考慮溫度效應(yīng)的盾構(gòu)法黏土-金屬界面黏附力試驗(yàn)

楊 益， 譚 超， 李興高

(北京交通大學(xué) a. 城市地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室； b. 土木建筑工程學(xué)院, 北京 100044)

隨著我國大城市地面交通負(fù)荷的日益加重，地下空間的開發(fā)利用就成為了推動城市功能升級和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素。盾構(gòu)法以施工速度快、安全、對土體擾動小等技術(shù)優(yōu)勢在地下空間開發(fā)利用中廣泛應(yīng)用。然而，在盾構(gòu)機(jī)工作過程中刀盤與土體接觸位置，由于摩擦效應(yīng)會產(chǎn)生大量熱量，若遇到黏土地層，極易黏附刀盤造成堵塞問題，這直接影響到工程建設(shè)的安全性、盾構(gòu)設(shè)備的耐久性和施工過程組織管理[1]。因此，探究溫度效應(yīng)對黏土與盾構(gòu)刀盤界面的黏附性能十分重要。

在黏土黏附機(jī)理研究上，研究者們從不同角度提出不同的理論和學(xué)說，以解釋和說明土黏附的現(xiàn)象與規(guī)律。Tsubakihara等[2]指出了黏附剪切與界面粗糙度相關(guān)的三類模式。Kooistra等[3]提出了黏土與金屬表面剪切可能發(fā)生的兩種情況，如果施加的剪切力大于黏土剪切強(qiáng)度，但是小于黏土與金屬的黏附剪切強(qiáng)度，堵塞就會發(fā)生。Thewes[4]提出了黏土的堵塞問題可以細(xì)化為四種單一的相互作用機(jī)制。為此，Thewes[5]設(shè)計了測試黏土拉伸黏附力的試驗(yàn)裝置，研究了土樣性質(zhì)、土樣浸潤時間、接觸時長，以及浸潤液特性對黏附特性的影響。楊益等[6]利用圓錐拉伸黏附實(shí)驗(yàn)，考慮黏附力和黏附量2個因素建立了土壓盾構(gòu)堵塞風(fēng)險評價方法。Zimnik等[7]通過特殊的直剪試驗(yàn)探究了土與鋼之間的黏附剪切規(guī)律，認(rèn)為黏土礦物成分、黏粒含量、接觸面粗糙度、接觸時間、壓力和含水率是影響接觸面破壞的主要因素。Zumsteg等[8]設(shè)計了更為復(fù)雜的切向黏附力測試方法，并通過攪拌試驗(yàn)和圓盤剪切試驗(yàn)，研究了泡沫劑和分散劑對黏土剪切作用的影響規(guī)律。Liu和Wang等[9,10]利用類似的圓盤剪切試驗(yàn)，探究了分散劑的作用機(jī)理，研究表明分散劑可降低黏土的液限含水率，而對塑限含水率基本無影響，同時相同稠度指數(shù)下，黏附強(qiáng)度基本一致。緊接著，Zumsteg等[11]對圓盤剪切試驗(yàn)進(jìn)行了改造，研發(fā)了泥水盾構(gòu)掘進(jìn)試驗(yàn)裝置，進(jìn)一步測試了改良劑對粘結(jié)效果的影響。進(jìn)一步地，方勇等[12]開發(fā)了室內(nèi)面板式刀盤掘進(jìn)模擬裝置用以探索盾構(gòu)掘進(jìn)速度和刀盤扭矩的變化規(guī)律及其與刀盤堵塞之間的相關(guān)關(guān)系。以上研究重點(diǎn)關(guān)注于土樣性質(zhì)對黏附特性的影響，而在溫度效應(yīng)的影響方面，Azadegan等[13]采用自主設(shè)計的儀器，測試了不排水條件下黏土與金屬接觸面黏附力大小隨環(huán)境溫度在5～30 ℃變化范圍內(nèi)的關(guān)系，結(jié)果表明溫度與黏土黏附力呈負(fù)相關(guān)。

