掘進(jìn)機(jī)黏性渣土結(jié)泥餅機(jī)制及聚合物改良研究

何純豪，鐘小春, *，竺維彬，李永運(yùn)，陳 潔

(1.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.廣州地鐵集團(tuán)有限公司, 廣東 廣州 510330；3.中國(guó)中鐵四局集團(tuán)第二工程有限公司，江蘇 蘇州 215131)

0 引言

目前，我國(guó)已步入城市軌道交通建設(shè)的高峰期，盾構(gòu)施工已不局限于軟土地層的地鐵建設(shè)，應(yīng)用范圍不斷拓寬。但是，隨著我國(guó)盾構(gòu)應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬，盾構(gòu)施工在復(fù)雜地層中面臨的困難與日俱增。

當(dāng)盾構(gòu)在全風(fēng)化泥巖、粉質(zhì)黏土等黏性地層中掘進(jìn)時(shí)，普遍會(huì)遇到刀盤(pán)結(jié)泥餅問(wèn)題。一旦盾構(gòu)施工中發(fā)生刀盤(pán)結(jié)泥餅，刀盤(pán)刀具會(huì)逐漸被固結(jié)黏土糊住，造成轉(zhuǎn)矩、推力增大，使盾構(gòu)刀盤(pán)失去掘削能力，進(jìn)而引發(fā)工程事故。例如：揚(yáng)州瘦西湖隧道采用大直徑泥水盾構(gòu)施工，當(dāng)隧道穿越全斷面膨脹性黏土層時(shí)，刀盤(pán)結(jié)泥餅，泥水艙發(fā)生堵塞，環(huán)流系統(tǒng)的管路轉(zhuǎn)折處發(fā)生堵塞、爆管[1]；南京地鐵4號(hào)線12標(biāo)段采用土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)，當(dāng)穿越泥質(zhì)砂巖地層時(shí)，盾構(gòu)掘進(jìn)速度下降，土壓難以穩(wěn)定，渣溫達(dá)到60 ℃，泡沫擠壓管頻繁爆裂，盾構(gòu)推力和轉(zhuǎn)矩均明顯增大[2]。

針對(duì)刀盤(pán)結(jié)泥餅問(wèn)題，諸多學(xué)者從不同方面進(jìn)行了研究。張家年等[3]從盾構(gòu)刀盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、耐磨保護(hù)及渣土改良等方面入手，對(duì)刀盤(pán)進(jìn)行了針對(duì)性改良設(shè)計(jì)。楊金鐘等[4]、于海亮[5]、趙國(guó)棟等[6]指出盾構(gòu)刀盤(pán)中心開(kāi)口不足、土體改良不到位是盾構(gòu)刀盤(pán)結(jié)泥餅的主要原因，并提出通過(guò)增大刀盤(pán)中心開(kāi)口率、加強(qiáng)土體改良、控制循環(huán)水溫等方法可以減小刀盤(pán)結(jié)泥餅風(fēng)險(xiǎn)。譚青等[7]利用Solidworks和ANSYS軟件研究了泥餅作用下刀盤(pán)在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中的熱應(yīng)力耦合問(wèn)題，研究表明，泥餅形成時(shí)刀盤(pán)溫度在短時(shí)間內(nèi)急劇升高，并且刀盤(pán)中心出現(xiàn)了翹曲現(xiàn)象。Jia[8]認(rèn)為土與固體材料之間實(shí)際上有3種不同的黏附力：土壤和固體材料之間的分子間力、水環(huán)的吸引力、水膜的吸引力。Thewes等[9-10]通過(guò)圓柱拉拔試驗(yàn)測(cè)試了黏土與金屬之間的黏附力，提出黏土的堵塞問(wèn)題可以細(xì)化為4種單一的相互作用機(jī)制：1)黏土與金屬部件表面的黏附；2)黏土顆粒內(nèi)部固有的黏聚力；3)黏土顆粒在運(yùn)輸路徑開(kāi)口上的橋接；4)黏土在水中聚合抱團(tuán)。Messerklinger等[11]研究了黏土在不同圍壓狀態(tài)下和剪切速率下的抗剪強(qiáng)度，分析了壓力狀態(tài)和剪切速率對(duì)黏附作用的影響。Hollmann等[12]、Thewes等[13]通過(guò)黏附試驗(yàn)提出了黏土阻塞盾構(gòu)設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)圖，預(yù)測(cè)施工過(guò)程中黏土含水率變化時(shí)盾構(gòu)設(shè)備的阻塞風(fēng)險(xiǎn)。

