王 超 , 朱 偉, 閔凡路 , 錢勇進(jìn)

(1. 河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室, 江蘇 南京 210098; 2. 河海大學(xué)土木與交通學(xué)院, 江蘇 南京 210098; 3. 河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院, 江蘇 南京 210098)

0 引言

由于泥水盾構(gòu)技術(shù)常常應(yīng)用于復(fù)雜地層,刀盤結(jié)餅、磨損的情況不可避免,帶壓開艙換刀技術(shù)以其無需加固地層、地質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點成為開艙換刀的主要手段[1-3]。帶壓開艙實施的關(guān)鍵在于要在開挖面形成一層致密的泥膜以起到密封作用,艙內(nèi)氣壓通過泥膜來支護(hù)開挖面,為換刀作業(yè)提供安全的操作空間[4-5]。

許多學(xué)者對泥膜的密封閉氣性能進(jìn)行了研究。Min等[6]基于室內(nèi)試驗,根據(jù)泥漿在地層中的滲透類型,將泥膜分為“泥皮型”“泥皮+滲透帶型”“滲透帶型”3種類型。姜騰等[7-8]提出將泥膜的閉氣值作為泥膜質(zhì)量的評定標(biāo)準(zhǔn),閉氣值越大泥膜閉氣性越好,并指出泥膜從閉氣到透氣的過程實際上是氣體克服水表面張力排孔隙水的過程; 另外,提出將閉氣時間作為泥膜質(zhì)量評定標(biāo)準(zhǔn),發(fā)現(xiàn)泥漿CMC添加量在0.1%以內(nèi)時,CMC能有效增加泥膜中結(jié)合水含量,減小泥膜有效孔徑,顯著提高泥膜閉氣時間。張寧等[9]發(fā)現(xiàn)泥膜閉氣過程存在壓縮變形、孔隙進(jìn)氣、排水透氣3個階段,氣壓力影響泥膜的閉氣時間與透氣失效的類型,并將泥膜透氣分為“擊穿透氣”“滲氣透氣”“干裂透氣”3種類型。泥膜在壓氣條件下首先發(fā)生固結(jié);當(dāng)氣壓達(dá)到進(jìn)氣值后,氣體進(jìn)入泥膜孔隙;隨著壓力繼續(xù)發(fā)展,氣體持續(xù)在泥膜中滲透,直至穿透泥膜,泥膜透氣失效,其中固結(jié)變形存在于泥膜閉氣的整個過程[10]。這里的進(jìn)氣值指的是在壓氣條件下,氣體進(jìn)入泥膜使之由飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)化為非飽和狀態(tài)時的氣壓值。進(jìn)氣值作為泥膜透氣失效的起始壓力值,對于泥膜閉氣性能及后續(xù)透氣過程的研究有重要意義。

目前,國內(nèi)外少有專門針對進(jìn)氣值的研究,大多是在土水特征曲線的相關(guān)研究中簡單提及。當(dāng)前進(jìn)氣值的確定主要采用參數(shù)擬合和圖像法2類間接的方法,Genuchten[11]、Fredlund等[12]都分別提出過土水特征曲線(soil water characteristic curve)方程,通過在SWCC上作圖可得到進(jìn)氣值; 另外,SWCC方程中含有與進(jìn)氣值有關(guān)的參數(shù),通過曲線擬合也可得到進(jìn)氣值。但是以這類間接方法得到的進(jìn)氣值是一個估算值,并不準(zhǔn)確。直接測量進(jìn)氣值的相關(guān)研究很少,鄭海亮等[13]采用自制的加壓排水裝置,通過測量水管水頭變化對6種陶土頭的進(jìn)氣值進(jìn)行了測量; 但該方法僅適用于剛性多孔介質(zhì),因為剛性介質(zhì)受壓不產(chǎn)生變形,水頭變化完全由進(jìn)氣產(chǎn)生,對于易變形的軟土并不適用[14]。解迎革等[15]利用土壤電導(dǎo)率和土壤含水量之間的關(guān)系,將電導(dǎo)率隨基質(zhì)吸力變化圖像上的突變點作為進(jìn)氣值點,該方法雖然適用于軟土,但需要將電極插入土體,會對土體產(chǎn)生較大擾動,且需用鹽溶液飽和土體,勢必影響進(jìn)氣值。

泥水盾構(gòu)的泥膜是由膨潤土泥漿在開挖面上滲濾形成的,具有厚度小、取樣困難、狀態(tài)軟弱、易變形等特點,現(xiàn)有方法均不適用于泥膜進(jìn)氣值的測量。為準(zhǔn)確了解泥膜的進(jìn)氣值及其在氣壓施加過程中的變化,本文自制可以實測泥膜固結(jié)變形量的進(jìn)氣測量裝置,并通過試驗研究增壓速率對泥膜進(jìn)氣值的影響。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗原理

