王海波， 王樹(shù)英， 胡欽鑫， 劉朋飛

(中南大學(xué)土木工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410075)

0 引言

土壓平衡盾構(gòu)被廣泛應(yīng)用于隧道施工。由于富水砂性地層水土易分離，采用土壓平衡盾構(gòu)難以形成流塑性良好的渣土，會(huì)造成壓力艙閉塞致使刀盤(pán)扭矩上升、排土不暢，或由于排土口水壓過(guò)大而發(fā)生噴涌，最終誘發(fā)開(kāi)挖面失穩(wěn)[1]。因此，解決富水砂性地層的滲透性問(wèn)題對(duì)土壓平衡盾構(gòu)隧道施工的進(jìn)度和安全有著重要意義。國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了一系列關(guān)于砂土-泡沫混合物滲透性的研究。喬國(guó)剛[2]采用常水頭與變水頭對(duì)比試驗(yàn)，通過(guò)改變泡沫摻入比、泡沫劑體積分?jǐn)?shù)、含水量和泡沫劑的種類(lèi)，分別對(duì)泡沫改良后細(xì)砂和粗砂的滲透系數(shù)進(jìn)行測(cè)定。黃俐等[3]采用常水頭試驗(yàn)，通過(guò)控制泡沫的摻入量、含水量和泡沫劑體積分?jǐn)?shù)等，測(cè)定了黏性土與砂土的滲透系數(shù)。邱龑等[4]通過(guò)常水頭試驗(yàn)，測(cè)定了采用泡沫劑、膨潤(rùn)土和聚合物改良后的富水砂性土滲透系數(shù)K。彭磊等[5]對(duì)礫砂土地層的泡沫改良技術(shù)進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)研究，分析了氣液流量比、含水率和泡沫摻量對(duì)塑流性的影響以及改良前后土樣滲透系數(shù)的變化規(guī)律。蘇立君等[6]開(kāi)展了單一粒徑級(jí)砂土和多粒徑混合砂土的常水頭滲透試驗(yàn)，討論了曲率系數(shù)和不均勻系數(shù)等級(jí)配參數(shù)對(duì)滲透性的影響，并將單一粒徑級(jí)砂土的研究成果推廣到天然砂土。楊兵等[7]采用常水頭試驗(yàn)方法，研究了砂土不均勻系數(shù)、曲率系數(shù)、平均粒徑和孔隙比對(duì)滲透系數(shù)的影響，并用正交試驗(yàn)方法對(duì)各影響因素進(jìn)行了顯著性分析，采用控制變量法進(jìn)一步研究了各因素與滲透系數(shù)的關(guān)系。張禮華等[8]通過(guò)常水頭滲透試驗(yàn)探究了不同泡沫劑體積分?jǐn)?shù)及摻入體積比對(duì)渣土滲透性的影響情況。喬國(guó)剛等[9]采用常水頭試驗(yàn)分別對(duì)細(xì)粒、粗粒砂土進(jìn)行了滲透性試驗(yàn)，研究了泡沫、泡沫和膨潤(rùn)土或黏土混合對(duì)渣土的改良效果。魏康林[10]通過(guò)改進(jìn)的變水頭滲透試驗(yàn)探究了不同泡沫的摻入量、消散程度和不同土質(zhì)情況下泡沫和土樣混合物的滲透性變化情況。熊建明等[11]通過(guò)對(duì)黏性土和砂土進(jìn)行滲透性試驗(yàn)，探究了不同體積分?jǐn)?shù)和泡沫注入體積比對(duì)其滲透性的影響規(guī)律。Quebaud等[12]采用常水頭滲透試驗(yàn)測(cè)定2種粒徑砂土與泡沫混合物的滲透系數(shù)，通過(guò)改變泡沫的摻入量、泡沫體積分?jǐn)?shù)、砂土含水率以及泡沫劑種類(lèi)等得到采用混合型表面活性劑改良孔隙間隙為0～4 mm砂土的效果，并得到當(dāng)滲透系數(shù)小于10-6m/s時(shí)可滿足土壓平衡盾構(gòu)安全掘進(jìn)要求的結(jié)果。Borio等[13]通過(guò)高水位的常水頭滲透試驗(yàn)?zāi)M了實(shí)際施工時(shí)遇到的水頭過(guò)高的現(xiàn)象，結(jié)果表明在0.1 MPa的壓力下泡沫劑依然能夠顯著提高砂土的抗?jié)B性，但是砂土的滲透性不能滿足實(shí)際需要。綜上可知，國(guó)內(nèi)外對(duì)泡沫與砂土混合物的滲透性研究較多，主要控制變量是泡沫劑摻入量、泡沫劑的體積分?jǐn)?shù)、泡沫劑的種類(lèi)和砂土的含水率等，而從級(jí)配角度研究砂土與泡沫混合物滲透性變化規(guī)律的文獻(xiàn)比較少。