從以上研究可以看出，當(dāng)前對黏土黏附力的試驗(yàn)研究大多未考慮溫度場的影響，考慮溫度作用的研究并未考慮其他因素的共同作用。實(shí)際工程中，盾構(gòu)掘進(jìn)面臨的環(huán)境是復(fù)雜多樣的，涉及多種影響因素的共同作用，很有必要開展相應(yīng)試驗(yàn)研究。采用自制的試驗(yàn)裝置，考慮溫度與其他因素(接觸面壓力、剪切速度、含水量、礦物含量、排水環(huán)境)共同作用，試驗(yàn)研究了黏土-金屬面切向黏附力的變化規(guī)律，對實(shí)際工程中盾構(gòu)刀盤與黏土間黏附作用的應(yīng)對和治理有一定的指導(dǎo)和參考價值。

1 黏土-鋼接觸面剪切試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

黏土通常由各種黏土礦物的混合物組成，其力學(xué)性質(zhì)在很大程度上取決于其所包含的黏土礦物成分。為使試驗(yàn)土成分明確，簡易可控，試驗(yàn)中采用人工配土。本試驗(yàn)采用高純度伊利土和蒙脫土。試樣土的外觀形狀如圖1所示，技術(shù)參數(shù)如表1所示。兩種土樣主要成分均為硅鋁酸鹽，絕大部分成分是SiO2與Al2O3，蒙脫土含有少量MgO，K2O，CaO，F(xiàn)e2O3，伊利土含有少量K2O。采用落錐法測定了黏土的液塑限，并對測定結(jié)果進(jìn)行了分析。以17,2 mm錐入土樣的含水量分別對應(yīng)液限和塑限。對兩種土樣分別測試，結(jié)果如表2所示。

圖1 試驗(yàn)土樣外觀

表1 試驗(yàn)土樣的主要特征

表2 試驗(yàn)土成分及部分物理指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

黏附試驗(yàn)采用自主設(shè)計的恒溫黏附剪切儀，如圖2所示。試驗(yàn)設(shè)備由4個部分組成：旋轉(zhuǎn)剪切系統(tǒng)、恒溫壓力倉、加壓系統(tǒng)以及旋轉(zhuǎn)動力及測試系統(tǒng)，其中恒溫壓力倉的剖面見圖3所示。恒溫壓力倉外層加水，以水為導(dǎo)熱介質(zhì)通過加熱裝置對水進(jìn)行加熱以達(dá)到壓力倉內(nèi)的恒溫環(huán)境，壓力倉內(nèi)放置土樣，由空氣壓縮機(jī)提供恒定氣壓環(huán)境，用以模擬盾構(gòu)渣土所處的壓力環(huán)境。土樣與旋轉(zhuǎn)剪切軸面(模擬刀盤表面)直接接觸，旋轉(zhuǎn)剪切軸直徑和高度分別為75，200 mm，由不銹鋼制成，表面粗糙度為3.2 μm。旋轉(zhuǎn)軸由減速電機(jī)驅(qū)動，其轉(zhuǎn)速由伺服電機(jī)驅(qū)動器控制并保持恒定。電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩為3.5 N·m，經(jīng)減速機(jī)放大后為126 N·m，通過輸出電機(jī)實(shí)時扭矩用以換算黏附力，換算關(guān)系如式(1)所示，輸出黏附力的精度為1 kPa。

(1)

式中：τ為土壤剪切應(yīng)力；T為實(shí)測扭矩；D為旋轉(zhuǎn)剪切軸直徑；H為土樣高度。

圖2 黏附力測試儀

圖3 黏附力測試儀剖面

1.3 試驗(yàn)方案設(shè)計

本次試驗(yàn)?zāi)M閉胸式盾構(gòu)施工過程中，土體對刀盤的黏附作用。因此，試驗(yàn)因素除了溫度外。還包括了接觸面壓力、剪切速度、含水量和礦物含量。試驗(yàn)過程中，為驗(yàn)證部分實(shí)驗(yàn)組土樣黏附力隨溫度變化出現(xiàn)拐點(diǎn)的現(xiàn)象可能與含水量變化有關(guān)，后又將排水環(huán)境納入試驗(yàn)因素中。具體試驗(yàn)因素及水平如表3所示。表3中各因素水平的選擇說明如下。

