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      富水砂卵石層渣土改良試驗研究

      2017-01-09 03:04:12
      四川水力發(fā)電 2016年6期
      關(guān)鍵詞:渣土膨潤土卵石

      林 富 志

      (中國水利水電第七工程局有限公司,四川 成都 610081)

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      富水砂卵石層渣土改良試驗研究

      林 富 志

      (中國水利水電第七工程局有限公司,四川 成都 610081)

      渣土改良是盾構(gòu)在富水砂卵石層中掘進改善渣土特性行之有效的方法,可以使盾構(gòu)切削下來的渣土具有好的流塑性、合適的稠度、較低的透水性和較小的摩阻力,進而減少盾構(gòu)機的過度磨損,且其良好的渣土改良效果可以使扭矩保持在一個正常范圍,能夠提高掘進效率,有效控制出土量,盡量避免因超方導致的沉降超限和塌方事故。以成都富水砂卵石層為基礎(chǔ),采用膨潤土基泥漿和高分子聚合物對現(xiàn)場施工開挖土體進行改良試驗,并對采用膨潤土和不同種類、不同比例的高分子聚合物效果進行了分析和評價,研究出比較合理的膨潤土和高分子聚合物的種類及配比。

      富水砂卵石層;渣土改良;聚合物;試驗

      1 概 述

      隨著中國地鐵建設的迅速發(fā)展,土壓平衡盾構(gòu)機在隧道掘進中被普遍運用,是目前地鐵建設中最常用的機械化技術(shù),其良好機械性能的發(fā)揮離不開效果良好的渣土改良技術(shù)。鑒于不同城市地鐵隧道建設中地層條件的多樣性,在某一地層中渣土改良的效果至關(guān)重要。

      魏康林[1]闡述了盾構(gòu)施工中采用泡沫和膨潤土改良的微觀機理,為后續(xù)添加劑的研究提供了理論依據(jù)。姜厚停等[2]研究了以砂卵石地層為對象,采用泡沫和膨潤土對砂卵石進行改良,分析得出添加劑的配比并給出了坍落度的范圍。Jancsecz等[3]和Williamson 等[4]對砂土進行了改良,也給出了坍落度的范圍。

      在盾構(gòu)施工中采用添加劑對渣土進行改良的時間較短,基本上所有的經(jīng)驗都來自于具體施工中的摸索,對添加劑的種類和用量缺少系統(tǒng)性和深入性的研究。地層的不同,添加劑種類的選取和用量亦會不同,適應不同地層的方案配比也會有很大差異。

      成都砂卵石地層抗剪能力差,摩擦角大,具有塑流性差的特點,根據(jù)這些特性,在盾構(gòu)掘進范圍地層內(nèi)取同種砂卵石進行室內(nèi)試驗,對添加不同配比添加劑的改良土進行了坍落度試驗和黏度試驗,筆者對改良效果進行了對比評價,分析了各種方案具有的優(yōu)缺點并不斷優(yōu)化了配比方案。

      2 渣土改良試驗方案的設計

      (1)試驗砂卵石的特性。

      該地層主要為中密砂卵石地層,大粒徑卵石含量較高,粒徑3 cm以上的卵石含量在50%左右。為保證坍落度試驗效果,將粒徑3 cm以上的砂卵石去除,對剩余砂卵石土的級配進行了分析,砂卵石土顆粒級配見圖1。

      試驗所用的砂卵石土為原狀土,由卵石和砂構(gòu)成,每次試驗取原狀土9 L,含水率為5%。

      圖1 試驗砂卵石土顆粒級配曲線圖

      (2)試驗方案的設計。

      試驗方案的設計目的是采用低濃度膨潤土基泥漿,通過添加高分子聚合物的方法增加泥漿的黏度和保水性,在保證改良效果的情況下降低施工成本。

      試驗采用施工中比較常用的兩種高分子聚合物PAM(聚丙烯酰胺)和CMC(羧甲基纖維素),并與單獨使用膨潤土基泥漿進行了試驗對比,設計方案分為4種:

      方案一:膨潤土基泥漿;

