渣土改良劑對黏土特性影響的試驗(yàn)研究

（中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450016）

由于盾構(gòu)施工的安全高效，城市地鐵主要采用盾構(gòu)法進(jìn)行施工，隨著修建地鐵的城市越來越多，盾構(gòu)施工中遇到的地質(zhì)情況越來越復(fù)雜。在黏土地層施工中，由于其可塑性強(qiáng)、滲透性小且粘性高等原因，造成黏土極易在刀盤中心、土倉隔板和螺旋輸送機(jī)內(nèi)壁上附著形成泥餅，導(dǎo)致掘進(jìn)扭矩大、出渣不暢、掘 進(jìn)速度慢、土倉壓力不易控制等問題。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)貙又叙ね恋V物超過25%時(shí)刀盤就可能發(fā)生結(jié)泥餅現(xiàn)象，隨著黏土礦物含量的增加，結(jié)泥餅概率增大。對于以上問題，最有效的解決辦法就是渣土改良，在黏土地層中最常用的改良劑就是泡沫劑。韓月旺針對南昌地區(qū)高黏土礦物質(zhì)泥質(zhì)粉砂巖進(jìn)行了泡沫劑改良試驗(yàn)研究獲得不同含水率下的泡沫添加比。楊洪希等人依托地鐵10 號(hào)線，通過液塑試驗(yàn)選擇改良劑，采用分散型泡沫劑對粉質(zhì)黏土進(jìn)行改良試驗(yàn)研究。王明勝等人采用泡沫劑對粉質(zhì)黏土進(jìn)行改良試驗(yàn)，分析不同泡沫劑對現(xiàn)場盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)、泡沫消泡量、渣土性狀的影響。

本文分析黏土試樣的液塑限特性，分別選擇水、聚合物水溶液、分散劑水溶液對黏土進(jìn)行改良，研究不同改良劑對黏土的流動(dòng)性、粘附性的影響，為黏土地層盾構(gòu)施工中渣土改良提供參考。

1 液塑限概念及研究意義

選擇粉質(zhì)黏土試樣，烘干后進(jìn)行顆粒分析，粒徑≤0.075mm 的顆粒質(zhì)量占比達(dá)到62.11%，根據(jù)GBJ 145-90《土的分類標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的土顆粒粒徑范圍，土樣屬于細(xì)粒土。細(xì)粒土由于含水率不同，分別處于流動(dòng)狀態(tài)、可塑狀態(tài)、半固體狀態(tài)和固體狀態(tài)。液限表示由流態(tài)轉(zhuǎn)入可塑狀態(tài)的界限含水量，塑限表征土由可塑狀態(tài)轉(zhuǎn)入堅(jiān)硬狀態(tài)的界限含水量。

選擇數(shù)顯液塑限聯(lián)合測定儀測定土樣液塑限，根據(jù)落錐法測定黏土的界限含水量，液限和塑限的錐入深度分別為17mm 和2mm，得出液限ωL對應(yīng)的含水率為41.8%，塑限ωP對應(yīng)的含水率為22.16%，由此判斷此土樣為高液限黏土。液限和塑限含水率為質(zhì)量比，而土樣密度為1 300kg/m3，換算為體積比后對應(yīng)為54.34%和28.81%，考慮試驗(yàn)易操作性和實(shí)際使用情況，渣土改良添加比采用體積比進(jìn)行配置。

當(dāng)渣土塑性指數(shù)大于20%時(shí)，盾構(gòu)掘進(jìn)中“堵塞”的風(fēng)險(xiǎn)大大提高。土樣的塑性指數(shù)為液限ωL和塑限ωP的差值，塑性指數(shù)為19.64%，非常接近20%，已屬于易“堵塞”地質(zhì)，對此類黏土的研究還是比較有意義的。

2 黏土改良特性試驗(yàn)

黏土地層最常用改良劑就是泡沫，國內(nèi)外研究較多，實(shí)際工程應(yīng)用也比較多，因此本文主要研究水、聚合物PAM、分散劑CMC 對黏土改良后的特性研究，對黏土的流動(dòng)性和粘附性進(jìn)行測試，定性分析對黏土的改良效果。

2.1 流動(dòng)性試驗(yàn)

渣土的流動(dòng)性好壞直接影響螺旋輸送機(jī)出渣，造成土倉內(nèi)堵塞和壓力不易控制，影響盾構(gòu)掘進(jìn)，流動(dòng)性對盾構(gòu)掘進(jìn)是非常重要的參數(shù)。流動(dòng)性測試采用流動(dòng)度測定儀進(jìn)行測試，使用錐型器將改良后的土樣自然落在托盤上，啟動(dòng)測定儀，測量托盤上試樣的直徑，通過試驗(yàn)直徑分析改良后渣土流動(dòng)性。