表3 黏土黏附試驗(yàn)因素及水平

(1)稠度指數(shù)Ic

當(dāng)稠度指數(shù)Ic小于0.4時，不能保證螺旋輸送機(jī)的氣密性，而稠度指數(shù)Ic過高時，土體由于太硬而不能作為支撐介質(zhì)。因此，選定試驗(yàn)土的稠度指數(shù)Ic為0.2～1.0，探討此范圍內(nèi)切向黏附力與稠度指數(shù)之間的關(guān)系。稠度指數(shù)通過在試樣中加水改變土樣含水率來完成，稠度指數(shù)的含水率按式(2)換算后，結(jié)果如表4所示。

W=WL-IcIp

(2)

式中：W為實(shí)際含水率；WL為液限；Ip為黏土塑性指數(shù)。

表4 試驗(yàn)土樣含水率 %

(2)溫度

文獻(xiàn)[14]表明，在正常工作情況下，盾構(gòu)刀盤上的最高溫度一般為40～50 ℃，同時兼顧到非正常情況，選定的試驗(yàn)溫度為20～65 ℃，通過溫度控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。通過預(yù)設(shè)目標(biāo)溫度控制加熱棒的加熱進(jìn)程，在土樣內(nèi)布置溫度傳感器，實(shí)時反饋溫度數(shù)據(jù)，當(dāng)土樣溫度達(dá)到目標(biāo)溫度時，停止加熱進(jìn)程，反之，則自動開啟加熱進(jìn)程，保證剪切過程中土樣溫度始終維持在預(yù)設(shè)溫度附近，誤差小于0.1 ℃。

(3)加壓條件

試驗(yàn)?zāi)M盾構(gòu)掘進(jìn)時的刀盤工作情況，通過對上部裝置的附加荷載來實(shí)現(xiàn)加壓的目的。對土樣施加的法向力分別為100，200 kPa，試驗(yàn)裝置密封后借助空氣壓縮機(jī)加入氣壓完成。

(4)旋轉(zhuǎn)速率

試驗(yàn)葉片裝置直接通過剛性軸施加扭矩，并且使用電動傳感器測量扭矩，葉片以恒定速度轉(zhuǎn)動，根據(jù)ASTM D4648-00標(biāo)準(zhǔn)[15]，剪切速度范圍應(yīng)在10～30 °/min，因此本試驗(yàn)選定旋轉(zhuǎn)速度為10，20，30 °/min，通過旋轉(zhuǎn)及測試系統(tǒng)調(diào)速達(dá)到與土樣的相對運(yùn)動速度。

(5)排水條件

排水試驗(yàn)裝樣前在土樣下方加不銹鋼板與透水石保證土樣排水，不排水實(shí)驗(yàn)前將不銹鋼板與透水石取出。利用單因素分析方法進(jìn)行試驗(yàn)，各組試驗(yàn)的因素水平方案情況如表5所示，表5中因素水平序號與表3中水平序號相對應(yīng)。

1.4 試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)按照以下步驟進(jìn)行：

表5 因素水平方案

(1)將土樣與預(yù)先確定的水量混合，為防止水分蒸發(fā)將其放置在密封容器中保存24 h，使土樣與水分充分混合；

(2)將與水分充分混合的土樣按重量等分為6份，分6次填入到試驗(yàn)裝置圓筒內(nèi)，分層壓實(shí)，每層厚度應(yīng)一致，約為2 cm；

(3)試驗(yàn)裝置外層加入水，連接好溫度加熱系統(tǒng)，銅棒開始加熱直到水溫到達(dá)預(yù)期溫度，由于導(dǎo)熱需一定時間，所以水溫達(dá)到預(yù)定值后需靜置2 h，使得溫度充分傳遞到裝置內(nèi)層土樣中；

(4)通過無油靜音空氣壓縮機(jī)向試驗(yàn)裝置內(nèi)部土樣試樣施加所需的壓力，使用IR2010-02BG氣壓調(diào)節(jié)閥將壓力穩(wěn)定5 min，此時土樣豎向位移變得穩(wěn)定；

(5)操控電機(jī)，以設(shè)定的速度旋轉(zhuǎn)中心軸，每1 s輸出一次扭矩，每次測量持續(xù)2 min；

(6)試驗(yàn)結(jié)束后拆除電機(jī)與剪切機(jī)的連接，測量土樣高度，以便后續(xù)計算扭矩；

(7)記錄電機(jī)扭矩值，按照公式(1)計算1切向黏附力。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 剪切曲線

