彭 磊， 何文敏， 暢亞文， 張繼宏， 王 闖， 趙 珀

(1. 陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 陜西 渭南 714000； 2. 陜西省高性能混凝土工程實(shí)驗(yàn)室, 陜西 渭南 714000；3. 中鐵一局集團(tuán)有限公司， 陜西 西安 050043； 4. 中鐵一局集團(tuán)城市軌道交通工程有限公司， 江蘇 無(wú)錫 214105)

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土壓平衡盾構(gòu)施工中泡沫改良礫砂土的試驗(yàn)研究

彭 磊1,2， 何文敏1,2， 暢亞文3， 張繼宏4， 王 闖1,2， 趙 珀4

(1. 陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 陜西 渭南 714000； 2. 陜西省高性能混凝土工程實(shí)驗(yàn)室, 陜西 渭南 714000；3. 中鐵一局集團(tuán)有限公司， 陜西 西安 050043； 4. 中鐵一局集團(tuán)城市軌道交通工程有限公司， 江蘇 無(wú)錫 214105)

為了解決土壓平衡盾構(gòu)在礫砂土地層掘進(jìn)過(guò)程中，土體塑流性差、刀盤(pán)及螺旋輸送機(jī)磨損嚴(yán)重和開(kāi)挖面平衡不易保持等問(wèn)題，通過(guò)自制泡沫發(fā)生器發(fā)泡，對(duì)礫砂土地層的泡沫改良技術(shù)進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)研究，分析氣液比、含水率和泡沫摻量對(duì)塑流性的影響和改良前后土樣的滲透系數(shù)的變化規(guī)律，得出泡沫發(fā)生器氣液比在30∶1～55∶1、含水率為5%～12.5%、泡沫摻量為20%～40%時(shí)，土體具有較好的塑流性，泡沫的“軸承效應(yīng)”和泡沫劑中表面活性劑的親水基團(tuán)與水、礫砂土顆粒形成的氫鍵是塑流性提高的根本原因；使用泡沫劑改良礫砂土后，滲透系數(shù)大幅降低，摻泡沫后在280 min內(nèi)滲透系數(shù)隨時(shí)間變化較小，能達(dá)到10-5cm/s，泡沫劑溶液中高分子化合物的聯(lián)結(jié)和液橋力是土樣具有堵水作用的原因。

土壓平衡盾構(gòu)； 氣液比； 泡沫發(fā)生器； 泡沫改良； 土體改良； 礫砂土； 塑流性； 滲透性

0 引言

在地鐵隧道施工中，土壓平衡盾構(gòu)以工藝先進(jìn)、施工速度快、經(jīng)濟(jì)、勞動(dòng)強(qiáng)度低、地層適應(yīng)性強(qiáng)和對(duì)環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于世界各地。土壓盾構(gòu)施工的關(guān)鍵在于將切削下來(lái)的土體調(diào)整成一種“塑性流動(dòng)狀態(tài)”[1]，但對(duì)于砂礫地層及復(fù)雜地層時(shí)，經(jīng)常會(huì)遇到“噴涌”、“結(jié)餅”、“閉塞”等一系列難題[2-3]，給施工帶來(lái)困難。解決以上難題最有效的方法是對(duì)土體進(jìn)行改良，利用泡沫改良土體是目前適用性最廣、最先進(jìn)、最有效的途徑。許有俊等[4]利用高速攪拌法、羅氏法對(duì)土體改良泡沫劑的性質(zhì)進(jìn)行了研究，得到了一種泡沫劑的合理配方。Christoph Budach等[5]根據(jù)土壓平衡盾構(gòu)發(fā)泡裝置，研制了試驗(yàn)室用泡沫發(fā)生裝置，用泡沫等添加劑對(duì)不同土樣進(jìn)行渣土改良，得到泡沫發(fā)生器和泡沫改良渣土相關(guān)的參數(shù)。鐘毅等[6]通過(guò)對(duì)渣土坍落度、壓縮和滲透等性質(zhì)進(jìn)行研究，得到泡沫和膨潤(rùn)土泥漿對(duì)砂卵石地層改良的最佳摻量。邱龑等[7]通過(guò)攪拌、壓縮、滲透和直剪試驗(yàn)，研究了泡沫對(duì)富水砂性地層的改良效果。姜厚停等[8]通過(guò)坍落度試驗(yàn)，研究了泡沫對(duì)砂礫地層的渣土改良效果。喬國(guó)剛[9]采用坍落度、滲透試驗(yàn)對(duì)泡沫改良廣州紅黏土進(jìn)行了研究，并對(duì)其機(jī)制進(jìn)行了分析。這些研究采用的發(fā)泡裝置與施工現(xiàn)場(chǎng)發(fā)泡裝置有所差別，土樣主要集中在砂性土、砂卵石和紅黏土，對(duì)泡沫劑改良礫砂土和改良機(jī)制分析較少，在施工現(xiàn)場(chǎng)，相關(guān)試驗(yàn)參數(shù)有一定的局限性。

