楊 益， 譚 超， 李興高

(北京交通大學 a. 城市地下工程教育部重點實驗室； b. 土木建筑工程學院, 北京 100044)

隨著我國大城市地面交通負荷的日益加重，地下空間的開發(fā)利用就成為了推動城市功能升級和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的關鍵因素。盾構法以施工速度快、安全、對土體擾動小等技術優(yōu)勢在地下空間開發(fā)利用中廣泛應用。然而，在盾構機工作過程中刀盤與土體接觸位置，由于摩擦效應會產(chǎn)生大量熱量，若遇到黏土地層，極易黏附刀盤造成堵塞問題，這直接影響到工程建設的安全性、盾構設備的耐久性和施工過程組織管理[1]。因此，探究溫度效應對黏土與盾構刀盤界面的黏附性能十分重要。

在黏土黏附機理研究上，研究者們從不同角度提出不同的理論和學說，以解釋和說明土黏附的現(xiàn)象與規(guī)律。Tsubakihara等[2]指出了黏附剪切與界面粗糙度相關的三類模式。Kooistra等[3]提出了黏土與金屬表面剪切可能發(fā)生的兩種情況，如果施加的剪切力大于黏土剪切強度，但是小于黏土與金屬的黏附剪切強度，堵塞就會發(fā)生。Thewes[4]提出了黏土的堵塞問題可以細化為四種單一的相互作用機制。為此，Thewes[5]設計了測試黏土拉伸黏附力的試驗裝置，研究了土樣性質、土樣浸潤時間、接觸時長，以及浸潤液特性對黏附特性的影響。楊益等[6]利用圓錐拉伸黏附實驗，考慮黏附力和黏附量2個因素建立了土壓盾構堵塞風險評價方法。Zimnik等[7]通過特殊的直剪試驗探究了土與鋼之間的黏附剪切規(guī)律，認為黏土礦物成分、黏粒含量、接觸面粗糙度、接觸時間、壓力和含水率是影響接觸面破壞的主要因素。Zumsteg等[8]設計了更為復雜的切向黏附力測試方法，并通過攪拌試驗和圓盤剪切試驗，研究了泡沫劑和分散劑對黏土剪切作用的影響規(guī)律。Liu和Wang等[9,10]利用類似的圓盤剪切試驗，探究了分散劑的作用機理，研究表明分散劑可降低黏土的液限含水率，而對塑限含水率基本無影響，同時相同稠度指數(shù)下，黏附強度基本一致。緊接著，Zumsteg等[11]對圓盤剪切試驗進行了改造，研發(fā)了泥水盾構掘進試驗裝置，進一步測試了改良劑對粘結效果的影響。進一步地，方勇等[12]開發(fā)了室內面板式刀盤掘進模擬裝置用以探索盾構掘進速度和刀盤扭矩的變化規(guī)律及其與刀盤堵塞之間的相關關系。以上研究重點關注于土樣性質對黏附特性的影響，而在溫度效應的影響方面，Azadegan等[13]采用自主設計的儀器，測試了不排水條件下黏土與金屬接觸面黏附力大小隨環(huán)境溫度在5～30 ℃變化范圍內的關系，結果表明溫度與黏土黏附力呈負相關。

從以上研究可以看出，當前對黏土黏附力的試驗研究大多未考慮溫度場的影響，考慮溫度作用的研究并未考慮其他因素的共同作用。實際工程中，盾構掘進面臨的環(huán)境是復雜多樣的，涉及多種影響因素的共同作用，很有必要開展相應試驗研究。采用自制的試驗裝置，考慮溫度與其他因素(接觸面壓力、剪切速度、含水量、礦物含量、排水環(huán)境)共同作用，試驗研究了黏土-金屬面切向黏附力的變化規(guī)律，對實際工程中盾構刀盤與黏土間黏附作用的應對和治理有一定的指導和參考價值。

1 黏土-鋼接觸面剪切試驗

1.1 試驗材料

黏土通常由各種黏土礦物的混合物組成，其力學性質在很大程度上取決于其所包含的黏土礦物成分。為使試驗土成分明確，簡易可控，試驗中采用人工配土。本試驗采用高純度伊利土和蒙脫土。試樣土的外觀形狀如圖1所示，技術參數(shù)如表1所示。兩種土樣主要成分均為硅鋁酸鹽，絕大部分成分是SiO2與Al2O3，蒙脫土含有少量MgO，K2O，CaO，F(xiàn)e2O3，伊利土含有少量K2O。采用落錐法測定了黏土的液塑限，并對測定結果進行了分析。以17,2 mm錐入土樣的含水量分別對應液限和塑限。對兩種土樣分別測試，結果如表2所示。

