡期的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，其與漿液A具有相同的變化特征，其他兩種漿液均呈現(xiàn)相同的變化特征.

圖2 不同圍壓下偏應(yīng)力隨軸向應(yīng)變規(guī)律Fig.2 Regularities of deviatoric stress with axial strain under different confining pressures

隨著應(yīng)變的不斷增加，不同漿液在不同圍壓下達(dá)到最大偏應(yīng)力時(shí)發(fā)生的軸向應(yīng)變具有一定的差異.漿液A養(yǎng)護(hù)7 d后400 kPa圍壓下達(dá)到最大偏應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)變最大，最大應(yīng)變?yōu)?.9%，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，達(dá)到最大偏應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)變逐漸減小.養(yǎng)護(hù)28 d產(chǎn)生最大偏應(yīng)力對(duì)應(yīng)的應(yīng)變?yōu)?.5%，漿液A發(fā)生剪切破壞時(shí)應(yīng)變較小，均在4%范圍內(nèi).

漿液B3養(yǎng)護(hù)7 d后在400 kPa圍壓下達(dá)到最大偏應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)變最大為5.3%，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，達(dá)到最大偏應(yīng)力時(shí)的應(yīng)變逐漸減小.28 d齡期產(chǎn)生最大偏應(yīng)力時(shí)的應(yīng)變?yōu)?.0%，漿液B3在早期剪切破壞時(shí)應(yīng)變較大，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，剪切破壞時(shí)發(fā)生的應(yīng)變逐漸減小，其他兩組改性漿液中也表現(xiàn)出相同的特征.

對(duì)同一圍壓下漿液峰值強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)齡期的變化進(jìn)行分析，得到100 kPa圍壓下4組漿液在不同養(yǎng)護(hù)齡期的峰值強(qiáng)度變化曲線（圖3）.隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，原漿液的峰值強(qiáng)度呈兩段式增加，1 d至7 d齡期范圍內(nèi)峰值強(qiáng)度快速增加，增加速率最快；7 d至28 d范圍內(nèi)峰值強(qiáng)度增加速率變慢.而改性漿液峰值強(qiáng)度的增加速率較一致，并且在齡期大于7 d時(shí)，改性漿液的峰值強(qiáng)度逐漸超過原漿液，100 kPa圍壓下，28 d改性漿液峰值強(qiáng)度達(dá)4160 kPa，而原漿液為3230 kPa，強(qiáng)度提高至原來的1.3倍.

圖3 峰值強(qiáng)度隨著齡期變化規(guī)律Fig.3 Variation of peak strength with different ages

2.2 圍壓對(duì)峰值強(qiáng)度影響

不同圍壓下漿液剪切過程中峰值強(qiáng)度有一定的差異，對(duì)4組漿液在不同齡期不同圍壓與最大偏應(yīng)力關(guān)系進(jìn)行整理，如圖4所示，以7 d、28 d養(yǎng)護(hù)齡期峰值強(qiáng)度變化進(jìn)行分析.

從圖4中可知，4組漿液峰值強(qiáng)度隨著圍壓增加均呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，但原漿液和改性漿液峰值強(qiáng)度的增加速率具有一定的差異.7 d齡期下，隨著圍壓的增加，改性漿液峰值強(qiáng)度增長(zhǎng)速率較大，但原漿液在100、200 kPa圍壓下的峰值強(qiáng)度較高，隨著圍壓增加至400 kPa，改性漿液的峰值強(qiáng)度逐漸大于原漿液，見圖4（a）.而在28 d養(yǎng)護(hù)齡期下，4組漿液的峰值強(qiáng)度均有所提高，不同圍壓下的三組改性漿液的峰值強(qiáng)度均大于原漿液，見圖4（b）.隨著圍壓的增加，改性漿液更快地達(dá)到峰值強(qiáng)度，長(zhǎng)期峰值強(qiáng)度更高.

圖4 不同圍壓下峰值強(qiáng)度變化規(guī)律Fig.4 Variation of peak strength under different confining pressures

2.3 齡期對(duì)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)影響

對(duì)漿液抗剪強(qiáng)度的變化規(guī)律進(jìn)行分析，并基于不同圍壓下漿液的峰值強(qiáng)度繪制漿液的總應(yīng)力包線圖，計(jì)算出4組漿液抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，即黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨齡期變化如圖5所示.圖5（a）為漿液的黏聚力隨齡期的變化曲線，可以看出隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加原漿液的黏聚力不斷增大，在7 d齡期快速增大到364 kPa后變緩，至28 d齡期時(shí)增大到436 kPa.而改性漿液7 d養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)黏聚力的增大速率較慢，但超過7 d齡期后，黏聚力快速增加，漿液B3在28 d時(shí)黏聚力最大達(dá)到1330 kPa，是原漿液黏聚力的3倍，即漿液改性后大幅增加了7 d齡期后的黏聚力.

圖5（b）為漿液的內(nèi)摩擦角隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化曲線，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，原漿液的內(nèi)摩擦角不斷增大，由1 d時(shí)的34°增大到28 d的52°.而改性漿液的內(nèi)摩擦角隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加變化不明顯，在40°～50°范圍內(nèi)不斷變化，即漿液改性后內(nèi)摩擦角未出現(xiàn)大幅變化.

