顶管注浆压力变化对地层沉降影响机理的离心模型试验

顶管工程同步注浆是减小地层扰动和最终地层沉降的一种重要手段。为研究注浆压力与顶管工程最终地层沉降的关系,在实际工程中选择合理的注浆压力和注浆量以减小顶管法对周围地层的扰动,为顶管工程同步注浆技术改进提供理论和试验支持,本文首先从土体颗粒和膨润土分子的结构特征角度对地层和泥浆的互相作用及沉降机理进行分析,提出4个沉降阶段的理论假设;然后,使用岩土工程离心机和自主研制的顶管工程注浆模拟系统进行缩尺模型试验,模拟现场不同注浆压力下的顶管顶进,通过对各组试验沉降曲线对比分析,验证理论分析部分的结论;最后,将试验中的注浆压力等相关参数应用于苏州东汇公园顶管工程,并在现场布置沉降测点,发现现场监测数据规律与试验结果吻合,进一步验证了本文的结论。研究表明:注浆后的沉降可分为土体塌陷阶段、渗透失水阶段、泥皮形成阶段和补浆抬升阶段,其中:土体塌陷阶段时间短,沉降速度快;渗透失水阶段持续时间长,总沉降量大,为地层沉降的主要部分;泥皮形成阶段,膨润土分子在泥浆–地层接触面堆积形成泥皮,浆液不再大量向地层渗透,使得地层沉降大幅减缓;最后的补浆抬升阶段,泥浆的注浆压力作用于泥皮,对上覆土产生推力,产生沉降补偿作用。注浆压力和注浆量的大小对最终地层沉降的影响很大,过小的注浆压力和注浆量会增大土体塌陷和渗透失水造成的地层沉降,而过大的注浆压力产生的过度沉降补偿作用甚至会使地表隆起。选择合理的注浆压力和注浆量对于控制地层沉降至关重要且效果显著,可应用于现场各类顶管工程。     

盾构隧道施工注浆参数合理取值的简化算法

在盾构隧道施工中,临近隧道部分土体因应力扰动产生变形,土体变形大小与注浆参数密切相关。为分析盾构施工对临近土层强度破坏和变形的影响,根据土体的强度破坏准则,研究了注浆压力的合理取值范围,并从施工安全的角度提出了最优注浆压力的确定方法;然后,采用镜像法分析了注浆量和地表沉降的关系,并通过和工程现场实测数据的对比分析,得出地表位移和注浆量基本呈线性关系这一结论。在此基础上,提出了以控制沉降为目标来确定最佳注浆量的一种简化计算方法。     

矩形顶管隧道施工中触变泥浆套形成规律及减阻效果试验

为研究在矩形顶管施工中砂质土和黏性土两种地层条件下泥浆的扩散半径、减阻效果,通过自行设计的试验台架,设定不同的覆土压力及浆土混合比例,进行了模拟试验。结果表明,砂土地层泥浆灌注起始压力约为4/5覆土压力,且注浆压力与扩散半径均呈线性增长;黏性土地层中注浆起始压力约为2倍覆土压力,浆液的扩散形式为劈裂渗透,渗透扩散不均匀,泥浆套成形质量较差;纯触变泥浆形成的泥浆套最大摩阻系数为0.011 8,对应的摩擦角为0.68°,随着黏土含量增大,泥浆减阻效果降低;现场实测最大顶推力比理论最大顶推力约减少60%,应用效果良好。研究成果能够有效解决矩形顶管隧道施工阻力大、小间距隧道顶进施工对既有管节的影响大等问题,具有推广应用价值。     

盾构隧道壁后注浆浆体变形特性

利用浆体变形单元体模型试验装置,研究了不同浆体压力、不同围岩土质条件以及不同地下水压作用下的盾构壁后注浆体的变形规律。试验研究表明,较高的浆体压力有利于加快浆体排水固结速率并增大浆体的最终变形量。土体的渗透系数是影响浆体变形的重要因素。在砂性土体中,地下水压对浆体的变形影响较大,在粘性土体中,浆体压力对浆体的变形影响较大。该装置可以用于研究浆液注入盾尾空隙后的受力状态、浆体的变形特性,有助于更深入地明确壁后注浆控制地层应力释放和地层变形作用。     