本文依托北京地鐵16號(hào)線(xiàn)9標(biāo)盾構(gòu)試驗(yàn)施工段礫砂土地層，針對(duì)礫砂土地層結(jié)構(gòu)松散、摩擦力大、黏聚力低、塑流性差和滲透系數(shù)大等特殊性，研制了泡沫發(fā)生器和泡沫劑發(fā)泡倍率與穩(wěn)定性的測(cè)定裝置，測(cè)試了泡沫發(fā)泡倍率和半衰期，并設(shè)計(jì)了一系列室內(nèi)試驗(yàn)，研究氣液比、泡沫的性能、泡沫摻量和土體含水率對(duì)礫砂土地層塑流性和滲透性的影響，確定了合理的氣液比、泡沫摻量和含水率的范圍，并對(duì)泡沫改良礫砂土地層塑流性和滲透性的機(jī)制進(jìn)行了分析。

1 工程地質(zhì)條件

土樣取自北京地鐵16號(hào)線(xiàn)09標(biāo)盾構(gòu)試驗(yàn)施工段圓礫⑦層，將其作為典型性土樣，具體見(jiàn)圖1，將其風(fēng)干，分析土樣顆粒級(jí)配，確定其顆粒級(jí)配及組成。

圖1 礫砂土樣

圖2為顆粒級(jí)配曲線(xiàn)，由圖2可見(jiàn)，粒徑主要為0.075～60 mm，小于0.075 mm的試樣占0.24%，大于2 mm的試樣占54.3%，超過(guò)總質(zhì)量的50%，顆粒級(jí)配曲線(xiàn)較陡，說(shuō)明顆粒粒徑比較一致，級(jí)配不良，且主要集中在2～6 mm。砂占45.5%，不均勻系數(shù)Cu為18.8，曲率系數(shù)Cc為0.14，細(xì)顆粒土為8.5%，占5%～15%，故該土樣屬于級(jí)配不良含細(xì)粒土的礫砂土。

圖2 礫砂土顆粒級(jí)配曲線(xiàn)

礫砂土地層屬于力學(xué)不穩(wěn)定地層，其主要特性是結(jié)構(gòu)松散、無(wú)膠結(jié)、呈大小不等的顆粒狀，且顆粒之間的空隙大、滲透系數(shù)大、黏聚力為零。土壓平衡盾構(gòu)在該地層施工過(guò)程中，刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)切削下來(lái)的碴土塑流性差，掌子面容易失穩(wěn)，盾構(gòu)前方土層穩(wěn)定性差，容易導(dǎo)致地表發(fā)生沉陷等問(wèn)題；顆粒較大的礫石易在刀盤(pán)底部堆積，使盾構(gòu)及螺旋輸送機(jī)扭矩過(guò)大；而且由于礫石的高摩擦性、刀具與礫石的沖擊作用及碴土對(duì)刀具的抱死作用，易出現(xiàn)刀具磨損過(guò)快等問(wèn)題[10]。該地層含水率低，可以選用土壓平衡盾構(gòu)，利用泡沫劑對(duì)土體進(jìn)行改良，通過(guò)坍落度試驗(yàn)和滲透試驗(yàn)對(duì)改良效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，優(yōu)化泡沫劑使用參數(shù)，為類(lèi)似的盾構(gòu)施工提供參考。