在防治泥餅的問(wèn)題上，渣土改良作為一種有效預(yù)防結(jié)泥餅的方法，得到廣泛的研究與應(yīng)用。魏康林[14]通過(guò)室內(nèi)渣土改良試驗(yàn)對(duì)常見(jiàn)聚合物與土體的相互作用機(jī)制進(jìn)行研究，并提出渣土改良的理想狀態(tài)。黃德中[15]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)及室內(nèi)改良試驗(yàn)指出，添加泡沫劑能夠改善土體塑流性與壓縮性。楊洪希等[16]依托杭州地鐵10號(hào)線施工實(shí)例，研究分散劑、泡沫劑對(duì)渣土塑流性與壓縮性的改良特性，并對(duì)改良參數(shù)的合理性進(jìn)行了驗(yàn)證。Liu等[17]研究了分散劑(六偏磷酸鈉、聚丙烯酸鈉)對(duì)不同液塑限、不同含水率黏土的改良機(jī)制。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于泥餅形成及改良的研究，主要圍繞黏土與金屬之間的黏附力開(kāi)展，選擇的改良劑主要是分散劑、泡沫劑，通過(guò)增加顆粒負(fù)電荷量，增大顆粒之間的排斥能，釋放(弱)結(jié)合水，增大土顆粒-金屬界面水膜的厚度，降低黏附強(qiáng)度。而關(guān)于利用低分子量聚合物降低渣土表面黏附力、提高黏土自身黏聚力來(lái)改良渣土流塑性的研究并不多。本文的創(chuàng)新之處在于通過(guò)添加不同質(zhì)量的克萊特膠聚合物對(duì)不同含水率的黏性渣土進(jìn)行改良，并設(shè)計(jì)試驗(yàn)裝置測(cè)定改良前后渣土的黏附強(qiáng)度、不排水抗剪強(qiáng)度及高溫下渣土的保水能力。另外，根據(jù)改良前后渣土的液塑限及稠度變化探究聚合物對(duì)渣土的改良機(jī)制，并結(jié)合泥餅形成風(fēng)險(xiǎn)分區(qū)圖，綜合評(píng)估黏性渣土結(jié)泥餅的風(fēng)險(xiǎn)和改良效果。

1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用的黏性渣土取自無(wú)錫地鐵4號(hào)線1號(hào)出入口的矩形頂管工程。頂管隧道施工地層為粉質(zhì)黏土夾黏質(zhì)粉土層、黏質(zhì)粉土層，其中，黏質(zhì)粉土層為主要施工地層，故選作試驗(yàn)用土樣。各土層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 天然土層物理力學(xué)參數(shù)

試驗(yàn)采用克萊特膠聚合物作為黏性渣土的改良劑，其顆粒及溶液如圖1所示。通過(guò)泥漿黏度計(jì)測(cè)試，克萊特膠在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%時(shí)的黏度測(cè)試時(shí)間為25 s(同一質(zhì)量分?jǐn)?shù)下聚丙烯酰胺溶液為17 s)。

(a)克萊特膠顆粒

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

施工現(xiàn)場(chǎng)排放的黏性渣土如圖2所示。黏性渣土具有較強(qiáng)的黏附性，在實(shí)際施工中經(jīng)常出現(xiàn)結(jié)泥餅、排放不暢及堵塞的現(xiàn)象。因此，渣土改良是現(xiàn)場(chǎng)施工順利進(jìn)行的關(guān)鍵。渣土改良的目標(biāo)是使改良后的渣土處于合適的塑性流動(dòng)狀態(tài)，防止刀盤(pán)結(jié)泥餅，以有效控制土艙壓力，確保頂管施工能正常順利地進(jìn)行。