注浆水平纠偏的作用规律与影响因素

注浆法作为补偿地层沉降的手段已得到广泛应用,目前的研究主要集中于注浆原理及工程沉降纠偏等方面,对于土体参数、注浆参数对隧道水平位移控制效果的影响缺少系统研究。基于天津某工程现场注浆试验,采用应变法模拟注浆过程,研究土质条件、注浆量、注浆距离、注浆长度及注浆深度对注浆水平纠偏效果的影响。结果表明:注浆引起的土体最大水平位移位于注浆体顶部附近;土体强度、刚度参数对注浆效果影响不大,说明注浆控制水平位移的适用性较广泛;距离注浆点较近的土体水平位移随注浆量的增加增长较快,较远时增长较慢,且土体水平位移随注浆距离的增加衰减迅速,应尽量缩短注浆点与纠偏对象的距离;注浆长度较小时,注浆作用范围集中且土体最大位移值较大,反之,注浆作用分散较且均匀,应根据注浆距离和纠偏对象在深度上的范围选择注浆长度,最大化发挥注浆纠偏效果。     

顶管施工引起地表塌陷及关键技术分析

长距离大断面顶管施工不可避免的引起土体扰动和土层损失,导致土体塌陷和地表拉裂等现象.以某长距离超大断面顶管工程为工程研究背景,对顶管施工引起土体变形的机理展开了分析,对顶进施工过程中土体产生塌陷、地表出现张拉裂缝的原因进行了阐释,探讨了地表变位对周边建筑（构筑）物的影响,以及分析了该工程中运用的进出洞、中继器、触变泥浆减阻、加强现场监测、以及其他应急措施这5种关键控制技术,得到了一些保证工程施工安全的有益的经验.     

基于透明土技术的泥水盾构开挖面泥膜渗透特性研究

为了更直观的观测盾构泥浆成膜试验中注浆扩散和泥膜形成过程,开发了一套泥水盾构开挖面可视化注浆试验系统,采用透明土和透明浆液结合光学技术开展多种变量下泥水盾构泥浆渗透过程的可视化试验,记录各横纵断面渗透图像,并对图像进行二值化处理,探究了地层粒径与浆液粘度对泥浆扩散形态的影响,并评估了所形成泥膜的渗透特性,研究结果表明:浆液在地层中的渗透距离是评估泥膜形成质量的重要标准,而地层的孔径和泥浆粘度是影响浆液渗透距离的重要因素。在高渗透性土层条件下,减小盾构机刀盘开口率和注浆压力有助于形成泥皮型泥膜。试验结果对盾构的泥浆工程具有重要的指导意义。     

软土地层浅埋盾构施工的精细化数值模拟

为研究盾构隧道浅埋施工过程中多种因素对地层的扰动影响,基于有限差分平台建立模拟盾构动态开挖的精细化数值模型,考虑刀盘摩擦力、开挖面支护力、盾尾注浆压力和盾壳摩擦力对周围土层的综合作用,并将盾尾注浆时压力消散和浆液凝固的对应关系分阶段、分区域赋值,实现了对施工过程的精细模拟。利用厦门地铁1.0D埋深盾构隧道工程现场监测结果对数值模型进行验证,计算并总结了浅埋开挖引起软土地层的扰动变形规律,进而研究了各施工因素对扰动效果的影响。结果表明：软土地层盾构施工过程中,以刀盘顶推作用为主的机械开挖使前方土体径向扩张,开挖空间上方土体隆起,两侧土体外移;盾尾注浆阶段,在开挖空间两侧各1.0D范围内形成沉降槽,且随注浆压力消散逐步加深,隧道侧面土体水平位移在注浆层凝固期间,出现近场回弹和远场扩张现象;刀盘驶过目标断面3.0D后地层变形趋于稳定。刀盘摩擦力和盾壳摩擦力的增大会进一步加剧地层扰动变形,而开挖面支护力及盾尾注浆压力增大时,地表沉降有所减缓,侧面水平位移显著增加。因此,施工参数的选取应考虑对隧道周边地层扰动程度的均衡。     

