膨潤(rùn)土泥漿改良土壓盾構(gòu)粉細(xì)砂渣土流動(dòng)性機(jī)制分析

李宏飛

(中鐵十二局集團(tuán)有限公司，山西 太原 030032)

0 引言

近年來，土壓盾構(gòu)工法以其安全、高效、環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，在城市地鐵區(qū)間隧道建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。與黏性土層相比，砂性土層的摩擦角和滲透系數(shù)更大，且級(jí)配相對(duì)單一，當(dāng)土壓盾構(gòu)在此類地層中掘進(jìn)時(shí)，進(jìn)入到壓力艙內(nèi)的砂性土若無法抵抗開挖面地層的水頭差，極易在螺旋輸送機(jī)內(nèi)部出現(xiàn)土水分離現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致噴涌事故的發(fā)生，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致盾構(gòu)停機(jī)、開挖面坍塌等[3]。此外，內(nèi)摩擦角較大的砂土與盾構(gòu)刀盤刀具長(zhǎng)距離摩擦，易造成刀盤刀具磨損、刀盤轉(zhuǎn)矩過大、滯排等問題[4-5]。向壓力艙內(nèi)注入改良劑、進(jìn)行渣土改良是目前解決這類工程問題最有效的措施，其中改良后渣土的流動(dòng)性是渣土改良的關(guān)鍵指標(biāo)之一，關(guān)系到排土順暢及壓力艙內(nèi)的壓力保持。

目前，改良后砂性渣土的流動(dòng)性多采用坍落度值來評(píng)價(jià)。Peila等[6]開展了多組改良后砂土的坍落度試驗(yàn)，研究了含水量和泡沫劑添加量對(duì)坍落度的影響，提出改良砂土的合理坍落度為150～200 mm；姜厚停等[7]針對(duì)泡沫和膨潤(rùn)土泥漿對(duì)卵石地層渣土的改良效果開展研究時(shí)，也認(rèn)為合理的坍落度范圍為150～200 mm，而邱龑等[8]認(rèn)為深圳富水砂層改良后合適的坍落度范圍為195～210 mm；Jancseczs等[9]研究得到泡沫改良后土體合理的坍落度范圍在200～250 mm；喬國(guó)剛[10]則提出泡沫改良土的合理坍落度應(yīng)在100～160 mm。綜上可知，坍落度作為表征改良渣土流動(dòng)性的重要指標(biāo)，在不同地層中其適宜范圍存在較大差異，僅憑坍落度值還不能全面地評(píng)價(jià)改良渣土的塑性流動(dòng)特性。

除了通過坍落度評(píng)價(jià)改良渣土的流動(dòng)特性外，在其流動(dòng)剪切過程中土體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系變化規(guī)律方面，也有多位學(xué)者開展了研究。基于流變學(xué)理論，將改良渣土視作非牛頓流體已成為學(xué)界共識(shí)[11]。Galli等[12]采用十字板剪切儀對(duì)不同比例的土-泡沫混合物進(jìn)行了剪切試驗(yàn)，確定了改良土體的流動(dòng)曲線，并表征了其流動(dòng)模式；Mori等[13]探討了改良渣土在不同法向壓力、十字板轉(zhuǎn)速、泡沫摻入比下的應(yīng)變規(guī)律和剪切強(qiáng)度特性；孟慶琳等[14]通過更改氣囊壓力水平，采用自主研發(fā)的土體旋轉(zhuǎn)流變儀，對(duì)3組不同初始含水率砂土的泡沫改良砂樣進(jìn)行剪切試驗(yàn)，得出改良后砂土的黏滯系數(shù)和屈服應(yīng)力值分別為9.1～53.5 kPa·s和1.5～10.2 kPa；鐘嘉政等[15]采用自制的加壓十字板剪切儀，通過改變壓力和十字板轉(zhuǎn)速，測(cè)試并擬合了不同壓力下泡沫改良礫砂渣土的流變參數(shù)與實(shí)際坍落度之間的關(guān)系。然而，目前相關(guān)的研究多是針對(duì)泡沫改良渣土的剪切特性開展的，關(guān)于膨潤(rùn)土泥漿改性粉細(xì)砂的剪切特性和流動(dòng)度之間的關(guān)系尚不明確。