圖2 施工現(xiàn)場(chǎng)排放的黏性渣土

2.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)土樣由烘干后的原狀土、一定添膠比(添膠比為聚合物顆粒與干燥土樣的質(zhì)量比)的克萊特膠顆粒以及水混合配置，土樣添膠比及含水率分別見(jiàn)表2和表3。試驗(yàn)工況合計(jì)28組，將28組試樣按A1，A2，…，A7，B1，B2，…，B7，C1，C2，…，C7，D1，D2，…，D7進(jìn)行編號(hào)。

表2 添膠比α

表3 含水率ω

2.2 黏附強(qiáng)度測(cè)定試驗(yàn)

Feinendegen等[18]和Spagnoli等[19]提出了一種評(píng)價(jià)黏土黏附性的試驗(yàn)裝置，該裝置由錐形金屬塊、試樣腔和拉拔系統(tǒng)組成?；诖?，本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)制作了一套界面黏附電動(dòng)測(cè)試裝置，測(cè)試渣土在改良后對(duì)金屬界面的黏附情況，測(cè)試裝置如圖3所示。其中，試錐頂角為50°，下部圓錐體半徑r為15 mm，母線長(zhǎng)度l為35 mm。試驗(yàn)中，錐體與試驗(yàn)土體完全接觸，試錐由電動(dòng)裝置牽動(dòng)上部吊繩使其表面與試驗(yàn)土體分離，測(cè)定拉力F。

圖3 界面黏附電動(dòng)測(cè)試裝置

具體試驗(yàn)步驟如下：

1)根據(jù)試驗(yàn)要求配置各組試驗(yàn)土樣(每組3個(gè)試樣)，然后分層裝入土盒并壓實(shí)，覆膜靜置24 h。

2)將試錐下部的圓錐體豎直緩慢壓入到土體中并靜置5 min，將試錐上部吊繩懸掛到電動(dòng)牽引裝置拉力計(jì)的連接繩上。

3)啟動(dòng)電動(dòng)牽引裝置對(duì)試錐施加向上的拉力，使試錐脫離試驗(yàn)土，記錄錐體表面與土體分離過(guò)程中力的大小F。

4)取下試錐，稱重并拍照記錄錐體黏附殘余情況，然后對(duì)試驗(yàn)后盒中試樣取樣并測(cè)定含水率。當(dāng)測(cè)定含水率與設(shè)計(jì)含水率誤差小于0.5%時(shí)，判定試驗(yàn)有效。

5)清理錐體表面，取另外2個(gè)試樣重復(fù)步驟2)—4)，做平行試驗(yàn)以避免偶然誤差。

6)整理采集的拉力F數(shù)據(jù)，繪制拉力與位移曲線，并確定拉力最大值Fmax。

7)將Fmax按式(1)進(jìn)行換算，求得黏土與金屬界面之間的黏附強(qiáng)度τ。

(1)

2.3 不排水抗剪強(qiáng)度測(cè)定試驗(yàn)

Merritt[20]通過(guò)大量試驗(yàn)研究表明，大型錐入度試驗(yàn)得到的土樣不排水抗剪強(qiáng)度與室內(nèi)大氣壓條件下十字板剪切試驗(yàn)得到的結(jié)果基本一致，因此可用大型錐入度試驗(yàn)得到的抗剪強(qiáng)度評(píng)價(jià)渣土改良前后的抗剪強(qiáng)度。通過(guò)式(2)可求得土樣的不排水抗剪強(qiáng)度s。

(2)

式中：Ka為理論圓錐角度系數(shù),K30=0.85,K45=0.49，K60=0.29，K75=0.19，K的下標(biāo)表示圓錐角的度數(shù)；G為圓錐體的重力，N；d為圓錐的錐入深度，mm。