2 試驗(yàn)儀器與試驗(yàn)方法

2.1 泡沫劑發(fā)泡裝置

根據(jù)土壓平衡盾構(gòu)中的發(fā)泡裝置，研制了在室內(nèi)進(jìn)行發(fā)泡試驗(yàn)的裝置，具體設(shè)備組成如圖3所示。泡沫發(fā)生器由進(jìn)液系統(tǒng)、泡沫混合器和氣體系統(tǒng)組成，試驗(yàn)時(shí)，首先將3%的發(fā)泡劑溶液裝入泡沫液混合箱，再使用定量泵加大發(fā)泡劑溶液的流量和壓力，輸送到發(fā)泡混合器內(nèi)，同時(shí)利用壓縮機(jī)產(chǎn)生壓縮空氣，輸送到發(fā)泡混合器與發(fā)泡劑溶液混合，充分混合后通過(guò)發(fā)泡裝置產(chǎn)生泡沫?？刂茪怏w進(jìn)口處壓強(qiáng)，調(diào)節(jié)氣體流量QF和液體流量QL，產(chǎn)生不同發(fā)泡倍率和穩(wěn)定性的泡沫。泡沫發(fā)生器指標(biāo)氣液比FER為氣體流量與液體流量的比值，計(jì)算方法見(jiàn)式(1)。

FER=QF/QL。

(1)

式中：QF為管路中流量計(jì)顯示氣體流量,m3/min；QL為管路中流量計(jì)顯示液體流量，m3/min。

圖3 泡沫發(fā)生器

2.2 泡沫劑發(fā)泡倍率與穩(wěn)定性測(cè)試裝置及測(cè)試方法

發(fā)泡倍率和半衰期是評(píng)價(jià)泡沫劑性能的2個(gè)重要指標(biāo)。發(fā)泡倍率ER是指一定體積的泡沫劑溶液產(chǎn)生的泡沫體積與原泡沫劑溶液體積的比值。泡沫劑的穩(wěn)定性通常用半衰期T1/2來(lái)表征，指一定體積的泡沫液中析出一半液體所需的時(shí)間。

根據(jù)發(fā)泡倍率和泡沫穩(wěn)定性測(cè)試原理，研制了發(fā)泡劑發(fā)泡倍率與泡沫穩(wěn)定性測(cè)試裝置，如圖4所示，包括測(cè)量天平、天平支架、帶漏網(wǎng)的量筒、燒杯和玻璃罩。試驗(yàn)時(shí)，將泡沫發(fā)生器中發(fā)出的泡沫30 s內(nèi)裝滿(mǎn)量筒，并用刮刀刮平，然后將裝有泡沫的無(wú)底量筒掛在天平底部的掛鉤處，稱(chēng)量并記錄泡沫初始質(zhì)量，由式(2)計(jì)算發(fā)泡倍率ER。泡沫裝入無(wú)底量筒時(shí)開(kāi)始記時(shí)，當(dāng)量筒內(nèi)泡沫質(zhì)量消散至初始值質(zhì)量的50%時(shí)停止記時(shí)，該時(shí)間即為半衰期T1/2。

(2)

式中： ER為發(fā)泡倍率；V為無(wú)底量筒容積，cm3；G為無(wú)底量筒內(nèi)泡沫的質(zhì)量，g；ρ為泡沫劑水溶液密度，g/cm3。

盾構(gòu)施工過(guò)程中，為了使泡沫劑具有良好的效果，需要泡沫劑溶液具有優(yōu)良的發(fā)泡能力和穩(wěn)泡性能。研究表明，半衰期大于5 min時(shí)就能滿(mǎn)足土壓平衡盾構(gòu)施工的要求[11]。

圖4 泡沫劑發(fā)泡倍率與泡沫穩(wěn)定性的測(cè)試裝置

2.3 土體改良試驗(yàn)方法及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

將一定體積風(fēng)干土樣VS放入攪拌機(jī)內(nèi)，加一定量水mL調(diào)整至實(shí)驗(yàn)所需含水率w，攪拌2 min，加入一定體積的泡沫VF，與土體攪拌約2 min，測(cè)定其“塑流性”和“滲透性”。泡沫摻入量FIR的計(jì)算公式見(jiàn)式(3)和式(4)。

(3)

式中：VF為摻入泡沫氣體體積，m3；VS為需改良風(fēng)干土體體積，m3。

(4)

式中：mL為需要加入水的質(zhì)量，kg；mS為需改良風(fēng)干土樣的質(zhì)量，kg；w為試驗(yàn)過(guò)程中改良土體的含水率，%；wS為風(fēng)干土樣的含水率，%。

