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生石灰膨润土泥浆土压盾构渣土改良试验研究

摘要:土压平衡盾构在砂性地层施工中,常出现盾构刀盘磨损严重、扭矩过大、土压舱土体难形成塑流状态等问题,施工中常使用膨润土泥浆作为土体改良剂对切削渣土进行改良来解决上述问题。本文以膨润土和生石灰为原料配制土体改良剂,通过采用泥浆粘度和相对密度为参考指标优选出合适的泥浆作为土体改良剂对渣土进行改良,并对改良渣土开展坍落度试验和剪切试验来综合评价生石灰含量对渣土改良效果的影响。试验结果表明:对于生石灰掺量为 0% ~2.8%的膨润土泥浆,随着生石灰含量的增加,泥浆的粘度和相对密度有所增加,改良后渣土的抗剪强度有所降低,在生石灰含量为 1.4%时坍落度能较好的满足施工要求。
0 引言
  土压平衡盾构在砂性土层掘进时,时常会遇到盾构推力、刀盘扭矩异常增大,刀盘、刀具和螺旋输送机磨损严重,土压舱内土体积压、堵舱,螺旋输送机出土困难等一系列的施工难题。因此,工程上普遍使用膨润土泥浆作为土体改良剂对开挖渣土进行土体改良,以达到理想的“塑性流动状态”。目前的研究成果一般认为,这种塑性流动状态主要体现在改良后的渣土具有较低内摩擦角、较低的黏聚力、合适的坍落度等特征。目前关于渣土改良性能评价主要是以室内试验研究为主的坍落度试验、搅拌试验、渗透试验、压缩试验、稠度试验、剪切试验和安定性试验。针对土压平衡盾构在砂性土层施工中出现的盾构推力、刀盘扭矩异常增大,刀盘、刀具和螺旋输送机磨损严重,土压舱内土体积压、堵舱,螺旋输送机出土困难问题,要求改良后渣土需要具有抗剪强度低,流塑性好等特点。
  本文先通过测量泥浆的粘度和相对密度优选出可泵性较好的泥浆配比,再通过对改良渣土进行坍落度试验和剪切试验,与试验结果进行对比分析,来研究生石灰含量对改良渣土的抗剪强度以及流塑性的影响,为在砂性土层的土压平衡盾构施工时的渣土改良提供技术参考。
1 土体改良剂的选择
  在土压平衡盾构的施工中,开挖面上切削下来的渣土进入土压舱与泥浆混合、搅拌,从而使泥水的性能发生改变。一方面,对于较粗大的切削下来的岩屑,就要求泥浆具有较好的悬浮性能和包裹性能,不能发生离析现象; 另一方面,还要保证泥浆具有较好的流动性,从而尽可能避免泥浆泵的过载和不必要的机械损耗。因此这两方面的因素对泥浆的粘度和相对密度提出了更高的要求。
1.1 膨润土含量影响
  采用产自辽宁省阜新市的钠基膨润土为试验材料,针对膨润土含量的选择开展了配合比优选实验:固定水的用量为 1 000 g,通过改变膨润土的含量,设计 7 组实验组,膨润土的含量分别为水的4%、5%、6%、7%、8%、9%、10%,即掺入量分别为:40 g、50 g、60 g、70 g、80 g、90g、100 g,不加入生石灰,使用 ZNN-D6B 型六速旋转粘度计和 MH-300G直读式电子密度计测定各组的 粘度和相对密度。具体试验步骤如下:
  ( 1) 称取预定质量的膨润土,按照不同比例加入到 1 000 g 水中,保持搅拌 30 min 制得泥浆,然后将泥浆转移至样品瓶中静置 24 h,得到发酵完成的泥浆。
  ( 2) 表观粘度和塑性粘度的测定:采用 ZNN-D6B 型六速旋转粘度计测定。转速分别为:3、6、100、200、300、600 r/min。记录 300 r/min 和 600r/min下的粘度分别为 Φ300 和 Φ600,确定液体在流动过程中的流型,选用合适的计算公式,对于非牛顿流体,表观粘度:η视 = 0.5×Φ600 MPa·s;塑性粘度:η塑 = ( Φ600-Φ300) MPa·s。