粉細(xì)砂地層作為長(zhǎng)三角地區(qū)的一種常見地層，是土壓盾構(gòu)掘進(jìn)穿越的具有代表性的地層。本文針對(duì)土壓盾構(gòu)在粉細(xì)砂地層中掘進(jìn)時(shí)面臨的膨潤(rùn)土泥漿改良砂性渣土流動(dòng)性機(jī)制不明晰的問題，開展不同泥漿配比和摻入比條件下改良渣土的跳桌流動(dòng)度試驗(yàn)和電動(dòng)十字板剪切試驗(yàn)，探究膨潤(rùn)土泥漿改良土壓盾構(gòu)粉細(xì)砂渣土流動(dòng)性機(jī)制，以期為合理評(píng)估粉細(xì)砂渣土改良狀態(tài)提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 粉細(xì)砂地層

試驗(yàn)采用的粉細(xì)砂取自蘇州地鐵某項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)，其天然含水量約為20%。采用的粉細(xì)砂地層物理性質(zhì)如表1所示。該粉細(xì)砂具有干燥時(shí)顆粒少、部分分散、大部分輕微膠結(jié)、濕潤(rùn)后有水滲出的特點(diǎn)。

表1 粉細(xì)砂地層物理性質(zhì)

1.2 膨潤(rùn)土泥漿

膨潤(rùn)土是以蒙脫石(Al2O3·4SiO2·H2O)為主要礦物成分的非金屬黏土類礦物，根據(jù)其吸附陽離子的類型，一般可分為鈣基膨潤(rùn)土和鈉基膨潤(rùn)土。本試驗(yàn)采用的是蘇州地鐵某項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)用的鈉基膨潤(rùn)土，其主要礦物成分包括蒙脫石、石英、方解石、鈣長(zhǎng)石。

膨潤(rùn)土泥漿按不同膨水比(膨潤(rùn)土質(zhì)量/水質(zhì)量)配制完成后，一般靜置膨化24 h后才開始使用。膨水比不能過大或過小，膨水比過大會(huì)影響泥漿的泵送性能，造成泥漿堵管等現(xiàn)象，而膨水比過小同樣會(huì)導(dǎo)致泥漿密度、黏度無法滿足要求。故在試驗(yàn)前配制不同膨水比的泥漿進(jìn)行性質(zhì)測(cè)試，本研究主要測(cè)試了膨水比為1∶2、1∶4、1∶6、1∶8、1∶10等5組泥漿的漏斗黏度和密度，見表2。

表2 鈉基膨潤(rùn)土泥漿漏斗黏度和密度

由試驗(yàn)結(jié)果可知：膨水比為1∶2時(shí)泥漿流動(dòng)性太小，難以滿足泵送要求；膨水比為1∶10時(shí)泥漿馬氏漏斗黏度為29 s，與渣土混合后跳桌流動(dòng)度較大。故選擇膨水比為1∶4、1∶6、1∶8作為后續(xù)試驗(yàn)所用的膨水比，同時(shí)，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，選擇不同膨水比泥漿的摻入質(zhì)量比(膨潤(rùn)土泥漿質(zhì)量/干粉細(xì)砂質(zhì)量)分別為7%、10%、13%、16%，以此來確認(rèn)適合粉細(xì)砂地層的膨潤(rùn)土泥漿配比和摻量大致范圍。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 流動(dòng)度測(cè)試方法

測(cè)定土體的流動(dòng)度一般使用坍落度筒或者跳桌，土體的坍落度在100～150 mm符合土體改良的要求，對(duì)應(yīng)的跳桌測(cè)定結(jié)果為190～240 mm[16]。相比坍落度筒試驗(yàn)，跳桌試驗(yàn)需要的土樣較小，僅為坍落度試驗(yàn)所需量的3.2%，便于試驗(yàn)的操作。受試驗(yàn)條件限制，本研究中選用跳桌進(jìn)行流動(dòng)度試驗(yàn)。跳桌直徑為30 cm，試模內(nèi)徑為6 cm，試驗(yàn)裝置如圖1所示。跳桌試驗(yàn)依據(jù)GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定方法》進(jìn)行。試驗(yàn)時(shí)將試模置于跳桌中心，分2層裝入試樣。試樣裝入一半高度后使用搗棒進(jìn)行振動(dòng)攪拌，使試樣分布均勻；隨后再加入第2層試樣，填至與頂部平齊。完成裝填后提起試模，打開跳桌開關(guān)，以1次/s的頻率振動(dòng)25次，測(cè)量其最大長(zhǎng)度作為流動(dòng)度數(shù)值。