首先配置濃度1%的分散劑水溶液和0.3‰的聚合物水溶液，將烘干黏土試樣分成若干份，每份200mL，分別添加不同體積的水、分散劑溶液、聚合物溶液，均勻攪拌后，進(jìn)行流動(dòng)性試驗(yàn)測試。3 種改良劑添加比例分別從35%～75%，流動(dòng)度測試結(jié)果如表1 所示。

表1 流動(dòng)度測試結(jié)果

從表1 的測試結(jié)果來看，當(dāng)水添加比例達(dá)到55%時(shí)，可測試流動(dòng)性，正好與土樣測試的液限值（體積比）54.34%相符。分散劑水溶液添加45%可測試流動(dòng)性，而聚合物溶液需達(dá)到60%才可測試流動(dòng)性。液限表示流態(tài)和可塑狀態(tài)轉(zhuǎn)變的界限含水量，因此通過定性分析，分散劑可能降低了黏土的液限，而聚合物可能增大了黏土的液限，這個(gè)與絮凝劑能夠增大黏土的液限指數(shù)和塑限指數(shù)，分散劑能夠減小黏土的液限指數(shù)和塑限指數(shù)的結(jié)論是相符的。總的來說，分散劑有利于增強(qiáng)黏土的流動(dòng)性，而聚合物降低了黏土的流動(dòng)性，使用不同的改良劑，可以改變黏土的液限值，當(dāng)粘土具有流動(dòng)性時(shí)，改良劑的添加比例需大于相對應(yīng)液限值。

2.2 粘附性測試

黏土極易粘附于刀盤、刀具和隔板等金屬材料上，在高溫高壓下極易形成泥餅，嚴(yán)重影響掘進(jìn)效率，因此粘附性也是黏土地層改良的重要指標(biāo)。粘附性測試是通過在金屬板上放置改良后的黏土，再將試驗(yàn)蓋板放置于渣土試樣上，并對試驗(yàn)蓋板施加相同的壓力，然后用拉力計(jì)拉動(dòng)蓋板測試最大拉力。

試樣中添加不同比例的水、分散劑溶液（1%）和聚合物溶液（0.3‰），拉力測試結(jié)果如圖1 所示。

圖1 拉力測試結(jié)果

從試驗(yàn)結(jié)果來看，添加3 種不同的改良劑，拉力值都呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。當(dāng)水和分散劑溶液添加比例小于55%，金屬表面無黏土，拉力值反映的是金屬與粘土的粘附性，如圖2 所示。當(dāng)水和分散劑溶液添加比例再增大時(shí)，黏土流動(dòng)性好，金屬表面開始附著黏土，如圖3 所示，此時(shí)拉力值主要反映黏土內(nèi)在粘聚力，而添加分散劑的黏土內(nèi)在粘聚力更小。對于添加聚合物改良劑的黏土，其不易附著于金屬表面，而且有效降低黏土與金屬表面的粘附力，如圖4所示。

圖2 添加水（55%）和分散劑（55%）狀態(tài)

圖3 添加水（70%）和分散劑（65%）時(shí)狀態(tài)

圖4 聚合物添加比例55%和75%時(shí)狀態(tài)

通過流動(dòng)性測試和粘附性試驗(yàn)結(jié)果分析，添加3 種不同類型的改良劑，在黏土可測流動(dòng)性時(shí)，水、分散劑、聚合物溶液的添加比例分別為55%、45%、60%，在此狀態(tài)下，添加分散劑進(jìn)行渣土改良時(shí)粘附力最小，添加水進(jìn)行渣土改良時(shí)粘附力最大。聚合物溶液進(jìn)行改良時(shí)，有效改變粘土與金屬的粘聚力，但需較大注入比例才能改變其流動(dòng)性，在高富水粘土地層中，聚合物可能有一定應(yīng)用前景。

3 結(jié)論

通過對粘土地層的液塑限測試，確定選取的土樣為高液限粘土。通過試驗(yàn)結(jié)果分析，改良劑會(huì)影響粘土的液限，且改良劑添加比例達(dá)到其對應(yīng)的液限值時(shí)，可以有效改變黏土的流動(dòng)性。從提高粘土的流動(dòng)性和降低粘附性來看，分散劑水溶液具有明顯的優(yōu)勢，在黏土地層改良中具有很好的應(yīng)用前景。同時(shí)在高液限粘土地層施工中，需加大改良劑注入比例，才能改變粘土的流動(dòng)性，為盾構(gòu)機(jī)渣土改良系統(tǒng)在高液限黏土地層中的配置提供參考。