“塑流性”采用坍落度試驗(yàn)測(cè)定，坍落度試驗(yàn)反映了壓力艙內(nèi)土體塑性流動(dòng)狀態(tài)，包括流動(dòng)性、黏聚性和保水性，“塑流性”直接決定了螺旋出土器能否順利排土。當(dāng)土體的坍落度保持在10～20 cm[12]時(shí)，觀察其是否離析、崩塌、析漿、失水或泡沫析出來(lái)判斷是否達(dá)到“理想的塑性流動(dòng)狀態(tài)”。

“滲透性”選用常水頭滲透試驗(yàn)測(cè)定，泡沫能夠顯著降低被開(kāi)挖土的滲透系數(shù)，泡沫土的滲透系數(shù)改良到10-5～10-6cm/s[12]能夠有效避免螺旋排土器出口處發(fā)生“噴涌”事故。

3 土體改良試驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 坍落度試驗(yàn)

3.1.1 坍落度試驗(yàn)結(jié)果的定性描述

加泡沫和水對(duì)該礫砂土進(jìn)行改良后，發(fā)現(xiàn)土樣的塑性流動(dòng)狀態(tài)與含水率和泡沫摻量相關(guān)，圖5為坍落度試驗(yàn)的定性描述，隨著含水率和泡沫摻量的增加，流動(dòng)性增加，主要表現(xiàn)為以下幾種情況：

1)含水率和泡沫摻量都較小時(shí)，在測(cè)試過(guò)程中坍落度較小、渣土干硬、黏聚性差和保水性差，“塑流性”不好；

2)含水率和泡沫摻量合適，二者在一定范圍內(nèi)，經(jīng)泡沫改良后礫土的流動(dòng)性大大增強(qiáng)，保水性大大提高，黏聚性良好，能夠達(dá)到“塑性流動(dòng)狀態(tài)”；

3)含水率較大，導(dǎo)致水損失多，流動(dòng)性大、黏聚性差、保水性差，出現(xiàn)礫砂分離，泡沫摻量大時(shí)，泡沫損失多，流動(dòng)性大、黏聚性差和保水性差；

4)含水率和泡沫摻量在一定范圍，坍落度處于邊界狀態(tài)，黏聚性和保水性較好，不符合礫砂土地層中的坍落度管理范圍為10～20 cm 的要求。

坍落度不在合適范圍、黏聚性差和保水性差，均不利于維持土壓平衡盾構(gòu)土倉(cāng)內(nèi)壓力的穩(wěn)定，螺旋排土器排土不暢或噴涌，嚴(yán)重時(shí)則無(wú)法正常推進(jìn)。故對(duì)于該礫砂土，含水率在一定范圍內(nèi)，經(jīng)泡沫劑進(jìn)行改良后，改良渣土能夠達(dá)到“塑性流動(dòng)狀態(tài)”，礫砂土易排出土倉(cāng)，滿(mǎn)足盾構(gòu)施工要求。

圖5 坍落度試驗(yàn)的定性描述

3.1.2 土壓平衡盾構(gòu)施工參數(shù)的確定

控制氣體進(jìn)口處壓強(qiáng)為0.3 MPa，泡沫劑混合液體積分?jǐn)?shù)為3%，固定液體流量，調(diào)節(jié)氣體流量，測(cè)試泡沫發(fā)生器發(fā)出泡沫的性能，通過(guò)泡沫性能和渣土“塑流性”改良結(jié)果，得到合適的氣液比，測(cè)試礫砂土在不同含水率和不同泡沫摻入量情況下，“塑流性”的變化情況，得到泡沫改良礫砂土合適的氣液比、含水率和泡沫摻入量的范圍。