(a)將砂樣裝入試模

1.3.2 流變參數(shù)測(cè)試方法

本研究使用電動(dòng)十字板剪切儀(見圖2)測(cè)試改良渣土的剪切特性。操作流程大致為：將試驗(yàn)土樣裝入土樣桶，選取并安裝轉(zhuǎn)矩傳感器及十字板頭，將容器放置在機(jī)架上，調(diào)整十字板中心，十字板插入土樣一定深度后，設(shè)置旋轉(zhuǎn)速度、最大角度、采集間隔等試驗(yàn)參數(shù)，施加扭轉(zhuǎn)力矩，使土體在不同轉(zhuǎn)速下發(fā)生剪切破壞，測(cè)定不同轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩。

圖2 電動(dòng)十字板剪切儀

通過式(1)將實(shí)際轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換為剪切應(yīng)力，通過式(2)將電動(dòng)十字板轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為剪切應(yīng)變速率。

(1)

(2)

式(1)和式(2)中：M為十字板轉(zhuǎn)矩，N·m；n為電動(dòng)十字板轉(zhuǎn)速，(°)/min；D為土樣桶內(nèi)徑，取10 cm；d為葉片直徑，取5 cm。

由盾構(gòu)施工中刀盤旋轉(zhuǎn)等實(shí)際工況可知，土壓盾構(gòu)刀盤切削速度通常為1.0～1.8 r/min，剪切應(yīng)變速率為0.005～0.067 s-1。結(jié)合式(2)及儀器實(shí)際尺寸，選取試驗(yàn)轉(zhuǎn)速分別為10、20、30、40(°)/min。電動(dòng)十字板轉(zhuǎn)速與剪切應(yīng)變速率對(duì)應(yīng)關(guān)系見表3。

表3 電動(dòng)十字板轉(zhuǎn)速與剪切應(yīng)變速率對(duì)應(yīng)關(guān)系

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 不同膨水比泥漿改良渣土流動(dòng)度變化規(guī)律

圖3示出改良后粉細(xì)砂渣土的流動(dòng)度試驗(yàn)結(jié)果。可以看出：使用不同膨水比的泥漿改良時(shí)，流動(dòng)度均隨著膨潤(rùn)土泥漿摻入質(zhì)量比的增加和泥漿膨水比的減小而增大；當(dāng)泥漿膨水比為1∶4、摻入質(zhì)量比為7%～13%時(shí)，流動(dòng)度符合190～240 mm的改良要求；隨著摻入質(zhì)量比的增加，流動(dòng)度達(dá)到243 mm，超出了改良要求。

圖3 不同膨水比泥漿改良渣土流動(dòng)度規(guī)律

圖4示出不同摻量下膨水比為1∶4的泥漿改良粉細(xì)砂渣土跳桌試驗(yàn)后的形態(tài)。4組改良后的渣土均未出現(xiàn)析水現(xiàn)象。泥漿膨水比為1∶6、摻入質(zhì)量比為7%時(shí)，流動(dòng)度為238 mm，符合改良要求，其余摻入質(zhì)量比均不滿足改良要求。泥漿膨水比為1∶8時(shí)，各摻入質(zhì)量比下流動(dòng)度均大于240 mm，均無法滿足改良流動(dòng)度要求。綜合以上試驗(yàn)結(jié)果，可知滿足改良粉細(xì)砂渣土流動(dòng)性的膨潤(rùn)土泥漿配比與摻量范圍為：膨水比為1∶4的泥漿摻入質(zhì)量比7%～13%、膨水比為1∶6的泥漿摻入質(zhì)量比7%以及兩者之間的配比和摻量，比如膨水比為1∶5的泥漿摻入質(zhì)量比7%～10%，應(yīng)該也是滿足改良要求的。本次僅討論了改良后渣土的流動(dòng)度，而現(xiàn)場(chǎng)還需要根據(jù)實(shí)際情況綜合考慮改良渣土的其他性質(zhì)以及成本分析，以確定合適的改良用膨潤(rùn)土泥漿配比和摻量。

