泥漿固相材料含量對泥漿懸浮能力的影響

戴亞軍，姜克寒，王文，陳云，周中，劉撞撞

（1.長沙市軌道交通集團有限公司，長沙 410000；2.中國水利水電第八工程局有限公司，長沙 410004；3.中南大學(xué)土木工程學(xué)院，長沙 410075）

0 引 言

泥漿是指細顆粒土與水以及外加劑混合攪拌而成的分散體系，因其性能優(yōu)良、造價低廉、取材方便等優(yōu)點，近年來在土木工工程領(lǐng)域得到了大范圍的應(yīng)用[1-2]。19世紀(jì)70年代，日本首次結(jié)合泥水加壓系統(tǒng)研發(fā)了泥水平衡盾構(gòu)，泥漿首次被用于盾構(gòu)隧道的施工[3]。泥水盾構(gòu)隧道施工過程中，泥漿可在隧道掌子面形成一層滲透系數(shù)較小的泥膜，提供隧道掌子面的支護壓力，保障隧道開挖面的穩(wěn)定性，所以泥漿在泥水盾構(gòu)隧道的施工過程中起到了關(guān)鍵性作用[4]。

目前國內(nèi)外對于泥水盾構(gòu)所用泥漿特性的研究較多，大多都是通過泥漿性能試驗及模擬盾構(gòu)施工過程中泥漿在地層中的滲透試驗，對泥漿基本特性及在地層中的成膜性能進行研究分析，如：文獻[5-8]對砂卵石地層中泥水盾構(gòu)泥漿適用性進行研究分析，得到了適用于砂卵石地層中泥水盾構(gòu)施工所用的泥漿及配比；吳煊鵬等分析泥漿指標(biāo)的變化情況，進行了黃河蘭州段砂卵石地層下泥漿的調(diào)制研究，取得了較好效果[9]；倪紅娟等利用顆粒離散元模擬泥水盾構(gòu)在沙土地層中掌子面泥模的形成情況，認為泥漿黏度、地層級配以及地層滲透系數(shù)在很大程度上影響泥膜的形成[10]；韓曉瑞等通過室內(nèi)試驗對泥漿特性對隧道開挖面形成泥膜質(zhì)量的影響進行研究分析，發(fā)現(xiàn)黏度大的泥漿可以在隧道掌子面形成滲透系數(shù)小、質(zhì)量高的泥膜，隧道開挖面越穩(wěn)定[11]；劉光軍等通過添加各種摻料進行泥水平衡盾構(gòu)泥漿配制試驗，研究不同摻料對泥漿性能和經(jīng)濟指標(biāo)的影響規(guī)律[12]。

綜合既有研究文獻來看，泥水盾構(gòu)所用泥漿性能的研究大多集中在泥漿對地層滲透形成泥膜的質(zhì)量方面，對泥漿渣土懸浮能力方面的研究較少。并且傳統(tǒng)的泥漿懸浮能力試驗通過測量沉淀在泥漿底部渣土的質(zhì)量的方法測定[13]，難以進行人為控制，造成試驗誤差相對較大，而且無法給出量化泥漿懸浮能力指標(biāo)。因此精確測定泥漿懸浮能力，并對泥漿種類、泥漿配比、泥漿性能指標(biāo)與泥漿懸浮能力的關(guān)系進行研究分析十分必要。

1 試驗方案設(shè)計

1.1 試驗裝置

本文實驗所用儀器為自制的分層測量泥漿中渣土懸浮量的泥漿懸浮能力測定裝置、烘箱、篩子、泥漿攪拌器、量筒和精密電子秤。泥漿懸浮能力測定裝置包括一側(cè)有排漿孔的量筒，頂蓋和孔塞，量筒直徑為 100 mm，高600 mm，每隔50 mm設(shè)置1個斜向下的排漿孔，一共10個，并配有孔塞，此裝置的立面和剖面示意如圖1所示，室內(nèi)試驗實景如圖2所示。

圖2 泥漿懸浮能力測試裝置實景

1.2 試驗方案

1）配置泥漿：分別以黏土、膨潤土和二者混合物為固相材料，并以固相材料的配比為變量，每組配置3500 mL泥漿，依次進行編號；

2）砂土篩分：取天然河砂土，進行篩分、沖洗以及烘干后，得到直徑為0.25 mm≤d≤0.5 mm的砂粒作為試驗所用渣土，每組實驗渣土摻入量為30 g；

3）泥漿的渣土懸?。捍蜷_泥漿懸浮能力測試裝置頂蓋，用孔塞將除頂部排漿孔以外的每個排漿孔封堵，將砂土與配置好的泥漿溶液倒入量筒中，多余的泥漿從頂部排漿孔排出，保障每組試驗?zāi)酀{渣土懸浮液體積的恒定，然后用孔塞封堵頂部排漿孔，利用攪拌器將砂土均勻分散在泥漿中，最后蓋上量筒頂蓋，搖晃均勻后將泥漿懸浮能力測試裝置豎直放置，靜置5 min；

