壓氣條件下泥膜進(jìn)氣值測量試驗(yàn)研究

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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(diǎn)成為開艙換刀的主要手段[1-3]。帶壓開艙實(shí)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(yàn),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(shí)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?yàn)閯傂越橘|(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(diǎn)作為進(jìn)氣值點(diǎn),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(diǎn),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(shí)測泥膜固結(jié)變形量的進(jìn)氣測量裝置,并通過試驗(yàn)研究增壓速率對泥膜進(jìn)氣值的影響。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)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(yàn)的原理為: 對泥膜在同等壓力條件下同時進(jìn)行閉氣試驗(yàn)與固結(jié)試驗(yàn),實(shí)時地將閉氣試驗(yàn)排水量減去固結(jié)試驗(yàn)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(yàn)排水量將大于固結(jié)試驗(yàn)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(yàn)裝置

試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)。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(shí)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(yàn)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(yàn)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(diǎn),適用于本試驗(yàn)。

1.3 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)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(yàn),期間實(shí)時記錄排水量變化。本試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)與固結(jié)試驗(yàn)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(yàn)壓力小于60 kPa的范圍內(nèi),由于閉氣試驗(yàn)中的泥膜未發(fā)生進(jìn)氣現(xiàn)象,閉氣試驗(yàn)中的泥膜實(shí)際上與固結(jié)試驗(yàn)中的泥膜發(fā)生了相同的固結(jié)變形,閉氣試驗(yàn)排水量與固結(jié)試驗(yàn)排水量相等; 當(dāng)試驗(yàn)壓力達(dá)到70 kPa時,閉氣試驗(yàn)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(yàn)排水量比固結(jié)試驗(yàn)排水量更大,2個試驗(yàn)的排水量曲線出現(xiàn)了分叉,此時的試驗(yàn)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(yàn)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(shí)測進(jìn)氣值誤差較小,如圖6所示。由圖6可知: 計算值與實(shí)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(shí)測值能較好地吻合,反映出泥膜進(jìn)氣的實(shí)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(yàn)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(yàn)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(yàn)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(yàn)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(shí)際工程中,可先由室內(nèi)試驗(yàn)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(diǎn),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(yàn)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。