圖4為Ic=0.8、加壓條件為100 kPa、剪切速率為30 °/min的蒙脫土與伊利土兩種土樣的剪切曲線，圖中x軸為中心旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)角度，y軸為土樣溫度，z軸為黏土與金屬面切向黏附力。如圖4所示，在剪切過程中，黏土-接觸面切向黏附力在初始階段顯著增大，達(dá)到峰值后下降，而后逐漸穩(wěn)定。不同土樣以及不同溫度的試樣組所測剪切曲線特征相同，選取每條曲線的峰值定義為該土樣的切向黏附力。

圖4 試樣剪切曲線

2.2 不同稠度指數(shù)下切向黏附力隨溫度的變化

圖5給出了兩種土樣在壓力100 kPa、剪切速度10 °/min以及不排水條件下，土樣不同稠度指數(shù)時的切向黏附力隨溫度的變化。結(jié)果顯示，不同溫度水平下，稠度指數(shù)越大其切向黏附力越大，在Ic值為1.0，0.8，0.5的情況下，伊利土的切向黏附力高于蒙脫土，而對于Ic值為0.2的情況，規(guī)律恰恰相反。不同稠度指數(shù)Ic下的試驗(yàn)土樣，隨著溫度升高，切向黏附力隨之減小，對于Ic值為1.0，0.8，0.5的試樣，伊利土和蒙脫土的切向黏附力每升高15 ℃減小約5 kPa，而對于Ic值為0.2的試樣，伊利土和蒙脫土的切向黏附力均未表現(xiàn)出明顯減小，說明當(dāng)含水率較高時，溫度對切向黏附力的影響并不顯著。根據(jù)Moritz[18]提出的理論，溫度升高會使黏土內(nèi)部孔隙水壓力增大，這可歸因于顆粒與孔隙水熱膨脹系數(shù)的差異，孔隙水壓力的升高減小了黏土的有效應(yīng)力，進(jìn)而導(dǎo)致黏土與金屬面的實(shí)際接觸壓力降低，這也解釋了在不排水條件下切向黏附力隨溫度減小的現(xiàn)象。

圖5 含水量對不同溫度下切向粘結(jié)強(qiáng)度的影響

2.3 不同加壓條件下切向黏附力隨溫度的變化

圖6表示兩種土樣在Ic=1、剪切速度10°/min以及不排水和不同加壓條件下切向黏附力隨溫度的變化。結(jié)果表明，不同加壓條件的試驗(yàn)土樣，其切向黏附力大小與溫度呈負(fù)相關(guān)。不同溫度水平下施加壓力越大其切向黏附力越大。加載壓力的不同對切向黏附力變化率有一定影響，200 kPa的加載壓力下，溫度從20 ℃升高至65 ℃，伊利土的切向黏附力降低25 kPa，而100 kPa下僅降低18 kPa，蒙脫土也表現(xiàn)出類似的現(xiàn)象。這說明在不同加載壓力下，高壓環(huán)境中黏土內(nèi)部的孔隙水壓力更易隨溫度升高而增大，致使黏土有效應(yīng)力減小量較大，切向黏附力的減小量也更大。

圖6 加壓條件對不同溫度下切向黏附力的影響

2.4 不同剪切速度下切向黏附力隨溫度的變化

圖7表示兩種土樣在Ic=0.8、壓力100 kPa以及不排水和不同剪切速度下，切向黏附力隨溫度的變化。結(jié)果表明，剪切速度越快，切向黏附力越小，切向黏附力隨溫度的變化也越小。不同剪切速度下的試驗(yàn)土樣，其切向黏附力隨溫度改變在20～65 ℃時呈負(fù)相關(guān)變化，溫度升高，切向黏附力隨之下降。溫度變化對剪切速度為10 °/min時的切向黏附力影響最大，而對于50～65 ℃的蒙脫土樣，不同速度對切向黏附力基本無影響。