2.2 自由水摻加對(duì)渣土流動(dòng)性影響分析

由上述試驗(yàn)可知，不同膨水比、不同摻入質(zhì)量比的泥漿對(duì)渣土的流動(dòng)度影響均存在較大差異，而在泥漿摻入的過程中，相當(dāng)于不同含量的自由水被摻入渣土，這部分自由水的摻加對(duì)渣土流動(dòng)性的影響，將通過下面1組試驗(yàn)來對(duì)比說明。

以膨水比為1∶4的泥漿為例，其摻入質(zhì)量比分別為7%、10%、13%、16%時(shí)，泥漿中所含自由水含量(自由水質(zhì)量/干粉細(xì)砂質(zhì)量)分別為5.6%、8%、10.4%、12.8%。分別向粉細(xì)砂渣土中添加5.6%、8%、10.4%、12.8%的自由水，攪拌均勻后使用跳桌測(cè)試其流動(dòng)度(見圖5)，然后與圖4中膨潤(rùn)土泥漿改良后的渣土流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，加入對(duì)應(yīng)質(zhì)量的自由水后，粉細(xì)砂渣土流動(dòng)度均明顯增大，即使摻入5.6%的自由水，改良渣土的流動(dòng)度已達(dá)255 mm，超出了砂性土流動(dòng)度的合理范圍。隨著自由水摻量的繼續(xù)增加，渣土的流動(dòng)度增大更明顯，平均增大了50 mm以上；同時(shí)，改良后渣土的析水現(xiàn)象越來越嚴(yán)重，表明改良后渣土的和易性越來越差。由此可見，對(duì)于粉細(xì)砂這種弱黏性地層，渣土含水量的增加是導(dǎo)致其流動(dòng)度增大的主要原因，但是單純加入自由水無法取得良好的改良效果。

(a)泥漿摻入質(zhì)量比7%

(a)水摻入質(zhì)量比5.6%

2.3 不同膨水比泥漿改良渣土剪切參數(shù)變化規(guī)律

選取膨水比為1∶4和1∶6的2組膨潤(rùn)土泥漿為例，摻入質(zhì)量比分別為7%、10%、13%、16%，在4組十字板轉(zhuǎn)速(10、20、30、40(°)/min)下共進(jìn)行32組剪切試驗(yàn)。圖6(a)示出十字板轉(zhuǎn)速為40(°)/min下，膨水比為1∶4的泥漿改良渣土的剪切試驗(yàn)結(jié)果。隨著電動(dòng)十字板的剪切角度不斷變大，剪切應(yīng)力均呈現(xiàn)先變大再減小的趨勢(shì)。隨著葉片旋轉(zhuǎn)角度的不斷增大，剪應(yīng)力不斷變大直至達(dá)到峰值，對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力即為峰值抗剪強(qiáng)度，此時(shí)改良渣土出現(xiàn)明顯的剪破面(見圖6(b))。當(dāng)泥漿摻入質(zhì)量比為7%、十字板轉(zhuǎn)動(dòng)角度約為30°時(shí)，改良渣土峰值剪切應(yīng)力達(dá)到6.78 kPa；隨著泥漿摻入質(zhì)量比的增加，改良渣土峰值剪切應(yīng)力則呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。

(a)膨水比為1∶4的泥漿峰值剪切應(yīng)力

表4示出32組試驗(yàn)下所有改良渣土的峰值剪切應(yīng)力。可以看出，在其條件相同的情況下，改良渣土的峰值剪切應(yīng)力值隨十字板轉(zhuǎn)速的增大而增大，隨著泥漿摻入質(zhì)量比的提高和泥漿膨水比的降低而顯著降低。這一結(jié)果與圖3中得到的隨著泥漿摻入質(zhì)量比的提高和泥漿膨水比的降低，改良渣土的流動(dòng)度顯著增大是對(duì)應(yīng)的，表明改良渣土的流動(dòng)度與其剪切應(yīng)力大小存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。由于渣土峰值剪切應(yīng)力大小受十字板轉(zhuǎn)速的影響，下面將采用流變模型和剪切參數(shù)進(jìn)一步說明渣土流動(dòng)性機(jī)制。