4）泥漿砂土懸浮液分層獲?。耗酀{砂土懸浮液靜置5 min后，打開量筒頂蓋，首先從上到下打開第二個排漿孔，利用泥漿盆盛放排漿孔中流出的泥漿砂土懸浮液，然后從上到下依次打開排漿孔，分別獲取每層泥漿砂土懸浮液；

5）分層泥漿懸浮砂土量獲?。簩⒌玫降哪酀{砂土懸浮液利用孔徑為0.25 mm的篩分篩將砂粒從泥水中分離出來，并用清水清洗干凈，然后將每層泥漿砂土懸浮液分離出來的砂土分別放置在不同的鐵盒中，放入烘箱進行烘烤12 h，最后利用精密電子秤分別稱取每層泥漿中砂土的懸浮量；

6）泥漿懸浮能力評價：計算每層泥漿中砂土的懸浮量占砂土總投放量的百分比，繪制每層泥漿懸浮砂土百分比隨深度的變化曲線圖，通過計算本組泥漿中分層懸浮砂土量占砂土總投放量百分比的標(biāo)準(zhǔn)差，對泥漿懸浮能力進行量化分析。至此完成此組泥漿懸浮能力測量；

7）換下一組泥漿，重復(fù)以上步驟進行試驗分析。

2 試驗結(jié)果分析

根據(jù)自制泥漿懸浮能力測試裝置的體積，再依據(jù)泥漿前期性能試驗配比，每組配置3500 mL的泥漿，每組泥漿摻入30 g篩分好的砂土，充分攪拌，作為泥漿懸浮能力試驗所用泥漿砂土混合液。

2.1 黏土固相材料泥漿懸浮能力試驗

為了研究黏土固相材料泥漿的渣土懸浮能力，并分析泥漿黏土固相材料配比和基本性能與懸浮能力的關(guān)系。配置以黏土固相材料含量為變量的6組黏土固相材料泥漿進行試驗，具體的試驗材料配比如表1所示。

表1 黏土固相材料泥漿砂土混合液配制

泥漿懸浮能力測量裝置每層從上到下由1～10依次進行編號，每層高50 mm，懸浮能力試驗所得到的各組黏土固相材料泥漿中每層泥漿砂土混合液懸浮砂土的質(zhì)量如表2所示。

表2 黏土固相材料每層泥漿懸浮砂土的質(zhì)量單位：g

以黏土固相材料泥漿渣土懸浮能力測量裝置分層號為橫坐標(biāo)，每層泥漿懸浮渣土量占渣土總投放量的百分比為縱坐標(biāo)，建立不同深度處分層泥漿渣土懸浮量占比曲線，如圖3所示。

由圖3可以發(fā)現(xiàn)，對于黏土固相材料泥漿，各組泥漿都出現(xiàn)了明顯的渣土沉淀現(xiàn)象，不同深度處各層泥漿懸浮渣土量占比曲線在底層具有明顯的拐點，且除底層外上層泥漿懸浮渣土量較少，表明黏土固相材料泥漿的懸浮能力較差。隨著泥漿的比重增大，泥漿懸浮能力有一定的提升，但黏土含量對泥漿黏度的影響較小，使得黏土配比對泥漿懸浮能力的增強作用不明顯。

圖3 黏土固相材料每層泥漿懸浮渣土量占比曲線

2.2 膨潤土固相材料泥漿懸浮能力試驗

為了研究膨潤土固相材料泥漿的懸浮能力，并分析膨潤土固相材料配比和基本性能與泥漿渣土輸送能力的關(guān)系，配置以膨潤土固相材料含量為變量的6組膨潤土固相材料泥漿進行試驗，具體的試驗材料配比如表3所示。

表3 膨潤土固相材料泥漿砂土混合液配制

膨潤土固相材料泥漿懸浮能力試驗所得到的各組泥漿中每層泥漿砂土混合液中懸浮砂土的質(zhì)量如表4所示。

以膨潤土固相材料泥漿渣土懸浮能力測量裝置分層號為橫坐標(biāo)，每層泥漿懸浮渣土量占渣土總投放量的百分比為縱坐標(biāo)，建立不同深度處分層泥漿渣土懸浮量占比曲線，如圖4所示。

表4 膨潤土固相材料每層泥漿懸浮砂土的質(zhì)量單位：g

圖4 膨潤土固相材料每層泥漿懸浮渣土量占比曲線

由圖4可以發(fā)現(xiàn)，對于膨潤土固相材料泥漿，膨潤土配比較小的各組泥漿出現(xiàn)了明顯的渣土沉淀現(xiàn)象，表明膨潤土配比較小時泥漿的懸浮能力較差，但隨著泥漿中膨潤土固相材料配比的增加，泥漿的渣土懸浮能力得到較大的提高。表明膨潤土對增大泥漿的黏度作用較為明顯，隨著膨潤土固相材料含量的增加，泥漿的黏度顯著增加，使得泥漿渣土懸浮能力大幅度提升。