圖7 剪切速度對不同溫度下切向黏附力的影響

2.5 不同排水環(huán)境下切向黏附力隨溫度的變化

圖8表示兩種土樣在Ic=0.5、加壓100 kPa、剪切速率10 °/min條件下，不同排水環(huán)境時切向黏附力隨溫度的變化。結(jié)果表明，排水條件下的切向黏附力普遍大于不排水的情況，排水情況下兩種土樣切向黏附力均在20～35 ℃范圍內(nèi)與溫度呈負(fù)相關(guān)，在35～65 ℃范圍內(nèi)與溫度呈正相關(guān)，不排水情況下兩種土樣切向黏附力均在20～65 ℃范圍內(nèi)與溫度呈負(fù)相關(guān)，這兩種趨勢表明排水環(huán)境會改變溫度與黏土切向黏附力之間的相關(guān)性。不同溫度水平下排水環(huán)境的切向黏附力均大于不排水環(huán)境的切向黏附力。一方面排水使得黏土含水率減小，增大了黏土的實(shí)際稠度指數(shù)，這使得黏土的切向黏附力有增大的趨勢；另一方面溫度升高致使黏土內(nèi)部孔隙水壓力增大，有效應(yīng)力減小，這使得黏土的切向黏附力有減小的趨勢，在二者的共同作用下，排水條件下的試驗(yàn)曲線在35℃位置出現(xiàn)拐點(diǎn)的現(xiàn)象。

圖8 排水環(huán)境對不同溫度下切向粘結(jié)強(qiáng)度的影響

2.6 不同成分黏土切向黏附力隨溫度的變化

圖9表示兩種土樣在4種稠度指數(shù)、加壓100 kPa、剪切速率為10 °/min以及相同排水環(huán)境下的切向黏附力隨溫度的變化。結(jié)果表明，伊利土在Ic=1，0.8，0.5情況下的切向黏附力大于蒙脫土，在Ic=0.2情況下切向黏附力小于蒙脫土，但在相同稠度指數(shù)環(huán)境下，兩種土樣切向黏附力隨溫度變化的規(guī)律均相同。在排水條件下，Ic=1時，伊利土與蒙脫土的切向黏附力與溫度均呈負(fù)相關(guān)，而Ic=0.8，0.5時，二者的切向黏附力在溫度為50 ℃處出現(xiàn)拐點(diǎn)，Ic=0.2時，拐點(diǎn)出現(xiàn)在35 ℃。由2.5節(jié)的分析可知，切向黏附力與溫度的負(fù)相關(guān)關(guān)系是由溫度升高所主導(dǎo)，而正相關(guān)關(guān)系是由排水導(dǎo)致的稠度指數(shù)上升所主導(dǎo)，因此，結(jié)合圖9的試驗(yàn)結(jié)果可以說明，土樣含水率越高，黏附力越容易受排水因素所主導(dǎo)，因?yàn)楦吆释翗又械乃指菀妆慌懦觯@也解釋了試驗(yàn)曲線的拐點(diǎn)出現(xiàn)位置更早。

圖9 不同成分黏土切向黏附力隨溫度的變化

3 結(jié) 論

本文對蒙脫土和伊利土兩種試驗(yàn)土樣利用單因素分析進(jìn)行了多組室內(nèi)試驗(yàn)，測量了土樣在不同溫度下切向黏附力與稠度指數(shù)、加壓條件、剪切速度、排水環(huán)境、黏土成分的關(guān)系，研究結(jié)論如下：

(1)黏土 - 接觸面的剪切曲線特征為在初始階段顯著增大，達(dá)到峰值后下降，而后逐漸穩(wěn)定，該特征較為固定，不隨土樣礦物含量、溫度、含水量、剪切速度、排水環(huán)境的改變而改變。

(2)黏土切向黏附力在所有溫度階段均有以下特征：稠度指數(shù)越大，土樣切向黏附力越大；所加壓力越大，切向黏附力越大；剪切速度越小，切向黏附力越大；排水條件下的切向黏附力普遍大于不排水的情況。

(3)溫度改變對土樣Ic為0.8，0.5時的切向黏附力影響較大，對Ic為1，0.2時的切向黏附力影響較小。

(4)伊利土在Ic為1，0.8，0.5時的切向黏附力大于蒙脫土，在Ic為0.2時的切向黏附力小于蒙脫土，但在相同稠度指數(shù)環(huán)境下，兩種土樣切向黏附力隨溫度變化的規(guī)律均相同。

(5)排水使得黏土的切向黏附力有隨溫度增大的趨勢；溫度升高致使黏土的切向黏附力有隨溫度減小的趨勢；在二者的共同作用下，含水率越高的土樣，越容易受到排水狀態(tài)的影響，黏附力越早地隨溫度升高而出現(xiàn)拐點(diǎn)。