      方案二:膨潤土基泥漿+PAM(聚丙烯酰胺);

      方案三:膨潤土基泥漿+CMC(羧甲基纖維素);

      方案四:泡沫添加劑。

      試驗內(nèi)容見表1。

      表1 試驗內(nèi)容表

      (3)具體的實施方法。

      試驗采用鈉基膨潤土。泡沫采用盾構(gòu)施工專用泡沫劑,在實驗室中發(fā)泡制得,泡沫劑的性能指標是發(fā)泡倍率和半衰期,效果理想的發(fā)泡濃度為3%~4%。本次試驗選用的發(fā)泡劑濃度為3%,發(fā)泡倍率為18,半衰期為8 min。

      4種試驗方案如下:

      方案一:泥漿濃度分別取10%、11%、12.5%、14.3%、16.7%、20%(即 土 水 質(zhì) 量 比 分 別 為1∶10、1∶9、1∶8、1∶7、1∶6、1∶5),注入率分別取15%、20%、25%(即分別為1.35 L、1.8 L、2.25 L),進行配對試驗,共18組。

      方案二:預配濃度為1‰的PAM溶液,添加量取0.2 L、0.3 L、0.4 L、0.5 L,膨潤土溶液注入量取20%,即1.8 L,濃度取12.5%、14.3%、16.7%、20%,進行配對試驗,共16組。

      方案三:分別取CMC0.1 g、0.2 g、0.3 g、0.4 g,膨潤土溶液注入量取20%,即1.8 L,濃度取12.5%、14.3%、16.7%、20%,進行配對試驗,共16組。

      方案四:土體含水率分別選取3%、5%、7.5%和10%,泡沫注入10%,每次增加5%,至達到滿意的改良效果為止。

      (4)渣土改良試驗評價標準。

      坍落度試驗主要是為了評價改良土體的塑流性、坍落形狀及析水情況。具體評價標準如下:①坍落度值范圍為160~240 mm;②坍落形狀呈圓錐形對稱;③無明顯析水。

      攪拌試驗評價標準:攪拌電流較小,攪拌葉片上附著土體較少。

      3 土體改良試驗結(jié)果分析

      (1)膨潤土基泥漿改良試驗結(jié)果。

      通過試驗得到的不同泥漿濃度的粘度值如圖2中(a)所示,泥漿的表觀粘度和塑性粘度均隨泥漿濃度的增大而增大。泥漿濃度在超過14.3%后,其表觀粘度開始迅速增長。泥漿黏度過大,不利于泵送,增加了施工難度。從試驗數(shù)據(jù)分析得知泥漿黏度在12.5~22.5 pa·s之間,即泥漿濃度在10%~14.3%之間比價合理。保水性與泥漿中的黏土顆粒含量有關(guān),塑性黏度低會出現(xiàn)析水現(xiàn)象。

      圖2中(b)和(c)是不同注入率下泥漿濃度與電流和坍落度的關(guān)系。①攪拌電流隨泥漿濃度的增加而增加,增幅在變小,隨注入量的增加而減小。注入率為15%時,攪拌電流遠大于20%和25%時的電流,而注入率為20%和25%時卻相差不大。②注入率為20%和25%時,兩者低泥漿濃度時坍落度值相差較小,高泥漿濃度時差別明顯,坍落度隨泥漿濃度呈先緩慢增大后迅速減小的趨勢,在泥漿濃度為14.3%時達到最大。注入率為15%時改良效果不理想,坍落度值不符合標準。

      由分析可知,高濃度低注入量的泥漿黏度大,流動性差,改良效果不理想;低濃度高注入量的泥漿保水性差,容易析水,改良效果同樣不理想;泥漿濃度和注入量匹配時,會如同圖3中的形狀,改良效果理想,具有良好的塑流性。

      綜上所述,泥漿濃度為14.3%時坍落度值與濃度12.5%時的值相差不大,改良效果比較理想。從成本上考慮,泥漿濃度為12.5%(土∶水質(zhì)量比為1∶8),泥漿注入量取20%,為膨潤土泥漿改良的理想配比。