圖5 漿液剪切強(qiáng)度參數(shù)隨齡期變化規(guī)律Fig.5 Variation of grout shear strength parameters with different ages

2.4 氯化鋁添加量對(duì)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)影響

三種改性漿液抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的變化有明顯的差異，分析抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨氯化鋁添加量變化，如圖6所示.圖6（a）為不同齡期的改性漿液黏聚力隨著氯化鋁添加量的變化，可以看出，當(dāng)改性漿液在7 d齡期內(nèi)時(shí)，氯化鋁添加量幾乎對(duì)黏聚力不產(chǎn)生影響；但當(dāng)齡期達(dá)14 d，隨著氯化鋁添加量的增加改性漿液的黏聚力逐漸增大；當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)到28 d時(shí)，黏聚力由876 kPa增加至1330 kPa.

圖6（b）為不同齡期的改性漿液內(nèi)摩擦角隨著氯化鋁添加量的變化情況，隨著添加量的增加，改性漿液內(nèi)摩擦角變化較小，變化范圍在10°以內(nèi).當(dāng)改性漿液在7 d養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)時(shí)，內(nèi)摩擦角略微增加；當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期繼續(xù)增加，內(nèi)摩擦角略微減小，因此氯化鋁添加量對(duì)漿液的內(nèi)摩擦角的影響較小.

圖6 漿液抗剪強(qiáng)度參數(shù)隨氯化鋁添加量變化規(guī)律Fig.6 Variation of grout shear strength parameters with the addition amounts of aluminum chloride

3 討論

水泥在水化反應(yīng)過程中生成氫氧化鈣和水合硅酸鈣凝膠體（C—S—H），使得漿體的強(qiáng)度不斷提高，反應(yīng)方程如式（1）、式（2）所示.水玻璃與水泥水解生成的氫氧化鈣反應(yīng)生成了水合硅酸鈣，進(jìn)而打破了水泥的水解平衡，加速了反應(yīng)過程，同時(shí)生成大量的水合硅酸鈣凝膠體，快速增加漿體的強(qiáng)度，反應(yīng)方程如式（3）所示.

當(dāng)氯化鋁與水玻璃混合后加入原漿液時(shí)，氯化鋁先與水玻璃反應(yīng)，形成氯化鈉、氫氧化鋁和硅酸，反應(yīng)方程如式（4）所示，使得水玻璃延緩了與氫氧化鈣反應(yīng)過程，減弱了水泥水化反應(yīng)速率，漿液強(qiáng)度增加變慢.以100 kPa圍壓下不同漿液峰值強(qiáng)度為例（圖3），由于氯化鋁對(duì)水泥水化的延緩作用，7 d養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)改性漿液峰值強(qiáng)度較低.

從抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的變化規(guī)律可以看出，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的不斷增加，原漿液及改性漿液的早期（7 d內(nèi)）強(qiáng)度通過黏聚力及內(nèi)摩擦角的增加來實(shí)現(xiàn)；但是當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期大于7 d時(shí)，原漿液強(qiáng)度增加速率放緩，強(qiáng)度增加主要依賴試樣內(nèi)摩擦角的增大，而改性漿液強(qiáng)度仍按一定速率增加，其強(qiáng)度的增加則主要通過黏聚力的不斷增加.結(jié)合李婷等［15］研究，由于氯化鋁與水玻璃發(fā)生反應(yīng)過程中產(chǎn)生了Al（OH）3和Si（OH）4，兩者進(jìn)一步反應(yīng)生成了鋁硅酸鹽膠結(jié)物質(zhì)，黏附在砂土或其他細(xì)顆粒表面，逐漸提高試樣的黏聚力.因此氯化鋁添加量變化主要對(duì)漿液黏聚力產(chǎn)生影響，對(duì)內(nèi)摩擦角的影響較小.隨著水泥水化反應(yīng)及氯化鋁與水玻璃反應(yīng)產(chǎn)生膠結(jié)物，黏聚力的增加對(duì)改性漿液后期強(qiáng)度的增加起到關(guān)鍵作用.本文中氯化鋁添加量變化范圍較小，未深入討論水玻璃及氯化鋁對(duì)漿液中粉煤灰及膨潤(rùn)土的反應(yīng)及對(duì)強(qiáng)度影響.后續(xù)將進(jìn)一步開展改性材料對(duì)漿液各成分作用機(jī)理，重點(diǎn)對(duì)改性漿液長(zhǎng)期的強(qiáng)度指標(biāo)及耐久性進(jìn)行研究.

4 結(jié)論

1）壁后注漿體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系呈應(yīng)變軟化型，隨著應(yīng)變的增加，剪切強(qiáng)度達(dá)到一定值后逐漸減小.隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，峰值強(qiáng)度逐漸增加.

2）氯化鋁的添加延緩了漿液7 d強(qiáng)度的增長(zhǎng)，但漿液的28 d強(qiáng)度增大，最大增至原漿液的1.3倍.

3）改性漿液28 d齡期黏聚力最大1330 kPa，內(nèi)摩擦角最大達(dá)45°；原漿液28 d齡期內(nèi)摩擦角最大達(dá)52°.原漿液及改性漿液早期強(qiáng)度的提高均通過黏聚力及內(nèi)摩擦角的增大來實(shí)現(xiàn)；原漿液28 d強(qiáng)度主要依賴內(nèi)摩擦角的增大而增大，而改性漿液則通過黏聚力的增大而增大.

4）氯化鋁與水玻璃反應(yīng)產(chǎn)生的膠結(jié)物黏附與砂顆粒表面是改性漿液黏聚力增加的主要原因，后續(xù)將深入開展改性材料對(duì)漿液各組分影響機(jī)理研究.