在研究砂土級(jí)配對(duì)泡沫改良效果的影響之前，首先要確定砂土的級(jí)配情況。以往的研究多從顆粒的粒徑、不均勻系數(shù)Cu、曲率系數(shù)Cv和孔隙率n這幾個(gè)方面確定，但是研究無(wú)黏性土的滲透特性時(shí)，還可以將土體視為由多束平行管道組成的理想體，管道的直徑就是土的平均孔隙直徑d0。文獻(xiàn)[14]表明： 盡管有些天然土是由各種粒徑的土組成的，但是真正決定其滲透系數(shù)的是細(xì)粒部分的占比，即使其他部分的占比不同，所得到的結(jié)果也幾乎相同； 所以砂土的平均孔隙直徑必然與細(xì)粒部分的占比有關(guān)，其中決定平均孔隙直徑的一個(gè)重要參數(shù)是顆粒的等效粒徑d20。

為了研究砂土級(jí)配對(duì)砂性渣土-泡沫混合物的影響，本文引入了等效粒徑d20探究細(xì)粒含量與渣土的滲透性規(guī)律，結(jié)合泡沫劑的體積分?jǐn)?shù)、摻入量和時(shí)間等變量，研究盾構(gòu)砂性渣土與泡沫混合物的滲透性規(guī)律，分析各因素對(duì)混合物滲透性的影響特征，旨在為現(xiàn)場(chǎng)土壓平衡盾構(gòu)渣土改良提供技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)設(shè)備

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用砂土取自湘江流域，測(cè)試主要參數(shù)包括砂土比重、滲透系數(shù)和孔隙率等，根據(jù)《鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程》[15]，分別采用比重法、TST-70型常水頭滲透儀和XD-1型手動(dòng)相對(duì)密度儀開(kāi)展測(cè)試。

文獻(xiàn)[7]指出： 當(dāng)不均勻系數(shù)Cu增加到一定值時(shí)，滲透系數(shù)將不隨不均勻系數(shù)Cu的改變而變化，即在這時(shí)已經(jīng)趨于穩(wěn)定。為研究等效粒徑d20對(duì)砂土滲透性的影響規(guī)律，本次試驗(yàn)在配置砂土?xí)r取Cu>11，同時(shí)為保證砂土級(jí)配的均勻性，取曲率系數(shù)Cc為1～3。為了更加詳細(xì)地反映各種參數(shù)之間的關(guān)系，本次試驗(yàn)配制了5種級(jí)配的砂土，并將其進(jìn)行編號(hào)，分別對(duì)應(yīng)1、2、3、4、5，具體的參數(shù)和粒徑分布曲線分別如表1和圖1所示。其中，平均孔隙直徑計(jì)算公式為

d0=0.63nd20。

(1)

式中:d0為平均孔隙直徑；d20為試樣的等效粒徑，指粒徑分布曲線上質(zhì)量占比小于20%時(shí)所對(duì)應(yīng)的粒徑值；n為試樣的孔隙率。

表1 5種級(jí)配砂土的參數(shù)Table 1 Parameters of five kinds of sands

圖1 粒徑分布曲線Fig. 1 Distribution curves of grain sizes

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

本次試驗(yàn)所采用的泡沫劑來(lái)自國(guó)內(nèi)盾構(gòu)渣土改良某常用品牌，通過(guò)將壓縮后的空氣采用0.2 MPa壓力打入盛有一定體積分?jǐn)?shù)泡沫劑溶液的發(fā)泡裝置中，從而產(chǎn)生滿足盾構(gòu)使用的30～400 μm粒徑的泡沫[2]。泡沫發(fā)生裝置由空氣壓縮機(jī)和泡沫機(jī)2個(gè)部分組成，如圖2所示。

圖2 泡沫發(fā)生裝置Fig. 2 Foam generator

考慮到泡沫劑體積分?jǐn)?shù)對(duì)其發(fā)泡率和半衰期的影響，通過(guò)測(cè)定2%、3%、4%和5% 4種體積分?jǐn)?shù)泡沫劑的發(fā)泡率和半衰期幫助確定具體的體積分?jǐn)?shù)。測(cè)得的試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。根據(jù)實(shí)際工程對(duì)發(fā)泡率(>10%)和半衰期(>5 min)的要求, 綜合考慮實(shí)際效果和經(jīng)濟(jì)因素，本次試驗(yàn)選取的泡沫劑體積分?jǐn)?shù)為3%。