本次試驗(yàn)參考大型錐入度試驗(yàn)，并結(jié)合黏附力測(cè)定試驗(yàn)中的電動(dòng)測(cè)試裝置，通過(guò)錐入一定的深度d，測(cè)定錐入所需的壓力W，然后利用式(3)求得試驗(yàn)土樣的不排水抗剪強(qiáng)度s。

(3)

具體試驗(yàn)步驟如下：

1)根據(jù)試驗(yàn)要求配置各組試驗(yàn)土樣(每組3個(gè)試樣)，然后分層裝入土盒內(nèi)并壓實(shí)，覆膜靜置24 h。

2)選用頂角為60°的金屬圓錐，調(diào)整裝置中圓錐的高度，使錐尖接近試樣土表面。

3)啟動(dòng)電動(dòng)測(cè)試裝置向下運(yùn)動(dòng)，使得圓錐錐入土體(如圖4所示)，達(dá)到一定深度d后關(guān)閉電動(dòng)裝置，記錄過(guò)程中的壓力值W。

圖4 圓錐錐入土體

4)調(diào)整測(cè)力裝置向上運(yùn)動(dòng)，使圓錐脫離土體，取下并清理圓錐表面。

5)取另外2個(gè)試樣重復(fù)上述步驟2)—4)，做平行試驗(yàn)以避免偶然誤差。

6)整理測(cè)試數(shù)據(jù)，繪制壓力值-錐入深度曲線，確定錐入深度d達(dá)到30 mm時(shí)所對(duì)應(yīng)的壓力W，然后按式(3)計(jì)算不排水抗剪強(qiáng)度s。

2.4 液塑限聯(lián)合測(cè)定試驗(yàn)

本文采用液塑限聯(lián)合測(cè)定法測(cè)定黏質(zhì)粉土改良前后的界限含水率，即通過(guò)液塑限測(cè)定儀測(cè)定土樣在3個(gè)不同含水率狀態(tài)下的圓錐體下沉深度，并繪制出圓錐下沉深度與含水率的關(guān)系曲線，得到液限、塑限值。根據(jù)測(cè)得的液限、塑限值計(jì)算得到塑性指數(shù)Ip與稠度指數(shù)Ic，計(jì)算公式分別見(jiàn)式(4)—(5)。

Ip=ωL1-ωP。

(4)

(5)

式中ωn,ωP,ωL1及ωL2分別為土的實(shí)際含水率、塑限、10 mm液限與17 mm液限。

2.5 高溫環(huán)境下渣土保水性試驗(yàn)

試驗(yàn)采用烘干法測(cè)定各組試樣在各時(shí)間段的含水率，將測(cè)得的含水率/土樣初始含水率作為該土樣的保水率,以此判斷各土樣在高溫環(huán)境下的保水能力。

具體試驗(yàn)步驟如下：

1)取用配置好的各組試驗(yàn)土樣40 g，制成直徑為60 mm的圓形泥餅，并置于托盤(pán)中，如圖5所示。

圖5 渣土保水性試驗(yàn)

2)將處理好的泥餅放入設(shè)定溫度為60 ℃的烘箱中，每隔10 min進(jìn)行1次稱重，并記錄當(dāng)時(shí)的質(zhì)量，烘干共計(jì)3 h。

3)將泥餅完全烘干，記錄烘干后泥餅的質(zhì)量。

4)整理數(shù)據(jù)，計(jì)算不同時(shí)間泥餅的含水率，繪制泥餅的含水率隨時(shí)間的變化曲線。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 黏附強(qiáng)度測(cè)定試驗(yàn)結(jié)果分析

將試驗(yàn)測(cè)得的最大拉力按式(1)換算為渣土與錐體之間的黏附強(qiáng)度τ，并分別繪制渣土黏附強(qiáng)度隨含水率的變化曲線、黏附強(qiáng)度隨添膠比的變化曲線，結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖6 黏附強(qiáng)度-含水率關(guān)系曲線