圖1 試驗土樣外觀

表1 試驗土樣的主要特征

表2 試驗土成分及部分物理指標

1.2 試驗設備

黏附試驗采用自主設計的恒溫黏附剪切儀，如圖2所示。試驗設備由4個部分組成：旋轉剪切系統(tǒng)、恒溫壓力倉、加壓系統(tǒng)以及旋轉動力及測試系統(tǒng)，其中恒溫壓力倉的剖面見圖3所示。恒溫壓力倉外層加水，以水為導熱介質通過加熱裝置對水進行加熱以達到壓力倉內的恒溫環(huán)境，壓力倉內放置土樣，由空氣壓縮機提供恒定氣壓環(huán)境，用以模擬盾構渣土所處的壓力環(huán)境。土樣與旋轉剪切軸面(模擬刀盤表面)直接接觸，旋轉剪切軸直徑和高度分別為75，200 mm，由不銹鋼制成，表面粗糙度為3.2 μm。旋轉軸由減速電機驅動，其轉速由伺服電機驅動器控制并保持恒定。電動機的額定轉矩為3.5 N·m，經(jīng)減速機放大后為126 N·m，通過輸出電機實時扭矩用以換算黏附力，換算關系如式(1)所示，輸出黏附力的精度為1 kPa。

(1)

式中：τ為土壤剪切應力；T為實測扭矩；D為旋轉剪切軸直徑；H為土樣高度。

圖2 黏附力測試儀

圖3 黏附力測試儀剖面

1.3 試驗方案設計

本次試驗模擬閉胸式盾構施工過程中，土體對刀盤的黏附作用。因此，試驗因素除了溫度外。還包括了接觸面壓力、剪切速度、含水量和礦物含量。試驗過程中，為驗證部分實驗組土樣黏附力隨溫度變化出現(xiàn)拐點的現(xiàn)象可能與含水量變化有關，后又將排水環(huán)境納入試驗因素中。具體試驗因素及水平如表3所示。表3中各因素水平的選擇說明如下。

表3 黏土黏附試驗因素及水平

(1)稠度指數(shù)Ic

當稠度指數(shù)Ic小于0.4時，不能保證螺旋輸送機的氣密性，而稠度指數(shù)Ic過高時，土體由于太硬而不能作為支撐介質。因此，選定試驗土的稠度指數(shù)Ic為0.2～1.0，探討此范圍內切向黏附力與稠度指數(shù)之間的關系。稠度指數(shù)通過在試樣中加水改變土樣含水率來完成，稠度指數(shù)的含水率按式(2)換算后，結果如表4所示。

W=WL-IcIp

(2)

式中：W為實際含水率；WL為液限；Ip為黏土塑性指數(shù)。

表4 試驗土樣含水率 %

(2)溫度

文獻[14]表明，在正常工作情況下，盾構刀盤上的最高溫度一般為40～50 ℃，同時兼顧到非正常情況，選定的試驗溫度為20～65 ℃，通過溫度控制系統(tǒng)實現(xiàn)。通過預設目標溫度控制加熱棒的加熱進程，在土樣內布置溫度傳感器，實時反饋溫度數(shù)據(jù)，當土樣溫度達到目標溫度時，停止加熱進程，反之，則自動開啟加熱進程，保證剪切過程中土樣溫度始終維持在預設溫度附近，誤差小于0.1 ℃。

(3)加壓條件

試驗模擬盾構掘進時的刀盤工作情況，通過對上部裝置的附加荷載來實現(xiàn)加壓的目的。對土樣施加的法向力分別為100，200 kPa，試驗裝置密封后借助空氣壓縮機加入氣壓完成。

(4)旋轉速率

試驗葉片裝置直接通過剛性軸施加扭矩，并且使用電動傳感器測量扭矩，葉片以恒定速度轉動，根據(jù)ASTM D4648-00標準[15]，剪切速度范圍應在10～30 °/min，因此本試驗選定旋轉速度為10，20，30 °/min，通過旋轉及測試系統(tǒng)調速達到與土樣的相對運動速度。

(5)排水條件

排水試驗裝樣前在土樣下方加不銹鋼板與透水石保證土樣排水，不排水實驗前將不銹鋼板與透水石取出。利用單因素分析方法進行試驗，各組試驗的因素水平方案情況如表5所示，表5中因素水平序號與表3中水平序號相對應。