表2不同體積分?jǐn)?shù)泡沫劑溶液的發(fā)泡率和半衰期

Table 2 Foaming rate and half-life of solution with different concentrations

體積分?jǐn)?shù)/%發(fā)泡率/%半衰期/min211.68.5313.616.5414.320.5518.225.5

2 滲透性試驗(yàn)方案

砂性土的含水率影響著泡沫加入時(shí)的穩(wěn)定性，同時(shí)也影響到兩者混合后的流塑性，因此，確定泡沫劑改良渣土的含水率至關(guān)重要。試驗(yàn)以原始級(jí)配的砂土為樣本，含水率w分別為10%、15%和23%(飽和含水率)，泡沫劑體積分?jǐn)?shù)c為3%，F(xiàn)IR為30%(FIR是指泡沫注入體積比，即泡沫體積與砂土體積的比值)。通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)： 含水率為15%和23%的混合物，流動(dòng)性極強(qiáng)，均出現(xiàn)泌水、泡沫上浮現(xiàn)象，尤其以含水率為23%的砂樣(飽和)最為明顯，泡沫與砂土難以混合，幾乎漂浮于砂樣表面；含水率為10%的砂樣，流動(dòng)性適中，且具有一定的塑性。因此，研究含水率為10%的砂土的滲透性變化規(guī)律更具有實(shí)際意義和代表性。

試驗(yàn)總體方案如下： 1)在探究砂土級(jí)配情況對(duì)混合物滲透性的影響時(shí)，取含水率w=10%、體積分?jǐn)?shù)c=3%、泡沫注入體積比FIR=30%，測(cè)定砂土和泡沫混合物在相同時(shí)間間隔15 min內(nèi)的滲透系數(shù)。通過(guò)測(cè)量得到不同水溫下的滲透系數(shù)，將其統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為20 ℃下的滲透系數(shù)，即K20； 2)在探究體積分?jǐn)?shù)對(duì)其滲透性的影響時(shí)，針對(duì)砂樣1在w=10%、FIR=30%情況下，c分別取2%、3%和4%進(jìn)行滲透試驗(yàn)； 3)在探究FIR對(duì)混合物滲透性的影響時(shí)，同樣針對(duì)砂樣1在w=10%、c=3%條件下，F(xiàn)IR分別取10%、20%和30%進(jìn)行滲透試驗(yàn)。

簡(jiǎn)要試驗(yàn)過(guò)程如下： 第1步，將烘干后的砂土放入攪拌器內(nèi)，加入一定量的蒸餾水控制砂土的含水率為10%，控制攪拌時(shí)間為30 s； 第2步，制備試驗(yàn)所用的泡沫，在0.2 MPa壓力下，將泡沫劑溶液與壓縮空氣混合，通過(guò)發(fā)泡裝置取相應(yīng)體積的泡沫，并倒入攪拌器內(nèi)，與砂土混合攪拌30 s； 第3步，取出砂土-泡沫混合物，分3層裝入TST-70型滲透儀內(nèi)(事先在底部放置濾網(wǎng)和濾紙)，用撫平器整平表面，在試樣頂部放置濾網(wǎng)和濾紙，并開(kāi)始滲透試驗(yàn)。在試驗(yàn)過(guò)程中嚴(yán)格控制制樣時(shí)間為10 min，總的裝樣時(shí)間不超過(guò)2 min。當(dāng)溢流管開(kāi)始有水溢出時(shí)重新計(jì)時(shí)，然后每隔15 min記錄1次數(shù)據(jù)，總共記錄3次，總的試驗(yàn)時(shí)間為45 min。待1組試驗(yàn)做完后，再進(jìn)行2組重復(fù)試驗(yàn)。

3 級(jí)配對(duì)混合物滲透性的影響

3.1 時(shí)間對(duì)砂土-泡沫混合物滲透性的影響

圖3示出了砂土-泡沫混合物和原樣砂的滲透系數(shù)隨時(shí)間的變化情況。由圖3可知： 不同級(jí)配砂土-泡沫混合物的滲透系數(shù)在時(shí)間上的變化規(guī)律基本一致，隨著時(shí)間的增加，混合物的滲透系數(shù)K20逐漸增加。

圖3w=10%、c=3%、FIR=30%時(shí)，滲透系數(shù)隨時(shí)間的變化情況

Fig. 3 Variation of permeability coefficientK20with time whenw=10%,c=3% andFIR=30%