  ( 3) 相对密度的测定: 采用 MH-300G 直读式电子密度计进行测定,称取 100 ml 浆液加入到专用的小烧杯中,将烧杯轻放在电子称台上,待读数稳定后用铁丝挂上玻璃砝码,放到烧杯中,待到读数稳定后直接读出密度值。测试结果如表 1 所示。
  粘度和相对密度是土压盾构施工中评价泥浆性能的两个重要指标。由表格中比较数据发现,膨润土含量对泥浆的粘度和相对密度影响较为显著,随着膨润土的含量增加,泥浆的粘度和相对密度不断增加,这是由于膨润土在与水接触后发生水化反应,内部颗粒不断吸水膨胀,并且填充颗粒与颗粒之间的孔隙,增大了浆液的剪切应力,由于颗粒的膨胀,其与液体接触的表面积不断增大,两者之间的内摩擦作用也增大,并且随着水化反应的进行,邻近的膨润土颗粒之间也产生了接触,从而改变了摩擦介质,增大了内摩擦作用。因此,粘度和相对密度都随膨润土含量的增加而增加。在膨润土含量为 4% ~5%时,表观粘度低于 15 MPa·s,塑性粘度低于 10 MPa·s,整体的粘度过低,相对密度较低,泥浆较稀,成浆后有分层现象。但随着膨润土含量的增加,分层现象逐渐消失,膨化所需时间较长,泥浆的悬浮性能、包裹性能和携岩能力较差,不宜用作土体改良剂。而当膨润土含量大于 8%后表观粘度大于 30 MPa·s,塑性粘度大于 15 MPa·s,整体粘度过高,相对密度处于较高水平,且不稳定。在膨润土含量为 9% 和 10% 时,相对密度从 1. 14kg /m3 增加到 1.44 kg /m3,增加幅度达到了 20. 8%。
  这种泥浆过于黏稠,流动性较差,不利于泥浆的泵送,也不利于泥水和土之间的分离,同样不宜用作土体改良剂。经过综合对比,最终优选出膨润土含量为 7%的泥浆配比来作为试验使用配比,用于探究生石灰含量对后续试验结果的影响。
1.2 生石灰含量影响
  以生石灰为外加剂,加入到膨润土含量为 7%的泥浆中。为研究生石灰含量对泥浆粘度和相对密度的影响,开展了以下试验: 固定水的用量为 1000 g,膨润土的含量为 70 g,生石灰的含量分别为水的 0、0.7%、1.4%、2.1%、2.8%,使用 ZNN D6B型六速旋转粘度计和 MH-300G 直读式电子密度计测定各组的粘度和相对密度,试验方法参考 1.1 节中的方法,结果如表 2 所示。
  由表中数据可以看出,随着生石灰含量的增加,泥浆的表观粘度从 18 MPa·s 增加到 38.5 MPa·s,相对密度从 1.041 kg /m3 增加到 1.274 kg /m3。这是由于生石灰的主要成分为氧化钙,在与水接触后发生了水化反应,生成了消石灰氢氧化钙。氢氧化钙是极细小的颗粒,呈胶体分散状态,这样能够进一步地填充膨润土泥浆内部的孔隙,同时,生石灰吸水发生水化反应后,会产生较大的热量,使得浆液的温度有一定量的提升,从而一定程度上促进了膨润土的水化反应进行。同时,生石灰吸水发生水化反应后,自身也会产生较大的膨胀,这两方面因素都使得生石灰膨润土泥浆的粘度和相对密度增加。塑性粘度则在 11 ~ 15 MPa·s 的区间内波动基本变化不大,在生石灰含量为 0% ~ 1.4%时,表观粘度和塑性粘度分别在 15 ~ 30 MPa·s 和 10 ~15 MPa·s 的区间内,相对密度适中。这种泥浆保证了一定的流动性,且粘度合适,其携岩能力和悬浮能力较好,适合作为土体改良剂。
2 坍落度试验
  在土压平衡盾构施工中,常要求切削下来的渣土经泥浆改良后需具有良好的流塑性,这样有利于螺旋输送机顺利的将渣土排出,避免出现土压舱内出现土体积压、堵舱、和出土困难等施工问题。坍落度试验是土压平衡盾构施工中常用于检验改良后渣土流动性的试验方法。