泥膜作為一種人工形成的軟黏土,在壓氣條件下會發(fā)生固結(jié)與孔隙滲氣。固結(jié)使泥膜孔隙體積減小而產(chǎn)生排水,氣體在孔隙中滲透驅(qū)替孔隙水也會產(chǎn)生排水,因此,固結(jié)排水量與孔隙進(jìn)氣排水量共同組成了泥膜的閉氣排水量。尤其在閉氣過程的初期,氣壓低于泥膜進(jìn)氣值時,氣體無法進(jìn)入泥膜,泥膜只發(fā)生固結(jié),此時閉氣排水量等于固結(jié)排水量。本次試驗的原理為: 對泥膜在同等壓力條件下同時進(jìn)行閉氣試驗與固結(jié)試驗,實時地將閉氣試驗排水量減去固結(jié)試驗排水量,當(dāng)壓力小于進(jìn)氣值時,兩者相等,差值為0; 當(dāng)氣體進(jìn)入泥膜后,閉氣試驗排水量將大于固結(jié)試驗排水量; 當(dāng)兩者出現(xiàn)差值時,即產(chǎn)生了進(jìn)氣排水,認(rèn)為此時的氣壓力為泥膜進(jìn)氣值。

1.2 試驗裝置

試驗裝置如圖1所示。裝置的主體是2個相同的有機(jī)玻璃柱,可以模擬工作艙-開挖面-地層系統(tǒng),由空壓機(jī)及調(diào)壓裝置控制試驗壓力,并通過進(jìn)氣口施加氣壓。a、b裝置均可進(jìn)行泥漿滲透形成泥膜,其中a裝置為閉氣裝置,自下而上為排水通道、土工布、泥膜; b裝置為固結(jié)裝置,存在一塊橡膠膜,橡膠膜呈一端開口的筒狀,底部平整,膜的直徑與有機(jī)玻璃柱內(nèi)徑相當(dāng),可以箍在玻璃柱上外沿,并通過法蘭盤蓋密封,由此將氣壓轉(zhuǎn)化為面壓施加在泥膜上,進(jìn)行固結(jié)試驗。出水口處由精度0.01 g的電子天平測量排水量,并由軟件記錄實時排水量。

圖1 泥漿成膜與進(jìn)氣值測量裝置Fig. 1 Filter cake formation and AEV measuring device

有機(jī)玻璃柱底部用土工布代替了傳統(tǒng)的砂地層,用于過濾泥漿顆粒,形成泥膜。由于本試驗要求排水量精度較高,若采用砂地層,由飽和砂地層壓縮產(chǎn)生的排水量會導(dǎo)致試驗誤差; 而土工布有厚度小、不可壓縮、性質(zhì)參數(shù)已知且恒定的優(yōu)點,適用于本試驗。

1.3 試驗材料

試驗采用江寧黏土(直徑d≤0.075 mm)、湯山膨潤土與清水調(diào)配泥漿,并加入2%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的CMC溶液,按表1所示配合比調(diào)配。

表1 泥漿配方及配合比Table 1 Formula and mix proportion of slurry

泥漿配好攪勻后靜置24 h使膨潤土充分膨化,24 h后泥漿密度為1.19 g/cm3,馬氏漏斗黏度為49 s。泥漿顆粒粒徑分布由Mastersizer2000型激光粒度儀測得,如圖2所示。

試驗采用3種不同目數(shù)的土工布,由于土工布目數(shù)不同,能夠過濾的泥漿顆粒粒徑也不同,由此形成3種泥膜。土工布參數(shù)如表2所示。

表2 土工布參數(shù)Table 2 Geotextile parameters

1.4 試驗方法

首先將土工布置入a、b裝置中的有機(jī)玻璃柱底部作為濾層,加入500 g泥漿,保持室溫23 ℃,施加0.2 MPa的氣壓力持續(xù)2 h,進(jìn)行泥漿滲透成膜; 2 h后排出泥膜上表面浮漿,露出完整泥膜。土工布成膜效果如圖3所示。

圖3 土工布成膜Fig. 3 Filter cake formed by geotextile

在b裝置中下放橡膠膜,通過側(cè)壁排氣口排出橡膠膜與泥膜及玻璃柱之間的多余空氣,當(dāng)橡膠膜底與泥膜接觸后,將橡膠膜用法蘭盤密封固定; 同時,對a、b裝置施加氣壓,進(jìn)行閉氣與固結(jié)試驗,期間實時記錄排水量變化。本試驗采取逐級增壓的氣壓施加方式,增大壓力時,每級壓力梯度為10 kPa,控制每級壓力的作用時間,分別為5、20、40、60、80、100、120、140 s,由此得到增壓速率為10 kPa/5 s、10 kPa/20 s、10 kPa/40 s、10 kPa/60 s、10 kPa/80 s、10 kPa/100 s、10 kPa/120 s、10 kPa/140 s。