1.4 試驗步驟

試驗按照以下步驟進行：

表5 因素水平方案

(1)將土樣與預先確定的水量混合，為防止水分蒸發(fā)將其放置在密封容器中保存24 h，使土樣與水分充分混合；

(2)將與水分充分混合的土樣按重量等分為6份，分6次填入到試驗裝置圓筒內，分層壓實，每層厚度應一致，約為2 cm；

(3)試驗裝置外層加入水，連接好溫度加熱系統(tǒng)，銅棒開始加熱直到水溫到達預期溫度，由于導熱需一定時間，所以水溫達到預定值后需靜置2 h，使得溫度充分傳遞到裝置內層土樣中；

(4)通過無油靜音空氣壓縮機向試驗裝置內部土樣試樣施加所需的壓力，使用IR2010-02BG氣壓調節(jié)閥將壓力穩(wěn)定5 min，此時土樣豎向位移變得穩(wěn)定；

(5)操控電機，以設定的速度旋轉中心軸，每1 s輸出一次扭矩，每次測量持續(xù)2 min；

(6)試驗結束后拆除電機與剪切機的連接，測量土樣高度，以便后續(xù)計算扭矩；

(7)記錄電機扭矩值，按照公式(1)計算1切向黏附力。

2 試驗結果及分析

2.1 剪切曲線

圖4為Ic=0.8、加壓條件為100 kPa、剪切速率為30 °/min的蒙脫土與伊利土兩種土樣的剪切曲線，圖中x軸為中心旋轉軸旋轉角度，y軸為土樣溫度，z軸為黏土與金屬面切向黏附力。如圖4所示，在剪切過程中，黏土-接觸面切向黏附力在初始階段顯著增大，達到峰值后下降，而后逐漸穩(wěn)定。不同土樣以及不同溫度的試樣組所測剪切曲線特征相同，選取每條曲線的峰值定義為該土樣的切向黏附力。

圖4 試樣剪切曲線

2.2 不同稠度指數(shù)下切向黏附力隨溫度的變化

圖5給出了兩種土樣在壓力100 kPa、剪切速度10 °/min以及不排水條件下，土樣不同稠度指數(shù)時的切向黏附力隨溫度的變化。結果顯示，不同溫度水平下，稠度指數(shù)越大其切向黏附力越大，在Ic值為1.0，0.8，0.5的情況下，伊利土的切向黏附力高于蒙脫土，而對于Ic值為0.2的情況，規(guī)律恰恰相反。不同稠度指數(shù)Ic下的試驗土樣，隨著溫度升高，切向黏附力隨之減小，對于Ic值為1.0，0.8，0.5的試樣，伊利土和蒙脫土的切向黏附力每升高15 ℃減小約5 kPa，而對于Ic值為0.2的試樣，伊利土和蒙脫土的切向黏附力均未表現(xiàn)出明顯減小，說明當含水率較高時，溫度對切向黏附力的影響并不顯著。根據(jù)Moritz[18]提出的理論，溫度升高會使黏土內部孔隙水壓力增大，這可歸因于顆粒與孔隙水熱膨脹系數(shù)的差異，孔隙水壓力的升高減小了黏土的有效應力，進而導致黏土與金屬面的實際接觸壓力降低，這也解釋了在不排水條件下切向黏附力隨溫度減小的現(xiàn)象。

圖5 含水量對不同溫度下切向粘結強度的影響

2.3 不同加壓條件下切向黏附力隨溫度的變化

圖6表示兩種土樣在Ic=1、剪切速度10°/min以及不排水和不同加壓條件下切向黏附力隨溫度的變化。結果表明，不同加壓條件的試驗土樣，其切向黏附力大小與溫度呈負相關。不同溫度水平下施加壓力越大其切向黏附力越大。加載壓力的不同對切向黏附力變化率有一定影響，200 kPa的加載壓力下，溫度從20 ℃升高至65 ℃，伊利土的切向黏附力降低25 kPa，而100 kPa下僅降低18 kPa，蒙脫土也表現(xiàn)出類似的現(xiàn)象。這說明在不同加載壓力下，高壓環(huán)境中黏土內部的孔隙水壓力更易隨溫度升高而增大，致使黏土有效應力減小量較大，切向黏附力的減小量也更大。

圖6 加壓條件對不同溫度下切向黏附力的影響

2.4 不同剪切速度下切向黏附力隨溫度的變化

圖7表示兩種土樣在Ic=0.8、壓力100 kPa以及不排水和不同剪切速度下，切向黏附力隨溫度的變化。結果表明，剪切速度越快，切向黏附力越小，切向黏附力隨溫度的變化也越小。不同剪切速度下的試驗土樣，其切向黏附力隨溫度改變在20～65 ℃時呈負相關變化，溫度升高，切向黏附力隨之下降。溫度變化對剪切速度為10 °/min時的切向黏附力影響最大，而對于50～65 ℃的蒙脫土樣，不同速度對切向黏附力基本無影響。