  试验步骤:称取预定质量的生石灰和 210 g 的膨润土,按照生石灰的含量分别为水的 0、0.7%、1. 4%、2.1%、2.8%的配比均匀混合加入到 3 000 ml水中,保持搅拌 30 min 制得泥浆,然后将泥浆转移至储液池中静置 24 h,得到 5 组生石灰膨润土泥浆。每组取出 2 000 ml 浆液、10 kg 标准砂和 300ml 水混合搅拌均匀,采用坍落度筒按标准方法进行坍落度测量。试验结果表明:在生石灰含量分别为 0、0.7%、1.4%、2.1%、2.8%时,所对应的坍落度分别为 52 mm、72 mm、98 mm、83 mm、74 mm,如图1 和图 2 所示。
  从图 1 中的变化曲线可以看出,坍落度的范围在 50~100 mm 之间,当生石灰膨润土泥浆中的生石灰含量为 0 ~ 1.4%时,坍落度的值不断增加,表明经过生石灰膨润土泥浆改良后的渣土流动性有较明显的改善,并且在生石灰含量较低的时候,改善效果随着生石灰含量的增加而逐渐变好;在生石灰含量为 1.4%时,坍落度值出现了一个峰值;当生石灰含量大于 1.4%时,坍落度逐渐下降,在生石灰含量为 2.8%时,改良效果与生石灰含量为 0.7%时相近,说明在生石灰含量过高时,泥浆对渣土的改良效果逐渐变差。出现这种现象是由于生石灰水化反应生成的氢氧化钙具有一定的保水性,氢氧化钙颗粒表面会吸附较厚的水膜,这样有利于降低颗粒之间的摩擦力,因此在生石灰含量较低时,泥浆能较好地改善渣土的流动性。但随着生石灰的含量增加,在与渣土混合搅拌的过程中,氢氧化钙颗粒间的毛细孔隙失水,使毛细管产生负压力,氢氧化钙颗粒与渣土颗粒之间距逐渐减少而接触紧密,从而使颗粒间摩擦力增大,渣土的流动性变差。因此,在土压平衡盾构施工中应选择生石灰作为外加剂时应控制用量,以保证切削下来的渣土经过改良后有较好的流塑性,这样有利于螺旋输送机的输送作业。
3 剪切试验
  在地层力学性质不稳定的砂性土层中的土压平衡盾构施工会由于地层卵砾石含量高,颗粒之间空隙大、无黏聚力而导致在施工过程中盾构推力、扭矩异常增大,刀盘、刀具及螺旋输送机磨损严重,推进速度及其缓慢。为了解决上述问题,就要求经过泥浆改良后的渣土抗剪强度有所降低,从而减小对刀盘、刀具以及螺旋输送机的磨损,减小盾构推力和扭矩,加快盾构机的推进速度。剪切试验是室内试验中常用与测土体抗剪强度的试验,其主要参数为黏聚力和内摩擦角。
  具体试验步骤如下:
  ( 1) 试样制备:称取预定质量的生石灰和 210g 的 膨 润 土,按照生石灰的含量分别为水的 0、0. 7%、1.4%、2.1%、2. 8%的配比均匀混合加入到3000 ml 水中,搅拌 30 min 制得泥浆,然后将泥浆转移至储液池中静置 24 h 后得到 5 组生石灰膨润土泥浆。按照泥浆质量 ∶ 标准砂质量= 6 ∶ 100 的配比将泥浆和标准砂混合搅拌作为改良渣土试样,得到 5 组改良渣土试样。
  ( 2) 抗剪强度的测量: 为模拟地下土层压实的条件,每次测试取 120 g 的改良渣土试样放入环刀中,用击锤击打 10 次后转移到 ZJ 型应变控制式直剪仪中。每组分别取 5 次试样,对试样分别施加50 kPa、100 kPa、150 kPa、200kPa、300 kPa 的垂直压力,启动电机进行剪切试验,并记录测微表读数。