將3種土工布作為過濾介質(zhì),在相同條件下形成3種泥膜,按8個增壓速率施加壓力,測量泥膜在壓氣條件下的進(jìn)氣值。

2 試驗結(jié)果

2.1 泥膜在壓氣條件下的進(jìn)氣值測定

由于3種泥膜在8種壓氣條件下的排水現(xiàn)象相似,這里僅舉1個例子說明。圖4示出100目土工布作為濾層形成的泥膜在增壓速率為10 kPa/5 s的壓氣條件下閉氣試驗與固結(jié)試驗產(chǎn)生的排水情況。

圖4 泥膜排水量變化曲線Fig. 4 Changing curves for displacement of filter cake

由圖4可知: 在試驗壓力小于60 kPa的范圍內(nèi),由于閉氣試驗中的泥膜未發(fā)生進(jìn)氣現(xiàn)象,閉氣試驗中的泥膜實際上與固結(jié)試驗中的泥膜發(fā)生了相同的固結(jié)變形,閉氣試驗排水量與固結(jié)試驗排水量相等; 當(dāng)試驗壓力達(dá)到70 kPa時,閉氣試驗中的泥膜不再只發(fā)生固結(jié)變形,而是同時發(fā)生了進(jìn)氣現(xiàn)象,氣體滲透驅(qū)替出來的孔隙水使閉氣試驗排水量比固結(jié)試驗排水量更大,2個試驗的排水量曲線出現(xiàn)了分叉,此時的試驗壓力(70 kPa)即為在100目土工布下滲濾形成的泥膜在增壓速率為10 kPa/5 s的壓氣條件下的進(jìn)氣值。不同泥膜在不同壓氣條件下的進(jìn)氣值見表3。

表3 不同泥膜在不同壓氣條件下的進(jìn)氣值Table 3 AEV of different filter cakes under different pressure conditions

2.2 泥膜進(jìn)氣值計算方法

壓氣條件下,泥膜孔隙水表面呈彎曲狀,稱為彎液面。彎液面兩側(cè)的流體壓力是不連續(xù)的,通過表面張力來平衡氣壓與孔隙水壓之間的壓差,由Laplace公式可以計算出彎液面兩側(cè)壓差:

式中: Δp為彎液面微元兩側(cè)壓差,Pa;γ為表面張力系數(shù) ,N/m;R1、R2為微元的2個主曲率半徑,m。

隨著氣壓增大,彎液面將發(fā)生變形,曲率半徑減小,趨向于半球形,以此獲得更大的垂向張力來抵抗增大的氣壓力。這里認(rèn)為泥膜孔隙為圓形,在彎液面處于極限狀態(tài)時,彎液面為半球形,曲率半徑即為孔隙半徑,得到簡化的極限氣壓計算公式:

式中:p為極限氣壓,Pa;γw為水的表面張力系數(shù),25 ℃時 為7.3×10-2

N/m;r為泥膜孔隙半徑,m。當(dāng)孔隙彎液面變形達(dá)到極限狀態(tài)時,繼續(xù)增大氣壓,氣體將推動彎液面,孔隙將進(jìn)氣。由式(2)可知,不同孔隙的極限氣壓是不同的,極限氣壓與孔隙半徑成反比關(guān)系,即孔徑最大的孔隙對應(yīng)最小的極限氣壓,大孔徑的孔隙更容易進(jìn)氣。而進(jìn)氣值指的是氣體開始進(jìn)入泥膜使之由飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)化為非飽和狀態(tài)時的氣壓值,因此,理論上泥膜最大孔隙進(jìn)氣時的極限氣壓即為該泥膜的進(jìn)氣值。

將試驗中發(fā)生進(jìn)氣時的各個泥膜取出,使用美國康塔PoreMaster 60GT壓汞儀對泥膜進(jìn)行孔徑分布分析,由泥膜孔徑通過式(2)計算進(jìn)氣值。泥膜孔徑分布情況如圖5所示。

當(dāng)使用特征孔徑D90/2作為半徑代入式(2)計算時,計算進(jìn)氣值與實測進(jìn)氣值誤差較小,如圖6所示。由圖6可知: 計算值與實測值的相對誤差均在12%以內(nèi),所有數(shù)值的平均相對誤差在5%左右。