3.1.2.1 氣液比的確定

表1為在含水率為5%、泡沫摻入量為20%、不同氣液比時(shí)泡沫性質(zhì)和礫砂土的塑流性變化情況。由表1可見(jiàn)，隨著氣液比增大，發(fā)泡倍率逐漸增大，泡沫連續(xù)，主要原因是隨著氣液比增大，單個(gè)泡沫的液膜壁變薄，泡沫數(shù)量增多，導(dǎo)致泡沫發(fā)泡倍率增大，液膜變薄后，重力排液速率降低，泡沫穩(wěn)定性增加；增大到一定程度時(shí)，半衰期開(kāi)始降低，這是由于氣液比較大時(shí)，泡沫連續(xù)但噴射氣流過(guò)大，導(dǎo)致泡沫不穩(wěn)定。當(dāng)氣液比接近于45∶1時(shí)，半衰期較長(zhǎng)，泡沫性能均較好，摻泡沫后坍落度隨著氣液比增大而減小，氣液比較大時(shí)，到半衰期時(shí)渣土的坍落度損失較大，主要原因是隨著氣液比增大，氣泡內(nèi)氣體增多，氣體擴(kuò)散加快，在外界擾動(dòng)下，泡沫破滅加快。當(dāng)氣液比達(dá)到63∶1時(shí)，坍落度為11.5 cm，到半衰期時(shí)，渣土發(fā)生崩塌，黏聚性差，坍落度僅為1.0 cm，主要是因?yàn)楦牧嫉牡[砂土表面被泡沫包裹，泡沫具有較大的表面積，與礫砂土顆粒充分接觸，使渣土具有較好的流動(dòng)性和黏聚性。氣液比較大時(shí)，泡沫中液體含量減小，隨著時(shí)間增長(zhǎng)，泡沫壁薄，在外力作用下易破，渣土顆粒間的泡沫破滅，且液相含量少，不能形成塑性流動(dòng)狀態(tài)，礫砂土不能黏聚在一起，測(cè)定坍落度時(shí)，直接發(fā)生坍塌，導(dǎo)致渣土坍落度損失較大；繼續(xù)增加氣液比時(shí)，渣土發(fā)生崩塌，當(dāng)繼續(xù)增加氣液比時(shí)，由于氣體流量較大，小泡沫迅速變大，泡沫變大同時(shí)會(huì)使液膜更加變薄、破裂，另外液面上的氣泡也會(huì)因泡內(nèi)的壓力比大氣壓力大而通過(guò)液膜直接向大氣排氣，氣泡破滅，氣液比增大到一定程度時(shí)，泡沫迅速破滅，且液相含量較少，礫砂土顆粒間黏聚性非常差，故直接發(fā)生崩塌。氣液比較小時(shí)，到半衰期時(shí)，渣土的坍落度損失較大，氣液比為20∶1時(shí)，坍落度為21.0 cm，到半衰期時(shí)，渣土發(fā)生崩塌，坍落度為17.0 cm，主要原因是泡沫液體流量較大時(shí)，發(fā)出的泡沫較濕，液相密度遠(yuǎn)大于氣相的密度，在重力作用下就會(huì)產(chǎn)生向下的排液現(xiàn)象，使液膜減薄，造成氣泡破裂。

因此，可推測(cè)該礫砂土當(dāng)含水率約為5%、泡沫摻入量約為20%時(shí)、氣液比在30∶1～55∶1時(shí)，適當(dāng)調(diào)整氣體流量和液體流量時(shí)可滿(mǎn)足和易性要求，但氣液比太大時(shí)，坍落度經(jīng)時(shí)損失較快。

表1 含水率為5%、摻入量為20%、不同氣液比時(shí)渣土的坍落度

3.1.2.2 泡沫摻量的選取

含水率為5%、氣液比為45∶1，摻入10%、20%、30%、40%和50%的泡沫時(shí)，測(cè)定渣土的坍落度，結(jié)果見(jiàn)表2，由表2可見(jiàn)，隨著泡沫摻量的增加，渣土的坍落度逐漸增加，到半衰期時(shí)坍落度損失較小。泡沫摻入量小于20%，渣土干硬，易發(fā)生崩塌；大于40%，黏聚性變差，保水性變差，泡沫損失多，主要原因是泡沫摻量多時(shí)，液相含量增多，到半衰期時(shí)，小氣泡破滅，變成大氣泡，氣泡液相含量增多，在重力作用下就會(huì)產(chǎn)生向下的排液現(xiàn)象，導(dǎo)致黏聚性變差，保水性變差；泡沫摻量為20%～40%時(shí)，適當(dāng)調(diào)整氣體流量或液體流量時(shí)可滿(mǎn)足和易性要求。

3.1.2.3 含水率的選取

氣液比為45∶1，摻入20%泡沫，含水率為5.0%、7.5%、10.0%、12.5%和15.0%時(shí)，測(cè)定渣土的坍落度，結(jié)果見(jiàn)表3，由表3可見(jiàn)，隨著含水率的增加，渣土的坍落度逐漸增加，到半衰期時(shí)坍落度損失較小。當(dāng)含水率大于15%時(shí)，礫砂土出現(xiàn)稀漿、砂石分離、離析，水損失多；小于5%時(shí)，渣土干硬，半衰期時(shí)，渣土崩塌；當(dāng)含水率在5%～12.5%時(shí)，適當(dāng)調(diào)整氣液比，可滿(mǎn)足和易性要求。