圖4示出5種級(jí)配的砂土滲透系數(shù)變化率隨時(shí)間的變化情況。滲透系數(shù)變化率=(原樣砂的滲透系數(shù)-砂土泡沫混合物的滲透系數(shù))/原樣砂的滲透系數(shù)。由圖4可知： 1)砂樣1、2、4的滲透系數(shù)變化率基本一致，滲透系數(shù)K20較小且隨時(shí)間無(wú)明顯變化，即改良效果較穩(wěn)定； 2)砂樣3的滲透系數(shù)變化率初始值偏小，隨著時(shí)間的增加滲透系數(shù)變化率逐漸降低，即改良效果逐漸降低； 3)砂樣3與砂樣4的滲透系數(shù)變化率出現(xiàn)異常，因?yàn)樵囼?yàn)砂樣級(jí)配范圍比較小，且在試驗(yàn)過(guò)程中，受溫度和振動(dòng)等因素的影響泡沫容易上浮，導(dǎo)致數(shù)據(jù)波動(dòng)； 4)砂樣5的情況比較特殊，起始變化率較大，隨著時(shí)間的增加變化率明顯減小，即改良效果隨時(shí)間的穩(wěn)定性較差，說(shuō)明此時(shí)砂土中的泡沫穩(wěn)定性變差，產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因主要是該類(lèi)砂土等效粒徑d20偏大，由于測(cè)得的孔隙率n也較大，因此其平均孔隙直徑d0大于其他砂樣的d0，使充填在其中的泡沫穩(wěn)固性差，容易滲出或上浮，從而導(dǎo)致泡沫減少，致使?jié)B透系數(shù)增大。

3.2 砂土的等效粒徑對(duì)滲透性的影響

圖5示出了不同時(shí)間梯度滲透系數(shù)K20和等效粒徑d20的關(guān)系曲線。由圖5可以看出： 與未加泡沫的砂樣相比，砂土-泡沫混合物的滲透系數(shù)明顯減??； 隨著d20的增加，滲透系數(shù)在不同時(shí)間段內(nèi)的差值增大，即砂樣-泡沫混合物滲透性變化對(duì)時(shí)間的敏感性增加。由圖5中曲線的變化規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)： 當(dāng)d20逐漸減小時(shí)，改良前后砂樣的滲透系數(shù)逐漸接近，即當(dāng)d20較小時(shí)，加泡沫對(duì)其滲透性的改良效果不佳。整體來(lái)看，不同級(jí)配砂土在同一時(shí)間段內(nèi)的滲透系數(shù)變化規(guī)律大致相同，即5種級(jí)配砂土的滲透系數(shù)與等效粒徑d20的關(guān)系大致呈線性變化。

黑點(diǎn)表示砂樣1到砂樣5在第1個(gè)15 min內(nèi)的滲透系數(shù)變化情況，即d20對(duì)K20的影響關(guān)系； 三角形對(duì)應(yīng)第2個(gè)15 min； 方形對(duì)應(yīng)最后一個(gè)15 min。

圖5滲透系數(shù)與等效粒徑的關(guān)系曲線
Fig. 5 Relationship curves betweenK20andd20

4 泡沫劑體積分?jǐn)?shù)對(duì)混合物的滲透性影響

圖6示出了不同泡沫劑體積分?jǐn)?shù)下砂樣1的滲透系數(shù)隨時(shí)間的變化情況。由圖6可知： 在不同體積分?jǐn)?shù)的泡沫劑下砂樣1的滲透系數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律基本一致，均隨著時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸增大。圖7示出砂樣1的滲透系數(shù)隨泡沫劑體積分?jǐn)?shù)的變化曲線。由圖7可知： 隨著泡沫劑體積分?jǐn)?shù)的增加，砂土與泡沫混合物的滲透系數(shù)先減小后增大，說(shuō)明僅增加泡沫劑體積分?jǐn)?shù)并不能有效降低砂土滲透系數(shù)，甚至起相反作用，且增加了成本； 當(dāng)泡沫劑體積分?jǐn)?shù)為3%時(shí)，砂樣1的滲透系數(shù)K20最小，說(shuō)明泡沫劑體積分?jǐn)?shù)為3%時(shí)，對(duì)砂樣1的改良效果最好。由于不同體積分?jǐn)?shù)下，所產(chǎn)生的泡沫直徑會(huì)有所差別，考慮到這個(gè)原因，說(shuō)明砂樣1與體積分?jǐn)?shù)為3%的泡沫劑所產(chǎn)生的泡沫匹配情況較好。