圖6 泥膜進(jìn)氣值及其相對誤差Fig. 6 AEV and its fractional error of filter cake

理論上的進(jìn)氣值應(yīng)該由D100/2代入式(2)計算得到,但若采用D100/2作為特征孔徑,此時的計算壓力表征了氣體進(jìn)入最大孔隙瞬間的氣壓,最大孔隙進(jìn)氣瞬間的進(jìn)氣量過于微小難以測量,并且過于微小的進(jìn)氣量對于泥膜的影響可以忽略。采用D90/2作為特征孔徑時,計算值與實測值能較好地吻合,反映出泥膜進(jìn)氣的實際氣壓值。

2.3 增壓速率對進(jìn)氣值的影響

不同壓氣條件下的泥膜進(jìn)氣值是不同的,且進(jìn)氣值隨增壓速率的變化呈現(xiàn)出一定的規(guī)律,如圖7所示。

圖7 不同增壓速率下泥膜的進(jìn)氣值Fig. 7 AEV of filter cake at different pressure rates

由圖7可知,總體上隨著增壓速率減小,泥膜進(jìn)氣值逐漸增大; 進(jìn)氣值增大的趨勢呈現(xiàn)兩端平緩、中間陡峭的S形。當(dāng)增壓速率為10 kPa/5 s～10 kPa/20 s時,在氣壓快速增大的壓氣條件下,泥膜在較小的壓力下就發(fā)生進(jìn)氣,進(jìn)氣值較小,且進(jìn)氣值隨著增壓速率的改變沒有明顯變化;當(dāng)增壓速率為10 kPa/40 s～10 kPa/80 s時,隨著增壓速率的減小,進(jìn)氣值有顯著的提升;當(dāng)增壓速率為10 kPa/100 s～10 kPa/140 s時,氣壓緩慢增大,在這種壓氣條件下,泥膜進(jìn)氣值較大,但進(jìn)氣值增長放緩。不同泥膜進(jìn)氣值增大倍數(shù)見表4。由表4可知: 在本試驗的增壓速率范圍內(nèi),3種泥膜的最大進(jìn)氣值均在最小值的2倍以上,說明緩慢的增壓速率能有效提升泥膜進(jìn)氣值。

表4 不同泥膜進(jìn)氣值增大倍數(shù)Table 4 Increasing multiple of AEV of different filter cakes

關(guān)于進(jìn)氣值變化的原因,本文未做進(jìn)一步研究,猜想是由于泥膜在進(jìn)氣前發(fā)生固結(jié),不同增壓速率下,泥膜產(chǎn)生的固結(jié)變形不同,從而導(dǎo)致了進(jìn)氣值的差異。氣壓增加得越慢,泥膜經(jīng)固結(jié)后變得越致密,孔徑更小,泥膜進(jìn)氣值變大。

3 結(jié) 論與討論

本文采用自制的泥膜進(jìn)氣值測量裝置,對3種泥膜在8個增壓速率下進(jìn)行試驗研究,簡單直觀地測量了不同壓氣條件下的泥膜進(jìn)氣值,得到了以下結(jié)論 。

1)泥膜在閉氣初期發(fā)生固結(jié)變形,可以由閉氣排水與固結(jié)排水的差值來辨別泥膜是否進(jìn)氣,得到泥膜進(jìn)氣值。將泥膜特征孔徑D90/2代入簡化的彎液面壓差計 算公式,可以計算得到泥膜進(jìn)氣值。

2)泥膜進(jìn)氣值隨增壓速率的減小而增大,且呈現(xiàn)出先緩慢增大,后迅速升高,最后趨于穩(wěn)定的趨勢。試驗增壓速率范圍內(nèi)的最大進(jìn)氣值在最小值的2倍以上,緩 慢的增壓速率能有效提升泥膜進(jìn)氣值。

3)本試驗中,以10 kPa/100 s的增壓速率加壓,既能有效增大泥膜進(jìn)氣值,又能節(jié)約時間,提高效率。實際工程中,可先由室內(nèi)試驗得到合理的增壓速率,再對施工 進(jìn)行指導(dǎo)。

4)進(jìn)氣是泥膜透氣失效的起始點,若泥膜進(jìn)氣值足夠大,在氣壓下泥膜將只發(fā)生固結(jié),固結(jié)又進(jìn)一步使泥膜變得致密難以進(jìn)氣,無法進(jìn)氣也就無從發(fā)生透氣失效。故提高進(jìn)氣值能有效提升泥膜閉氣性能。

本文研究還存在以下不足: 1)由于儀器精度限制,本文試驗的壓力增量為10 kPa,不夠小,使得進(jìn)氣值的測量存在誤差,使用1 kPa壓力增量會更準(zhǔn)確; 2)在得到進(jìn)氣值后,下一步應(yīng)該使用氣體流量計等測量泥膜進(jìn)氣后氣體進(jìn)入泥膜的體積,對泥膜內(nèi)的氣體滲透規(guī)律進(jìn)行研究。