表2 含水率為5%、氣液比為45∶1、不同泡沫摻入量時(shí)渣土的坍落度

表3 氣液比為45∶1、泡沫摻入量為20%、不同含水率時(shí)渣土的坍落度

綜上，礫砂土樣的塑性流動(dòng)狀態(tài)與含水率、泡沫摻量和氣液比相關(guān)，進(jìn)一步優(yōu)化礫砂土的含水率和泡沫摻量范圍，圖6為不同含水率下優(yōu)化的泡沫摻入比。在圖中平行四邊行內(nèi)的含水率和泡沫摻量下，氣液比30∶1～55∶1適當(dāng)調(diào)整含水率和泡沫摻量，使含水率為5%～12.5%，泡沫摻量為20%～40%時(shí)，礫砂土能達(dá)到塑性流動(dòng)狀態(tài)，即坍落度在10～20 cm能滿(mǎn)足盾構(gòu)施工要求；當(dāng)含水率較小、泡沫摻量較低時(shí)，渣土易崩塌或太干導(dǎo)致坍落度太小，不滿(mǎn)足要求；含水率較大，泡沫摻量較大時(shí)，流動(dòng)性較大，易出現(xiàn)水砂石分離、泌水等。

圖6 不同含水率下優(yōu)化的泡沫摻入比

3.1.3 機(jī)制分析

該地層粗顆粒較多，占98.8%以上，礫石占54.3%，砂占45.5%，細(xì)粒土占0.2%。礫砂土主要成分是礫和砂，構(gòu)成礫砂的主要成分是二氧化硅，粗顆粒較多，細(xì)顆粒較少，級(jí)配不良。泡沫和水作為潤(rùn)滑劑，水主要表現(xiàn)為潤(rùn)滑“內(nèi)部”，即黏粒和粉粒，而泡沫能夠降低砂粒間的摩擦力。在未加入泡沫之前，向礫砂土中加入一定量的水時(shí)保水性很差，易出現(xiàn)礫砂分離，加入水較多時(shí)，易形成稀漿。礫砂土中注入泡沫后，礫砂土孔隙中充滿(mǎn)了微小氣泡，由于粗顆粒被氣泡包圍，相當(dāng)于給礫砂土顆粒穿上了一件帶滾珠的外衣，稱(chēng)為泡沫的“軸承效應(yīng)”[13]，當(dāng)?shù)[砂土顆粒流動(dòng)時(shí)，由于顆粒之間接觸面積變小，使得內(nèi)、外摩擦角大大減小，流動(dòng)性顯著增強(qiáng)、黏聚性和保水性變好，同時(shí)由于土的內(nèi)摩擦角降低，土的強(qiáng)度也大大降低。

一般情況下，由于砂土的滲透系數(shù)大，保水性很差，當(dāng)盾構(gòu)施加推力時(shí)，開(kāi)挖面前方砂孔隙中的水會(huì)排出，出現(xiàn)水砂分離現(xiàn)象，形成很干很硬的砂餅，嚴(yán)重影響盾構(gòu)的排土作業(yè)，而且造成刀盤(pán)的嚴(yán)重磨損以及扭矩升高。氣泡除了發(fā)揮“軸承效應(yīng)”外，同時(shí)具有保水作用。氣泡壁液膜含有水分和表面活性劑，表面活性劑分子中含親水基團(tuán)(如酯氧基、胺基和羥基等)，能與水形成氫鍵，具備一定的親水性，礫砂土主要成分是二氧化硅，能與水形成氫鍵，吸附一部分水(見(jiàn)圖7)，能夠留住相當(dāng)一部分孔隙中的水，使砂的保水性提高，水是天然的潤(rùn)滑劑，泡沫劑中表面活性劑具有潤(rùn)滑特性，能夠提高砂土的“塑流性”。因此，泡沫的“軸承效應(yīng)”和氣泡的保水性能是砂土“塑流性”提高的根本原因。

(a) 表面活性劑親水基團(tuán)與水形成氫鍵

(b) 二氧化硅與水形成氫鍵

3.2 滲透系數(shù)試驗(yàn)及機(jī)制分析

3.2.1 滲透系數(shù)試驗(yàn)