圖7 黏附強(qiáng)度-添膠比關(guān)系曲線

由圖6可以看出，隨著含水率的增大，各試驗(yàn)土樣的黏附強(qiáng)度均有所降低，但不同添膠比下其下降幅度不盡相同。1)對(duì)于未改良的試驗(yàn)土樣，在含水率ω為35%～50%時(shí)，渣土的黏附強(qiáng)度隨含水率的增大而顯著下降，ω=50%時(shí)的渣土黏附強(qiáng)度約為ω=35%時(shí)渣土黏附強(qiáng)度的15%。2)對(duì)于α=0.10%的試驗(yàn)土樣，當(dāng)含水率為45%時(shí)其黏附強(qiáng)度明顯下降，約為改良前的28%。3)對(duì)于α=0.15%的試驗(yàn)土樣，其黏附強(qiáng)度在ω=40%時(shí)顯著降低，約為ω=35%時(shí)黏附強(qiáng)度的49%。4)對(duì)于α=0.20%的試驗(yàn)土樣，其黏附強(qiáng)度下降幅度較為穩(wěn)定，大致呈線性降低。

由圖7可知：1)當(dāng)試驗(yàn)土樣的含水率為35%～45%時(shí)，其黏附強(qiáng)度隨著克萊特膠的添加逐漸減小。①對(duì)于含水率為35%的試樣，其黏附強(qiáng)度隨添膠比的增大一直減小，添膠比為0.20%時(shí)其黏附強(qiáng)度為未改良時(shí)的50%；②當(dāng)試驗(yàn)土樣的含水率為40%時(shí)，其黏附強(qiáng)度在添膠比為0.15%時(shí)最小，約為未改良渣土的60%；③對(duì)于含水率為45%的試驗(yàn)土樣，當(dāng)添膠比為0.10%時(shí)克萊特膠對(duì)渣土的減黏效果最好，其黏附強(qiáng)度約為未改良時(shí)的62%。2)對(duì)于含水率在50%及以上的試樣，克萊特膠的添加對(duì)渣土的黏附強(qiáng)度影響較小。

結(jié)合實(shí)際工程中改良渣土的排放情況(如圖8所示)可以看出，克萊特膠在渣土表面起到了潤(rùn)滑作用，進(jìn)而減小了黏土與金屬界面之間的黏附強(qiáng)度。

圖8 施工現(xiàn)場(chǎng)改良渣土排放情況

3.2 不排水抗剪強(qiáng)度測(cè)定試驗(yàn)結(jié)果分析

圖9和圖10分別示出渣土試樣在改良前后的不排水抗剪強(qiáng)度隨含水率及添膠比的變化曲線。由圖9可知，隨著含水率的增大，不同添膠比試樣的不排水抗剪強(qiáng)度均呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。由圖10可以看出：1)隨著添膠比的增大，不同含水率試樣的不排水抗剪強(qiáng)度出現(xiàn)不同程度的增強(qiáng)。2)當(dāng)渣土含水率為35%～45%時(shí)，克萊特膠的添加對(duì)渣土不排水抗剪強(qiáng)度的增強(qiáng)效果顯著; 在α=0.20%時(shí)渣土不排水抗剪強(qiáng)度相比改良前增大了約10 kPa。

圖9 不排水抗剪強(qiáng)度-含水率關(guān)系曲線

圖10 不排水抗剪強(qiáng)度-添膠比關(guān)系曲線

因此，添加水和添加克萊特膠對(duì)渣土不排水抗剪強(qiáng)度的影響截然相反，在實(shí)際工程中可以根據(jù)需要對(duì)渣土的不排水抗剪強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)節(jié)，即通過(guò)添加水來(lái)提高渣土含水率，降低渣土的不排水抗剪強(qiáng)度，從而增強(qiáng)流動(dòng)性，或者添加克萊特膠增強(qiáng)土體不排水抗剪強(qiáng)度，提高渣土整體性。