      (a)膨潤土泥漿粘度指標示意圖

      (b)膨潤土泥漿濃度與攪拌電流關(guān)系圖

      (c)膨潤土泥漿濃度與坍落度關(guān)系圖圖2 試驗指標和參數(shù)關(guān)系圖(膨潤土基泥漿)

      圖3 膨潤土泥漿改良效果圖

      (2)膨潤土基泥漿+PAM改良試驗結(jié)果。

      如圖4所示,分析圖4中(a)和(b)可知:對于同一泥漿濃度,攪拌電流隨PAM溶液添量的增加而減少,趨勢減弱,添加量為0.5 L時,電流趨于平穩(wěn),這是因為溶液中的水分對泥漿的稀釋;對于同一添加量,攪拌電流隨泥漿濃度的變大呈先減小后增大的趨勢,泥漿濃度為12.5%時達到低點。由圖4(c)和(d)可知:對于同一泥漿濃度,坍落度隨PAM溶液添加量的增加呈先增大后減小的趨勢,在添加量為0.4 L時最大;對于同一PAM溶液添加量,坍落度隨泥漿濃度的增加而變小。以上分析說明,PAM的添加量存在一個限值,超過限值則改良效果會變差。

      泥漿濃度為11.1%和10%時,泥漿的保水性差,加入PAM溶液后的泥漿體系的粘度值如圖4(e)和(f)所示,泥漿體系的表觀粘度呈先減小后增大的趨勢;塑性粘度變化不大,達到0.4 L時有變大的趨勢,保水性有所提高。

      通過試驗分析得知:泥漿低濃度時,加入PAM改良效果比較明顯,改良土體達到比較理想的狀態(tài)。

      綜上所述,泥漿濃度為10%,注入率為20%(即1.8 L)時,PAM溶液(1‰)添加比為22%(0.4 L),為PAM最優(yōu)配比。

      (3)膨潤土基泥漿+CMC改良試驗結(jié)果。

      如圖5所示,分析圖5中(a)和(b)可知:對于同一泥漿濃度,攪拌電流隨CMC添加量的增加而增大;對于同一CMC添加量,攪拌電流隨泥漿濃度的增加呈先緩慢增加后迅速增大的趨勢,泥漿濃度低,攪拌電流值增幅小。分析圖5中(c)和(d)可知:泥漿濃度高時,坍落度隨CMC添加量呈遞減的趨勢;濃度低時,坍落度呈先大后小趨勢;對于同一CMC添加量,坍落度隨泥漿濃度的增加而遞減,表明CMC在泥漿濃度較高時對土體的粘度和摩擦系數(shù)敏感性高,CMC的添加量亦存在一個限值,超過限值,改良效果會變差。

      泥漿濃度為11.1%和10%時,泥漿體系的粘度值見圖5(e)和(f),泥漿體系的表觀粘度和塑性粘度基本不變,但當其添加量達到一定數(shù)值時有變大的趨勢,保水性提高。

      通過試驗分析得知,泥漿低濃度時,加入CMC改良效果比較明顯,改良土體達到比較理想的狀態(tài)。

      圖4 試驗指標和參數(shù)關(guān)系圖(膨潤土基泥漿+PAM)

      圖5 試驗指標和參數(shù)關(guān)系圖(膨潤土基泥漿+CMC)

      綜上所述,當泥漿濃度為10%,注入率為20%(即1.8 L)時,CMC添加量為0.3 g,為CMC最優(yōu)配比。

      (4)泡沫劑改良試驗結(jié)果。

      圖6 試驗指標和參數(shù)關(guān)系圖(泡沫)

      由圖6可以看出:含水率不變,攪拌電流隨FIR(泡沫注入比)的增大呈先迅速遞減后減緩的趨勢,坍落度隨FIR的增加呈先迅速增加后減緩的趨勢,說明泡沫的添加可以降低土體的摩擦系數(shù)。