滲透系數(shù)的測(cè)定可以采用常水頭和變水頭滲透試驗(yàn)進(jìn)行，常水頭適用于砂類(lèi)土和含少量礫石的無(wú)凝聚性土，變水頭適用于細(xì)粒土。針對(duì)礫砂土地層，選用常水頭滲透試驗(yàn)測(cè)定。控制氣體進(jìn)口處壓強(qiáng)為0.3 MPa，泡沫劑溶液體積分?jǐn)?shù)為3%、含水率為5%、泡沫摻入量為30%，測(cè)定加入泡沫前后滲透系數(shù)隨時(shí)間變化規(guī)律(見(jiàn)圖8)。由圖8可知，礫砂土樣不加泡沫劑時(shí)滲透系數(shù)為2.61×10-4cm/s，改良后礫砂土的滲透土樣滲透系數(shù)為10-5～10-6cm/s，加入泡沫劑后，改良渣土的滲透性大大降低，改良后渣土的滲透性能夠滿(mǎn)足施工的技術(shù)要求。摻泡沫后在280 min內(nèi)滲透系數(shù)隨時(shí)間變化較小，大于280 min滲透系數(shù)增加較快，仍小于未加泡沫前的滲透系數(shù)，主要原因是隨著時(shí)間增長(zhǎng)，小氣泡破滅，變成大氣泡，大泡越來(lái)越大，液膜變薄，泡沫破滅，變成液體，所以滲透系數(shù)緩慢增加。

3.2.2 機(jī)制分析

礫砂土的滲透系數(shù)與顆粒大小和級(jí)配密切相關(guān)，礫砂土中的細(xì)粒含量較少，相應(yīng)的滲透系數(shù)較大。泡沫被注入到砂土的孔隙中后，礫砂土孔隙中加入了大量的封閉氣泡，封閉氣泡阻斷了孔隙水的滲流通道，達(dá)到了降低滲透的目的。礫砂土中氣泡的填充阻塞作用是砂土滲透系數(shù)降低的主要原因。圖9表示氣泡在砂土孔隙中的存在狀態(tài)。氣泡除了阻塞作用外，在礫砂土顆粒間還能夠形成液橋，產(chǎn)生液橋力，液橋力是濕顆粒產(chǎn)生團(tuán)聚現(xiàn)象的主要原因[14]。

圖8 土樣的滲透系數(shù)隨時(shí)間變化規(guī)律

圖9 氣泡在砂土孔隙中的存在狀態(tài)

泡沫劑的主要成分通常為發(fā)泡劑、表面活性類(lèi)穩(wěn)泡物質(zhì)、增黏類(lèi)穩(wěn)泡物質(zhì)和其他助劑。增黏類(lèi)穩(wěn)泡物質(zhì)分子質(zhì)量較大，屬高分子類(lèi)物質(zhì)，如羧甲基纖維素鈉和聚丙烯酰胺等[15]，這些高分子化合物能夠聯(lián)結(jié)細(xì)小砂粒使它們團(tuán)聚起來(lái)，高分子化合物能夠像細(xì)小的絲網(wǎng)一樣串聯(lián)砂粒和氣泡，使之結(jié)為整體，能夠有效阻隔水的滲透。

砂土顆粒在泡沫劑溶液中高分子化合物的聯(lián)結(jié)和液橋力的共同作用下，顆粒與顆粒之間不再只是獨(dú)立的個(gè)體，砂粒互相聯(lián)為一體，類(lèi)似于黏土顆粒，在砂土孔隙中的氣泡能更好地發(fā)揮其堵水作用。

4 結(jié)論與建議

通過(guò)自制泡沫發(fā)生器發(fā)泡，測(cè)定了泡沫半衰期和發(fā)泡倍率，研究了氣液比、含水率和泡沫摻入量對(duì)土樣的“流塑性”和“滲透性”的影響，得出了以下結(jié)論與建議。

1)氣液比對(duì)泡沫性能影響較大。氣液比增大，氣泡液膜變薄，重力排液速率降低，發(fā)泡倍率和穩(wěn)泡時(shí)間均增大，渣土的“塑流性”較好，氣液比增大到一定程度時(shí)，泡沫壁變薄，泡沫易破，半衰期降低，坍落度經(jīng)時(shí)損失較大。