3.3 刀盤(pán)結(jié)泥餅風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)分析

圖11為Hollmann等[12]、Thewes等[13]通過(guò)黏附試驗(yàn)提出的黏性土泥餅形成風(fēng)險(xiǎn)臨界分區(qū)圖，其根據(jù)渣土改良前后的稠度指數(shù)對(duì)渣土的軟硬狀態(tài)及結(jié)泥餅風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行判斷評(píng)估。由圖11可知，隨著含水率的增大，渣土逐漸從硬到軟，再到流動(dòng)狀態(tài)；而聚合物的添加能夠增大原渣土的稠度指數(shù)，減緩該變化的發(fā)生。例如：未改良的渣土其含水率達(dá)到50%時(shí)就進(jìn)入到流動(dòng)狀態(tài)，而添膠比為0.10%的渣土則在含水率超過(guò)55%后進(jìn)入流動(dòng)狀態(tài)。

對(duì)于渣土結(jié)泥餅的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，從圖11中可以看出，隨著聚合物的添加，渣土結(jié)泥餅有從高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)向中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)，但也有從低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)轉(zhuǎn)入高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的情況，如含水率為40%、45%的渣土(見(jiàn)圖11中虛線框)。這與黏附強(qiáng)度測(cè)定試驗(yàn)中黏土與金屬錐體的黏附情況不太相符。黏附強(qiáng)度測(cè)定試驗(yàn)中，當(dāng)渣土含水率為45%時(shí)，未改良渣土發(fā)生黏附，而改良后的渣土卻均未出現(xiàn)黏附情況，如圖12所示。因此，該風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)圖主要是結(jié)合以往的工程經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)黏土稠度狀態(tài)來(lái)判斷結(jié)泥餅的風(fēng)險(xiǎn)，操作簡(jiǎn)單且具有一定的參考價(jià)值，但難以判斷改良后渣土的黏附風(fēng)險(xiǎn)。

圖11 黏性土泥餅形成風(fēng)險(xiǎn)臨界分區(qū)圖[12-13]

(a)未改良渣土

對(duì)于黏土結(jié)泥餅問(wèn)題，王樹(shù)英等[21]認(rèn)為，當(dāng)黏土-金屬界面的黏附強(qiáng)度大于土樣自身抗剪強(qiáng)度時(shí)，結(jié)泥餅的可能性較大，反之結(jié)泥餅的可能性較小。

由此，結(jié)合上述黏附強(qiáng)度、不排水抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果與圖12中的實(shí)際黏附情況可知，當(dāng)渣土含水率為45%時(shí)，其黏附強(qiáng)度相對(duì)于含水率為35%、40%時(shí)明顯下降。此時(shí)，雖然克萊特膠對(duì)渣土黏附強(qiáng)度影響較小，但對(duì)渣土的不排水抗剪強(qiáng)度增強(qiáng)效果顯著(如圖13所示)，并且當(dāng)添膠比為0.10%時(shí)渣土的不排水抗剪強(qiáng)度大于黏附強(qiáng)度，并未發(fā)生黏附情況，說(shuō)明通過(guò)比較渣土的黏附強(qiáng)度和不排水抗剪強(qiáng)度的大小關(guān)系進(jìn)行渣土的結(jié)泥餅風(fēng)險(xiǎn)判斷是合理的。

圖13 黏附強(qiáng)度-添膠比曲線及不排水抗剪強(qiáng)度-添膠比曲線(ω=45%)