桩端后注浆上返高度及桩顶冒浆处理

在幂律型浆液平板窄缝流动模型的基础上,推导出了桩端后注浆浆液上返高度的计算公式。并对上返高度随注浆压力、桩埋深、桩径、泥皮厚度的变化情况进行计算分析,结果表明：桩底浆液压力越大、桩侧泥皮越厚、桩长越短,浆液上返高度越大,即越容易发生桩顶冒浆。工程实例研究表明,桩顶冒浆的主要原因包括桩侧泥皮厚、试桩龄期短、持力层可注性差和桩底沉渣厚。通过降低注浆压力,减小桩侧泥皮及桩底沉渣厚度,提高泥皮强度可以防止桩顶冒浆的发生。对于发生桩顶冒浆的试桩,可采用间歇注浆进行处理。与未发生桩顸冒浆的桩相比,发生桩顶冒浆并通过复注达到设计注浆量的桩,其极限承载力较高。这是由于沿桩侧泥皮上返的浆液,通过劈裂、置换桩侧泥皮,使桩侧摩阻力略微提高。     

管幕预筑法中钢管顶进对地面沉降的影响

为了研究管幕预筑法中密集大直径钢管群顶进对地表沉降的影响,把平行顶管的顶管间距分为3类：大间距、中间距和小间距.明确指出了3类间距范围,总结分析了各种顶管间距情况下已建顶管对新建顶管地表沉降的影响.分析表明,大间距时已建顶管对地层的扰动影响可以忽略,中间距时主要是土体扰动的影响,小间距时既有土体扰动的影响,又有先建顶管管结构的支挡影响.分析Peck公式并对其进行修正,使之可用于预测各种间距下的地面沉降.结合沈阳地铁新乐遗址站施工监测结果,比较了地表沉降监测结果与Peck公式预测值,发现两条曲线吻合情况较好.     

砂砾石层渗透灌浆模拟试验

在砂砾石地层介质中进行灌浆时,地下水的渗流作用对浆液不同方向的扩散半径产生影响,对此进行室内渗透灌浆模拟试验.采用均匀设计的理念,构造了整体试验方案,通过分析各影响因素与浆液扩散半径和灌浆量的线性关系,得出灌浆压力、浆液水灰比、地层渗透系数、渗流流速等因素对浆液扩散半径、灌浆量的影响规律.试验结果表明:影响浆液扩散半径、灌浆量的显著因素是地下水渗流作用,其次是灌浆介质本身的渗透系数和浆液水灰比;渗流速度与浆液下侧扩散半径呈正相关关系,与浆液上侧扩散半径呈负相关关系,对浆液侧向扩散半径影响较小且呈正相关关系.     

桩底灌浆分析

提出了一个在土骨架不可压缩假定下分析柱底灌浆压力场的方法。该方法在径向渗流理论基础上考虑了浆液与水之间的相互作用,求解了灌浆引起的超静水压力及其梯度、灌浆量及浆球半径关系、灌浆量的计算,并给出了同现场灌浆资料确定浆液渗透系数的方法。讨论了一些对灌浆压力场有重要影响的参数。     

Comparative experimental investigation of chemical grouting into a fracture with flowing and static water

We present a series of experimental tests on chemical grouting into a fracture with flowing and static water, using a transparent fracture grouting experimental device. Variations of seepage pressure and grout propagation were compared in our investigation. The results show that flowing water results in drops of seepage pressure, development of penetration radii in the upstream side and drops of propagation area during the same period, compared with grouting in static water. The propagation area in static water is always round before grouts reach the joint boundaries. However, the propagation shape changes from round to an elliptic shape for grouting into a fracture with flowing water. A theoretical model for the grout penetration radius in a fracture considering flowing velocity was developed and validated by our experimental results. These results are helpful in improving understanding of fracture grouting mechanism and in guiding engineering practices.     

管幕预筑法中大直径顶管施工地表沉降研究

管幕预筑法顶管工程相比于传统管幕法顶管工程具有顶管间距小、顶管直径大等特点。目前对于密排大直径顶管的应用较少,对管幕密排顶管施工顺序和顶管施工地表沉降规律理论研究不足,密排顶管施工土体的变形趋势与单一顶管相差较大,传统的Peck公式预测地表沉降难以适用。为了解决密排顶管的施工顺序以及顶管施工地表变形规律,采用大型模型试验对三种典型的顶管施工方案进行试验,研究大直径密排顶管之间的相互影响作用和顶管施工过程中的地表变形特征。通过试验发现密排顶管之间不仅存在相互支挡现象,而且顶管与周围土体共同作用形成的管土拱效应对施工下排顶管形成“保护”,从三组模型试验方案来看,考虑管土拱效应的顶管施工方案管幕中轴线位置处地表沉降最大值仅为6.09 mm,小于其他两组方案,根据这一实验结果提出管土拱效应对于封闭管幕下排顶管的“保护”作用,确定管幕预筑法密排顶管施工最佳的顺序是先施工管幕上排顶管再施工管幕两侧以及下排顶管;同时改进Peck公式来预测密排顶管施工产生的横向地表沉降,改进的peck公式考虑了相邻顶管支挡与管土拱效应的支挡效应,修改Peck公式参数取值的具体办法,改进的peck公式预测结果与模型试验横向地表沉降曲线吻合良好。     