2)未加泡沫前，含細(xì)粒土的礫砂不具有“流塑性”，摻入一定泡沫后，使氣液比在30∶1～55∶1、含水率為5%～12.5%、泡沫摻量為20%～40%時(shí)，適當(dāng)調(diào)整含水率、泡沫摻量和氣液比，土體具有較好的“流塑性”，根本原因是泡沫的“軸承效應(yīng)”使礫砂土顆粒間內(nèi)、外摩擦角大大減小，流動(dòng)性增強(qiáng)；泡沫劑中的表面活性劑分子結(jié)構(gòu)內(nèi)的親水基團(tuán)與水、礫砂土顆粒間形成氫鍵，使保水性和黏聚性提高。

3)使用泡沫劑改良礫砂土后，滲透系數(shù)大幅降低，滲透系數(shù)達(dá)到10-5cm/s，能夠滿(mǎn)足盾構(gòu)施工技術(shù)要求，泡沫劑溶液中高分子化合物的聯(lián)結(jié)和液橋力是土樣具有堵水作用的原因。

本文利用自制泡沫發(fā)生器發(fā)泡，固定液體流量、進(jìn)口壓力和泡沫劑體積分?jǐn)?shù)等，調(diào)節(jié)氣液比，對(duì)泡沫性質(zhì)和渣土的“塑流性”進(jìn)行了研究，建議在此基礎(chǔ)上系統(tǒng)研究泡沫發(fā)生器液體流量、氣體流量、進(jìn)口氣體壓力、泡沫劑體積分?jǐn)?shù)和泡沫混合器內(nèi)微珠填充率等對(duì)泡沫性能和渣土改良效果的影響規(guī)律，將其與土壓平衡盾構(gòu)實(shí)際掘進(jìn)過(guò)程中的相關(guān)施工參數(shù)建立聯(lián)系，為施工過(guò)程提供指導(dǎo)，避免盾構(gòu)施工中相關(guān)參數(shù)的設(shè)置主要依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)摸索。

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Experimental Study of Soil Modifying by Foam of Earth Pressure Balance Shield in Sandy Gravel Strata

PENG Lei1,2, HE Wenmin1,2, CHANG Yawen3, ZHANG Jihong4, WANG Chuang1,2, ZHAO Po4

(1.ShaanxiRailwayInstitute,Weinan714000,Shaanxi,China;2.ShaanxiProvinceEngineeringLaboratoryofHighPerformanceConcrete,Weinan714000,Shaanxi,China;3.ChinaRailwayFirstGroupCo.,Ltd.,Xi’an050043,Shaanxi,China;4.UrbanRailTransitEngineeringCo.,Ltd.ofChinaRailwayFirstGroupCo.,Ltd.,Wuxi214105,Jiangsu,China)

The sandy gravel stratum is of unfavorable plasticity and fluidity, which is sure to induce serious wear of cutterhead and screw conveyor. Moreover, the earth pressure balance is not easily maintained and the face is easy to collapse. As a result, indoor experimental study of foaming technology for sandy gravel stratum is carried out with self-made foam generator, the effects of foam expansion ratio(FER), water content and foam injection ratio (FIR) on plastic flow state are analyzed, the variation law of permeability coefficient of soil before and after improvement are studied. The slump test results indicate that the optimal conditioning parameters to achieve required plastic behavior are FER of 30∶1 to 55∶1, water content of 5% to 12.5% and FIR of 20% to 40%, and the bearing effect and the hydrogen bond between hydrophilic group of surfactant with water and gravel sand particles are main causes. The permeability can reach 10-5cm/s after using foam agent after 280 minutes; and the coupling and the liquid bridge force in the foam solution of the polymer can stop the water of soil.

earth pressure balance shield; FER; foam generator; foam improvement; soil improvement; sandy gravel; plastic flow; permeability

2017-01-12;

2017-03-07

渭南市基礎(chǔ)研究人才工程基金(2015KYJ-3-3)； 陜西省高性能混凝土工程實(shí)驗(yàn)室專(zhuān)項(xiàng)科研基金(G2015-04)

彭磊(1984—)，男，湖北十堰人，2011年畢業(yè)于石家莊鐵道大學(xué)，材料工程技術(shù)專(zhuān)業(yè)，碩士，講師，主要從事土木工程檢測(cè)技術(shù)和建筑材料的教學(xué)和研究工作。E-mail: penglei012004@163.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.05.008

U 451+.5

A

1672-741X(2017)05-0571-07