因此，本文通過(guò)渣土-金屬界面的黏附強(qiáng)度和不排水抗剪強(qiáng)度的大小關(guān)系，劃分渣土改良后結(jié)泥餅的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，結(jié)果如圖14所示。由圖可以發(fā)現(xiàn)，原本圖11中處于結(jié)泥餅中、高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的改良渣土在圖14中結(jié)泥餅的可能性較小，符合實(shí)際情況。由圖14可知，隨著水的添加，黏性渣土的黏附強(qiáng)度與不排水抗剪強(qiáng)度均下降，渣土結(jié)泥餅的可能性逐漸增大，如A1—A2—A3—A4的變化；而隨著聚合物的添加，黏性渣土的不排水抗剪強(qiáng)度逐漸增大，逐漸接近低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，如A1—B1—C1—D1、A3—B3—C3—D3的變化，當(dāng)添膠比為0.15%時(shí)，能有效預(yù)防黏性渣土結(jié)泥餅。

圖14 改良渣土泥餅形成風(fēng)險(xiǎn)分區(qū)圖

3.4 液塑限聯(lián)合測(cè)定試驗(yàn)結(jié)果分析

測(cè)定各組不同添膠比渣土的液限、塑限，并根據(jù)液限、塑限計(jì)算塑性指數(shù)IP與稠度指數(shù)Ic。不同添膠比下試樣的液限、塑限、塑性指數(shù)以及稠度指數(shù)分別見(jiàn)圖15和圖16。

圖15 不同添膠比下試樣的液限、塑限和塑性指數(shù)

圖16 不同添膠比下試樣的稠度指數(shù)

由圖15可知，隨著添膠比的增大，試驗(yàn)土樣的塑限基本不發(fā)生變化，而10 mm液限與17 mm液限隨之增大，相應(yīng)地塑性指數(shù)也不斷增大，但當(dāng)添膠比達(dá)到0.15%之后曲線趨于收斂。

從圖16中可以看出，黏性渣土的稠度指數(shù)隨著添膠比的增大而增大，渣土的軟硬狀態(tài)隨著克萊特膠的添加發(fā)生轉(zhuǎn)變。另外，大量研究及工程經(jīng)驗(yàn)表明，稠度指數(shù)Ic為0.4～0.75時(shí)，渣土能為開(kāi)挖面提供有效支護(hù)壓力[22]。由圖16可知，對(duì)于含水率為35%的試樣，當(dāng)添膠比為0.00%～0.10%時(shí)能滿足工程要求；對(duì)于含水率為40%的試樣，在添膠比為0.00%～0.20%時(shí)能提供有效支護(hù)壓力；對(duì)于含水率為45%的試樣，當(dāng)添膠比為0.15%～0.20%時(shí)，其稠度指數(shù)滿足工程需要。

塑性指數(shù)與稠度指數(shù)隨著添膠比的增大而增大，說(shuō)明黏性渣土在添加克萊特膠后可塑性有所提高，即土處于可塑狀態(tài)的含水率范圍增大。也就是說(shuō)，在工程施工中需要通過(guò)提高渣土的含水率以大幅降低其黏附強(qiáng)度的同時(shí)，可以通過(guò)添加克萊特膠增強(qiáng)其不排水抗剪強(qiáng)度，使其大于黏附強(qiáng)度，從而預(yù)防刀盤(pán)結(jié)泥餅，并增大渣土稠度指數(shù)，為開(kāi)挖面提供有效支護(hù)壓力。

3.5 改良渣土保水性試驗(yàn)結(jié)果分析

選取含水率為45%的各組土樣繪制不同添膠比下的土樣保水率變化曲線，結(jié)果如圖17所示。由圖17可知，添膠比為0.10%時(shí)，改良渣土的保水能力與原渣土并無(wú)太大差別；當(dāng)添膠比達(dá)到0.15%之后，改良渣土的保水能力在100 min后與未改良渣土及添膠比為0.10%的渣土有了明顯區(qū)別，且在130 min時(shí)，克萊特膠的添加對(duì)渣土的保水效果影響較為明顯。

圖17 不同添膠比下土樣保水率變化曲線(含水率為45%)

繪制130 min時(shí)各添膠比下土樣的保水率變化曲線，結(jié)果見(jiàn)圖18。由圖可以看出，當(dāng)添膠比增大到0.15%后，渣土的保水能力出現(xiàn)明顯的增強(qiáng)，相較于未改良時(shí)的保水率提高了約9%。