黏性土中桩侧后注浆单桩抗压承载性能室内模型试验研究

后注浆技术的应用能有效减少桩周土体扰动和泥皮等造成的不利影响,从而提高钻孔灌注桩的承载力。目前有关后注浆技术的研究多集中于桩端后注浆,少有涉及桩侧后注浆,影响了桩侧后注浆技术进一步推广应用。根据桩侧后注浆工艺,开展单桩抗压室内试验,以研究桩侧后注浆量对单桩抗压承载性能的影响。结果表明：在荷载水平较大的工况下,相较于桩侧后注浆量为1 L的单桩,注浆量为2、3 L时单桩极限抗压承载力分别提高18.2%和66.0%,提高幅度与注浆量呈正相关,并且可以在很大程度上减小桩顶沉降量;桩侧后注浆桩桩身轴力在侧注浆点位附近减小较快,在整个加载过程中桩端附近处桩身轴力值均比较低,单桩受压表现为摩擦桩;水泥浆液同时存在上返和下劈扩散,在室内试验条件下,两者扩散高度均约为14倍桩径,在浆液扩散段桩侧摩阻力得到显著提高,且越靠近注浆点位提高程度越明显。     

盾构隧道同步注浆浆液压力时空分布规律

盾构隧道施工过程中同步注浆浆液压力变化对邻近管片结构内力分布有较大影响,为实现对注浆压力的精细化控制,保证盾构安全掘进,研究浆液压力的时空分布规律.在考虑浆液粘度和地层渗透系数时变性的基础上,统一了同步注浆过程中浆液填充、扩散与消散过程,得到了浆液压力沿管片环向与纵向分布的理论计算式.依托工程实例及浆液流变试验结果,建立数值模型,得到了浆液压力沿管片三维时空分布规律.研究表明:同步注浆过程中浆液固结及注浆压力的衰减对浆液压力分布影响较大.浆液粘度增大,浆液流动性与地层渗透系数逐渐减小,使浆液压力沿管片扩散及消散幅度减小,进而影响管片内力分布.考虑了浆液压力时空变化特性的计算模型使管片受力特征与现场实测结果更加接近.研究成果为精细化分析施工阶段管片受力提供了计算依据.     

浆液性质对注浆压力及扩散方式的影响规律

为研究浆液性质对于注浆压力及浆液扩散模式的影响规律,设计了注浆扩散模拟试验系统。该系统通过采用整体填土压实,相比常规人工分层填土压实,可有效避免土体内部层间界面的产生,从而避免层间界面对于浆液扩散的影响。通过上述注浆扩散模拟试验系统开展了羧甲基纤维素钠浆液(模拟渗透注浆)、水泥单液及水泥-水玻璃浆液的土体注浆试验,分析注浆压力及浆液扩散特征,并针对注浆压力进行理论分析验证。研究结果表明:浆液性质对于注浆压力增长及劈裂特征点具有显著影响,通过分析注浆压力增长趋势及劈裂特征点特征可判定浆液扩散模式。     

盾构隧道施工过程地表变形的数值模拟计算

为研究盾构隧道在掘进过程中地表不同点的位移变化,建立盾构隧道掘进的有限元模型,对盾构隧道的开挖进行了有限元数值模拟．结果表明：盾构隧道在掘进过程中,会导致地下土体应力释放,使地表土发生相应沉降,并且隧道纵向轴线正上方地表点的沉降变形最大．当掘进距离超过一定深度后,其后方较远地表点的沉降变形趋于稳定．盾构的顶推力会导致其前方一定范围的地表土发生向上隆起．在注浆层硬化前、后过程中,不论是拱脚、拱顶及对应地表点的沉降位移均会比注浆层硬化前要大．