圖7 剪切速度對不同溫度下切向黏附力的影響

2.5 不同排水環(huán)境下切向黏附力隨溫度的變化

圖8表示兩種土樣在Ic=0.5、加壓100 kPa、剪切速率10 °/min條件下，不同排水環(huán)境時切向黏附力隨溫度的變化。結果表明，排水條件下的切向黏附力普遍大于不排水的情況，排水情況下兩種土樣切向黏附力均在20～35 ℃范圍內與溫度呈負相關，在35～65 ℃范圍內與溫度呈正相關，不排水情況下兩種土樣切向黏附力均在20～65 ℃范圍內與溫度呈負相關，這兩種趨勢表明排水環(huán)境會改變溫度與黏土切向黏附力之間的相關性。不同溫度水平下排水環(huán)境的切向黏附力均大于不排水環(huán)境的切向黏附力。一方面排水使得黏土含水率減小，增大了黏土的實際稠度指數(shù)，這使得黏土的切向黏附力有增大的趨勢；另一方面溫度升高致使黏土內部孔隙水壓力增大，有效應力減小，這使得黏土的切向黏附力有減小的趨勢，在二者的共同作用下，排水條件下的試驗曲線在35℃位置出現(xiàn)拐點的現(xiàn)象。

圖8 排水環(huán)境對不同溫度下切向粘結強度的影響

2.6 不同成分黏土切向黏附力隨溫度的變化

圖9表示兩種土樣在4種稠度指數(shù)、加壓100 kPa、剪切速率為10 °/min以及相同排水環(huán)境下的切向黏附力隨溫度的變化。結果表明，伊利土在Ic=1，0.8，0.5情況下的切向黏附力大于蒙脫土，在Ic=0.2情況下切向黏附力小于蒙脫土，但在相同稠度指數(shù)環(huán)境下，兩種土樣切向黏附力隨溫度變化的規(guī)律均相同。在排水條件下，Ic=1時，伊利土與蒙脫土的切向黏附力與溫度均呈負相關，而Ic=0.8，0.5時，二者的切向黏附力在溫度為50 ℃處出現(xiàn)拐點，Ic=0.2時，拐點出現(xiàn)在35 ℃。由2.5節(jié)的分析可知，切向黏附力與溫度的負相關關系是由溫度升高所主導，而正相關關系是由排水導致的稠度指數(shù)上升所主導，因此，結合圖9的試驗結果可以說明，土樣含水率越高，黏附力越容易受排水因素所主導，因為高含水率土樣中的水分更容易被排出，這也解釋了試驗曲線的拐點出現(xiàn)位置更早。

圖9 不同成分黏土切向黏附力隨溫度的變化

3 結 論

本文對蒙脫土和伊利土兩種試驗土樣利用單因素分析進行了多組室內試驗，測量了土樣在不同溫度下切向黏附力與稠度指數(shù)、加壓條件、剪切速度、排水環(huán)境、黏土成分的關系，研究結論如下：

(1)黏土 - 接觸面的剪切曲線特征為在初始階段顯著增大，達到峰值后下降，而后逐漸穩(wěn)定，該特征較為固定，不隨土樣礦物含量、溫度、含水量、剪切速度、排水環(huán)境的改變而改變。

(2)黏土切向黏附力在所有溫度階段均有以下特征：稠度指數(shù)越大，土樣切向黏附力越大；所加壓力越大，切向黏附力越大；剪切速度越小，切向黏附力越大；排水條件下的切向黏附力普遍大于不排水的情況。

(3)溫度改變對土樣Ic為0.8，0.5時的切向黏附力影響較大，對Ic為1，0.2時的切向黏附力影響較小。

(4)伊利土在Ic為1，0.8，0.5時的切向黏附力大于蒙脫土，在Ic為0.2時的切向黏附力小于蒙脫土，但在相同稠度指數(shù)環(huán)境下，兩種土樣切向黏附力隨溫度變化的規(guī)律均相同。

(5)排水使得黏土的切向黏附力有隨溫度增大的趨勢；溫度升高致使黏土的切向黏附力有隨溫度減小的趨勢；在二者的共同作用下，含水率越高的土樣，越容易受到排水狀態(tài)的影響，黏附力越早地隨溫度升高而出現(xiàn)拐點。