圖18 130 min時(shí)各添膠比下土樣的保水率變化曲線

盾構(gòu)刀盤(pán)溫度的升高，通常會(huì)導(dǎo)致渣土與刀盤(pán)界面處發(fā)生水分遷移[23]，此時(shí)界面處含水率減小，黏附強(qiáng)度增大，而遠(yuǎn)離界面的渣土含水率增大，不排水抗剪強(qiáng)度減小，容易出現(xiàn)結(jié)泥餅情況。而渣土保水性的提高意味著：在高溫環(huán)境下，改良渣土相比未改良時(shí)金屬與渣土界面處的水分損失少，界面處黏附強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢，可能仍小于土體不排水抗剪強(qiáng)度，則可降低溫度影響下刀盤(pán)結(jié)泥餅的風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)論與討論

本文探究了采用聚合物克萊特膠對(duì)黏性渣土改良前后渣土的黏附強(qiáng)度、不排水抗剪強(qiáng)度以及液塑限變化規(guī)律，檢驗(yàn)了高溫下改良渣土的保水能力，并分析了該聚合物對(duì)渣土的改良機(jī)制以及渣土結(jié)泥餅風(fēng)險(xiǎn)，得到以下結(jié)論：

1)含水率對(duì)渣土黏附強(qiáng)度有顯著影響，含水率越大，黏附強(qiáng)度越小?？巳R特膠對(duì)渣土具有較好的潤(rùn)滑作用，當(dāng)黏性渣土含水率不超過(guò)45%時(shí)，克萊特膠能明顯降低渣土與金屬界面之間的黏附強(qiáng)度。

2)含水率的增加顯著降低了渣土的不排水抗剪強(qiáng)度，而聚合物的添加能增加渣土的不排水抗剪強(qiáng)度，在實(shí)際工程中可以根據(jù)需要對(duì)渣土的不排水抗剪強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3)克萊特膠能較好地提高渣土的液限，增大渣土的塑性指數(shù)與稠度指數(shù)，使得渣土在可塑狀態(tài)下的含水率范圍增大，且可提高渣土在高溫環(huán)境下(60 ℃)的保水能力。

4)由于“黏性土泥餅形成風(fēng)險(xiǎn)臨界分區(qū)圖”僅考慮了黏土的稠度而忽略了其黏附力學(xué)特性，在應(yīng)用中存在一定的局限性。本文提出了基于渣土-金屬界面的黏附強(qiáng)度和渣土自身不排水抗剪強(qiáng)度的大小關(guān)系來(lái)判斷刀盤(pán)結(jié)泥餅風(fēng)險(xiǎn)的方法。當(dāng)改良黏性渣土處于可塑狀態(tài)，且不排水抗剪強(qiáng)度小于黏土與金屬的黏附強(qiáng)度時(shí)，可判斷為結(jié)泥餅高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，反之為中、低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。

5)考慮實(shí)際工程需要，當(dāng)渣土含水率控制在45%的情況下，試驗(yàn)所用的黏性土樣在添膠比為0.10%時(shí)表現(xiàn)出良好的和易性，其黏附強(qiáng)度略微減小，而不排水抗剪強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，且試驗(yàn)中金屬錐體未黏附土體，有利于降低黏性渣土結(jié)泥餅的風(fēng)險(xiǎn)。

總之，聚合物在黏性渣土含水率為35%～45%時(shí)能降低黏土與金屬界面的黏附強(qiáng)度，具有潤(rùn)滑作用，并且能有效增加黏土的不排水抗剪強(qiáng)度，具有較好的保水能力，這些均有利于降低結(jié)泥餅的風(fēng)險(xiǎn)。

由于試驗(yàn)條件有限，本文試驗(yàn)僅考慮了壓力作用下渣土的結(jié)泥餅情況和改良效果，對(duì)于溫度作用下的試驗(yàn)探究有所不足，應(yīng)進(jìn)一步研究。