      通過數(shù)據(jù)分析可知:泡沫注入量不夠時,土體流動性差,易坍塌;泡沫注入量過多時,泡沫會析出;增大土體含水率,泡沫最佳注入比變小,利用率有所提高;土體含水率超過一定值后,泡沫改良土體效果不明顯。

      綜上所述,使用泡沫對土體進行改良受含水率的影響大;含水率為3%時,最佳FIR為30%~40%;含水率為5%時,最佳FIR為25%~30%;含水率為7.5%時,最佳FIR為15%~20%。

      4 添加不同改良劑取得的改良效果

      通過對以上4種方案進行比較分析得知:僅使用膨潤土泥漿進行改良,泥漿濃度為12.5%,注入量為20%時為理想配比。泥漿濃度過大,黏度會增大,將造成泵送困難,也不利于螺旋輸送機出土。相對而言,單獨使用膨潤土改良用量大且效果不佳。

      膨潤土泥漿濃度低時,可以通過添加高分子聚合物改善土體的保水性和粘度。PAM試驗的最優(yōu)配比為:泥漿濃度為10%(注入率為20%,即1.8 L)、PAM溶液(1‰)添加量為0.4 L; CMC試驗的最優(yōu)配比為:泥漿濃度為10%(注入率為20%,即1.8 L)、CMC添加量為0.3 g。在膨潤土泥漿中添加高分子聚合物溶液,土體特性發(fā)生明顯變化,滲透性減小,保水性明顯提高,塑流性好。通過計算得出PAM、CMC在泥漿中的質(zhì)量體積比分別為0.18 g/L和0.17 g/L,消耗量幾乎相同,但購買PAM的價格要高于CMC。因此,考慮成本因素,CMC作為添加劑的方案成為渣土改良的最優(yōu)方案。

      泡沫劑的使用能減少土體摩擦系數(shù),改善土體保水性,但泡沫劑的使用與土體的含水率有較大的關(guān)系,含水率越低,泡沫注入比會增大。

      由此可知:每種改良材料的使用均有利弊,針對砂卵石這種特殊地層,找出兩者之間的最優(yōu)配比,在工程施工中具有重要的意義,能夠在低成本的情況下達到渣土改良的理想效果。

      5 結(jié) 語

      通過對上述4種試驗進行對比分析,得到以下幾點結(jié)論:

      (1)僅使用膨潤土基泥漿,在其濃度較低時,土體保水性差;加入高分子聚合物后,土體保水性明顯提高。

      (2)在低濃度膨潤土泥漿中添加CMC,改良后的土體塑流性好且成本低。

      (3)膨潤土和高分子聚合物的使用都要適量,過量會增加改良土體的摩擦系數(shù)和粘聚力。

      (4)添加泡沫劑可減小土體的摩擦系數(shù),提高其保水性,泡沫劑的添加與土體的含水率關(guān)系明顯,含水率增加,注入率變小。當含水率超過限值時,改良效果不明顯,有析水現(xiàn)象出現(xiàn)。

      [1] 魏康林. 土壓平衡盾構(gòu)施工中泡沫和膨潤土改良土體的微觀機理分析[J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù),2007,29(1):73-77.

      [2] 姜厚停,龔秋明,杜修力. 卵石地層土壓平衡盾構(gòu)施工土體改良試驗研究[J]. 巖土工程學報,2013,35(2)2:284-292.

      [3] JANCSECZ S, KRAUSE R, LANGMAACK L. Advantages of soil conditioning in shield tunnelling: experiences of LRTS Izmir[C]// Proceedings of International Congress on Challenges for the 21st Century. Balkema, 1999: 865-875.

      [4] WILLIAMSON G E, TRAYLOR M T, HIGUCHI M. Soil conditioning for EPB shield tunneling on the south bay ocean outfall[C]// Proceedings of RETC Rapid Exaction and Tunneling Conference, 1999: 897-925.

      (責任編輯:李燕輝)

      2016-10-28

      TV7;TV41;TV42;TV523

      B

      1001-2184(2016)06-0015-05

      林富志(1983-),男,山東棲霞人,主任,工程師,碩士,從事地鐵施工技術(shù)與管理工作.

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