2.3 混合固相材料泥漿懸浮能力試驗

為了研究黏土和膨潤土混合固相材料泥漿的渣土懸浮能力，并分析泥漿混合固相材料配比和基本性能與懸浮能力的關(guān)系。配置以混合固相材料含量為變量的6組混合固相材料泥漿進行試驗，具體的試驗材料配比如表5所示。

表5 混合固相材料泥漿砂土混合液配制

混合固相材料泥漿懸浮能力試驗所得到的各組泥漿中每層泥漿砂土混合液中懸浮砂土的質(zhì)量如表6所示。

表6 混合固相材料每層泥漿懸浮砂土的質(zhì)量單位：g

以混合固相材料泥漿渣土懸浮能力測量裝置分層號為橫坐標(biāo)，每層泥漿懸浮渣土量占渣土總投放量的百分比為縱坐標(biāo)，建立不同深度處分層泥漿渣土懸浮量占比曲線，如圖5所示。

由圖5可以看出，對于混合固相材料泥漿，隨著泥漿中混合固相材料配比的增加，泥漿的渣土懸浮能力隨之提高，渣土在裝置底層的沉淀量逐步減小，上層泥漿渣土懸浮量隨之增大，泥漿分層懸浮渣土量占比曲線趨于平緩，底層渣土質(zhì)量拐點坡度逐漸降低。對于黏土和膨潤土混合固相材料泥漿，可以通過增大的膨潤土配比增大泥漿的黏度，從而增強泥漿的渣土懸浮能力，便于泥漿渣土輸送系統(tǒng)的工作，通過增大黏土的配比增大泥漿的比重，從而提供泥水盾構(gòu)在掌子面形成致密泥膜所需的細小土顆粒，保障隧道掌子面的穩(wěn)定性。因此可以發(fā)現(xiàn)混合固相材料泥漿更加適合泥水平衡盾構(gòu)隧道的施工。

圖5 混合固相材料每層泥漿懸浮渣土量占比曲線

3 泥漿懸浮能力評價指標(biāo)

本文根據(jù)同一組泥漿不同深度各層泥漿懸浮渣土量占渣土總投放量百分比的標(biāo)準(zhǔn)差，作為評價該組泥漿渣土懸浮能力的指標(biāo)。標(biāo)準(zhǔn)差越小表明不同深度處各層泥漿懸浮渣土量越均勻，底層泥漿中渣土沉淀量越小，上層泥漿中渣土懸浮量越多，泥漿的懸浮能力越強。標(biāo)準(zhǔn)差計算公式如式（1）所示：

其中，S為標(biāo)準(zhǔn)差；n為泥漿懸浮能力測量裝置的分層數(shù)；xi為各層泥漿懸浮渣土量占渣土總投放量的百分比；μ為其平均值。

將試驗監(jiān)測數(shù)據(jù)代入式（1）可以得到不同配比的三種固相材料泥漿在不同深度處各層泥漿懸浮渣土量占渣土總投放量百分比的標(biāo)準(zhǔn)差，如表7所列。

表7 各層泥漿懸浮渣土量占渣土總投放量百分比的標(biāo)準(zhǔn)差

由表7可以看出，泥漿的渣土懸浮能力隨著固相材料含量的增大而增強，并且相同固相材料配比下膨潤土固相材料泥漿懸浮能力＞混合固相材料泥漿＞黏土固相材料泥漿，當(dāng)固相材料含量為120 g時，膨潤土固相材料泥漿懸浮能力評價指標(biāo)為0.035，而黏土固相材料泥漿懸浮能力評價指標(biāo)為0.137，混合固相材料泥漿懸浮能力評價指標(biāo)為0.071，介于二者之間。

4 結(jié) 論

本文通過自制的泥漿渣土懸浮能力測量裝置，進行不同類型泥漿中固相材料配比對泥漿渣土懸浮能力測量實驗，得出的主要結(jié)論有：

1）泥漿中黏土和膨潤土含量的增大均有提升泥漿懸浮能力的作用，但隨著膨潤土含量的增加泥漿渣土懸浮能力的提升效果較為明顯，而黏土含量對泥漿懸浮能力的影響較小。

2）相同固相材料配比下膨潤土固相材料泥漿懸浮能力＞混合固相材料泥漿＞黏土固相材料泥漿。

3）增大的膨潤土配比可增大泥漿的黏度，增強泥漿的渣土懸浮能力，增大黏土的配比增大泥漿的比重，保障隧道掌子面的穩(wěn)定性，因此混合固相材料泥漿更加適合泥水平衡盾構(gòu)隧道的施工。