圖6不同泡沫劑體積分?jǐn)?shù)下砂樣1的滲透系數(shù)隨時(shí)間的變化情況

Fig. 6 Variations of permeability coefficient of sand sample 1 with time under different foaming agent concentrations

圖7 砂樣1的滲透系數(shù)隨泡沫劑體積分?jǐn)?shù)的變化曲線

Fig. 7 Variations of permeability coefficient of sand sample 1 with foaming agent concentrations

5 泡沫注入體積比對(duì)混合物的滲透性影響

圖8示出了不同泡沫注入體積比時(shí)砂樣1的滲透系數(shù)隨時(shí)間的變化曲線。由圖8可知： 泡沫注入體積比不同時(shí)砂樣1的滲透系數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律基本一致，均隨著時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸增大。

圖9示出砂樣1的滲透系數(shù)隨泡沫注入體積比的變化曲線。由圖9可知： 當(dāng)泡沫劑注入體積比為20%時(shí)，砂樣1的滲透系數(shù)最小，說(shuō)明泡沫劑注入體積比為20%時(shí)，對(duì)砂樣1的改良效果最優(yōu)； 另外，泡沫劑體積分?jǐn)?shù)為20%和30%時(shí)混合物的滲透系數(shù)差別不大，當(dāng)間隔時(shí)間為30 min和45 min時(shí)滲透系數(shù)存在稍微增加的趨勢(shì)，表明當(dāng)泡沫注入量達(dá)到一定值時(shí)，繼續(xù)加入泡沫不會(huì)降低砂土的滲透系數(shù)。

圖8不同泡沫注入體積比時(shí)砂樣1的滲透系數(shù)隨時(shí)間的變化曲線

Fig. 8 Variations of permeability coefficient of sand sample 1 with time under different values ofFIR

圖9 砂樣1的滲透系數(shù)隨泡沫注入體積比的變化曲線

Fig. 9 Variations of permeability coefficient of sand sample 1 with values ofFIR

6 結(jié)論與討論

本文主要通過(guò)砂土的常水頭滲透性試驗(yàn)探討了砂土級(jí)配、泡沫劑體積分?jǐn)?shù)以及泡沫體積注入比對(duì)砂土-泡沫混合物滲透性的影響規(guī)律。主要結(jié)論如下：

1)隨著等效粒徑的增加，混合物滲透系數(shù)在不同時(shí)間段的差值增大，即砂樣-泡沫混合物對(duì)時(shí)間的敏感性增加； 所研究的不同砂土加入泡沫后的滲透系數(shù)均達(dá)到了10-4cm/s，說(shuō)明砂樣的滲透性均能得到改良； 泡沫注入體積比不同時(shí)混合物的滲透系數(shù)在時(shí)間上的變化規(guī)律基本一致，隨著時(shí)間的增加，混合物的滲透系數(shù)逐漸增加。

2)當(dāng)?shù)刃Я街饾u減小時(shí)，改良前后砂樣的滲透系數(shù)逐漸接近，即當(dāng)?shù)刃Я捷^小時(shí)，加入泡沫后對(duì)其滲透性的改良效果不佳。

3)在同一時(shí)間段、同一注入體積比條件下，砂樣的滲透系數(shù)隨著泡沫劑體積分?jǐn)?shù)的增大呈現(xiàn)先減小后增加的規(guī)律，說(shuō)明并非泡沫劑體積分?jǐn)?shù)越大改良效果越好。

4)在同一時(shí)間段、同一體積分?jǐn)?shù)下，砂樣的滲透系數(shù)隨著泡沫注入體積比的增加先減小后保持不變，說(shuō)明當(dāng)泡沫注入體積比達(dá)到一定值時(shí)，滲透系數(shù)不隨其增加而改變，即存在一個(gè)最優(yōu)注入比。

此外，本研究所用砂土的粒徑偏小，下一步需對(duì)大粒徑渣土的滲透規(guī)律進(jìn)行探究。實(shí)際盾構(gòu)施工過(guò)程中砂性渣土不僅應(yīng)具有抗?jié)B性，還要具有較好的流塑性和保水性，因此，應(yīng)進(jìn)一步探究泡沫與膨潤(rùn)土或聚合物混合改良后的砂性渣土的滲透規(guī)律。另外需改進(jìn)試驗(yàn)設(shè)備，探究高水頭壓力對(duì)滲透試驗(yàn)結(jié)果的影響規(guī)律及改良方法。

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