表4 不同膨水比、摻入質(zhì)量比泥漿改良后渣土的峰值剪切應(yīng)力

2.4 膨潤(rùn)土泥漿改良粉細(xì)砂渣土流動(dòng)性機(jī)制分析

流體流變模型有多種表達(dá)形式，目前，學(xué)術(shù)界普遍接受用理想的Bingham模型簡(jiǎn)化分析土-其他流動(dòng)物質(zhì)(如泥漿、水泥漿、渣土等)的流變特性[17]。Bingham模型的表達(dá)式見式(3)和式(4)。

γ=0(τ<τ0);

(3)

τ=τ0+μγ(τ>τ0)。

(4)

式(3)和式(4)中：τ為剪切應(yīng)力；τ0為屈服應(yīng)力，是流體發(fā)生流動(dòng)的起始剪切應(yīng)力；μ為塑性黏度，表征流體內(nèi)部摩擦力的強(qiáng)弱。

由于Bingham流體的屈服應(yīng)力τ0和塑性黏度μ是固定的，不隨剪切速率的變化而發(fā)生變化，因此，這2個(gè)參數(shù)是表征流體剪切特性的重要參數(shù)。

將表3中的剪切應(yīng)變速率和表4中的剪切應(yīng)力用Bingham模型進(jìn)行擬合，得到不同工況下改良后渣土試樣的剪切應(yīng)力-剪切應(yīng)變速率關(guān)系圖(見圖7)。由圖7可知，膨水比為1∶4及1∶6泥漿改良后的粉細(xì)砂渣土，Bingham模型擬合R2均大于0.96，表明改良后的渣土均符合Bingham流變模型。擬合直線與Y軸的交點(diǎn)即為該組渣土的屈服應(yīng)力τ0，擬合直線的斜率即為該組渣土的塑性黏度μ。將各組改良渣土的τ0和μ，以及前面測(cè)到的流動(dòng)度值全部列于表5。

(a)泥漿膨水比為1∶4

由表5可以看出，對(duì)于相同膨水比的泥漿，隨著其摻入質(zhì)量比的增大，改良渣土的流動(dòng)度逐漸增加，但塑性黏度和屈服應(yīng)力呈降低趨勢(shì)，說明渣土流動(dòng)度與塑性黏度之間存在明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。塑性黏度反映的是渣土抵抗剪切變形的能力，塑性黏度的降低也說明渣土更易發(fā)生剪切破壞，即更易流動(dòng)。而對(duì)于采用膨水比為1∶6、摻入質(zhì)量比為7%和10%的泥漿改良的渣土，其流動(dòng)度值均小于膨水比為1∶4、摻入質(zhì)量比為16%的泥漿改良的渣土，而其塑性黏度則并不是負(fù)相關(guān)的關(guān)系，表明對(duì)于不同膨水比的泥漿，這一負(fù)相關(guān)關(guān)系并不是一直存在的，此時(shí)也不能僅依靠塑性黏度判別改良狀態(tài)。

表5 改良渣土流動(dòng)度及流變參數(shù)

3 結(jié)論與討論

1)基于本研究采用的地層和膨潤(rùn)土，膨水比為1∶4的泥漿摻入質(zhì)量比7%～13%、膨水比為1∶6的泥漿摻入質(zhì)量比7%以及兩者之間的配比和摻量，可以滿足改良粉細(xì)砂渣土流動(dòng)性的要求，而僅添加對(duì)應(yīng)量的自由水無法取得良好的改良效果。

2)隨著泥漿摻入質(zhì)量比的提高和泥漿膨水比的降低，改良渣土的流動(dòng)度顯著增大，且流動(dòng)度與其剪切應(yīng)力大小存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。

3)膨潤(rùn)土泥漿改良后的粉細(xì)砂渣土符合 Bingham模型，塑性黏度的降低是渣土流動(dòng)性增大的根本原因。

影響膨潤(rùn)土泥漿改良渣土流動(dòng)度的因素有很多，后續(xù)的研究還需要考慮泥漿膨水比、水分形態(tài)、總的含水量以及土體顆粒級(jí)配等因素。