  ( 3) 数据处理: 根据摩尔 库伦破坏理论中的库伦定律 =σ·tgφ+c,为土体破坏面上的剪应力即抗剪强度,σ 为作用在剪切面上的法向应力,φ为土体的内摩擦角,c 为土体的黏聚力。为确保实验结果的科学性和客观性,本文采用专业绘图软件OriginPro9.0 进行曲线图像绘制和直线拟合,由软件直接输出拟合数据结果。将生石灰含量分别为 0、0. 7%、1. 4%、2. 1%、2. 8%的 5 组试样,以及加入与泥浆等体积水的试样和不加任何泥浆的纯砂试样分别按顺序编为实验组 1~7,实验结果如表 3 所示。
  从表 3 中第 7 组的数据可以看出,砂性土抗剪强度是比较高的,且内摩擦角较大,在 300 kPa 的垂直压力下的抗剪强度可以达到 175.7 kPa,内摩擦角为 30.3°。因此,砂性土层进行的土压盾构施工中,盾构机在掘进过程需克服较大的刀盘扭矩,增加盾构推进的困难,并且会加剧刀盘和刀具的磨损,降低工程的经济效益。将表 3 中第 1 组和第 6组数据进行对比,加入膨润土泥浆改良后的渣土比加入等体积水后的渣土的改良效果要好,其内摩擦角从 26.74°降低到 23.24°,但黏聚力从 0 上升到了6. 6 kPa。这是由于经过膨润土泥浆改良后的渣土,颗粒表面被泥浆颗粒包裹,使得原本粗糙的颗粒表面变得平滑,颗粒与颗粒之间的摩擦力减小,因此膨润土泥浆在其中发挥了润滑的作用,从而降低了改良后渣土的抗剪强度,使内摩擦角减小。但由于膨润土泥浆自身有一定粘度,膨润土颗粒之间相互吸附,所以产生了一定的黏聚力。这种黏聚力如果过大则有可能导致改良后的渣土吸附在刀盘上形成“泥饼”,不利于盾构的切削作业。由表中的 1~5 组数据看出,随着生石灰含量的增加,改良后渣土的内摩擦角不断减小,黏聚力也不断减小,在生石灰含量达到了 2.8%时黏聚力更是减小到了1.86 kPa。相较于没有添加生石灰的膨润土泥浆,其减小幅度较大,这是由于生石灰在水中经过水化反应后生成大量极细小的氢氧化钙颗粒,呈胶体分散状态,泥浆与渣土混合搅拌后,氢氧化钙颗粒同样吸附在砂土颗粒的表面起到减小摩擦力的作用。
  同时,由于生石灰的保水性和可塑性,在受到垂直压力和剪切力的作用下,会产生部分失水现象,使得泥浆浓度被稀释,减小改良后渣土的黏聚力。因此才会出现随着生石灰含量增加,改良渣土的内摩擦角和黏聚力都减小的现象,这样有利于避免在土压盾构施工中出现刀盘磨损严重和刀盘“结泥饼”等一系列的工程问题。
4 结论
  ( 1) 在膨润土含量为 7%的膨润土泥浆中加入生石灰能使得泥浆粘度和相对密度继续增长。随着生石灰的含量增加,泥浆的粘度和相对密度也随之增加,当生石灰含量在 1.4%时的泥浆粘度和相对密度指标分别为表观粘度为 27.5 MPa·s,塑性粘度为 13 MPa·s,相对密度为 1.189 kg /m3。此时的泥浆既有较好的携岩能力也保证了其可泵性,能满足施工要求。
  ( 2) 使用生石灰膨润土泥浆进行土体改良,随着生石灰的含量增加,改良后土体的坍落度呈“单峰”式变化,在生石灰含量为 1.4%时达到峰值为98 mm,土体基本达到“塑性流动状态”。
  ( 3)使用生石灰膨润土泥浆对土体进行改良,随着生石灰含量增加,土体的抗剪强度、内摩擦角和黏聚力有所下降,在生石灰含量为 2.8%时,内摩擦角降至 21.8°,黏聚力降至 1.86 kPa。
  ( 4) 综合泥浆性能和渣土改良试验的测试,生石灰含量为 1.4%的泥浆能较好满足施工需求,生石灰的加入对膨润土泥浆的性能以及渣土改良效果都有着一定的改善,在施工中可以考虑用生石灰适当替代部分膨润土的用量,以达到节约成本的效果。

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