南京盾構渣土工程特性及其微觀結構

張祖烺， 顧琳琳*， 王振， 張于曄， 武廣財， 薛丹璇， 朱曉東

(1.南京理工大學理學院， 南京 210094; 2.南京理工大學機械學院， 南京 210094； 3.中國市政華北設計研究總院有限公司， 天津 300074)

隨著越來越多的城市的地鐵建設，盾構法施工產生的渣土量今后將不斷提高，根據《城市軌道交通2020年度統(tǒng)計和分析報告》[1]，截至2020年，全國33個城市配備有177條地鐵線，總里程達到6 280.8 km，若隧道內輪廓直徑按6.4 m計算，全國將出土約2億m3土。國家“十四五”資源綜合利用指導意見明確指出，要拓寬建筑垃圾、冶煉渣等大宗固廢利用途徑，并大幅度提高大宗固廢綜合利用率。近年來，中國進入平穩(wěn)較快發(fā)展階段，人民的社會環(huán)保意識持續(xù)提高，環(huán)境保護與城市化建設的矛盾問題越發(fā)突出，砂石等建筑材料的環(huán)境成本和人工成本逐年遞增。盾構渣土的充分處理和資源化利用可以減少廢棄物堆積占用的土地資源并替代一部分的建筑材料，實現社會效益和經濟效益的共同發(fā)展，擁有著廣泛的發(fā)展前景。

目前，地鐵盾構渣土經過振動篩分，絮凝和壓濾等處理措施能夠分離出不同粒徑的砂和土，用于制備免燒磚、堆山造景、陶粒生產等的綠色建筑材料[2-3]，也可以用作礦坑填料和高流態(tài)充填材料[4-5],但由于地鐵盾構渣土具有區(qū)域性，分散性以及成分的復雜性等特點導致渣土利用量極低。因此，針對盾構渣土工程特性的試驗將為盾構渣土的再利用提供可靠的基礎研究，具有重要的指導意義。郝彤等[6]通過X-ray diffraction分析及差熱分析表明溫度變化能夠影響盾構渣土的礦物成分和物理性質，為制備水泥混合材料提供了重要依據。朱瑜星等[7]結合室內試驗所測得的盾構渣土物理性質指標，開展渣土的改良實驗，證明了渣土改良為流動化回填土的可行性。張書經[8]利用X射線熒光光譜、掃描電鏡等設備探究盾構渣土加固前后的理化性質，以此揭示其變化規(guī)律。相關試驗主要以盾構渣土性質為基礎進行資源化利用研究，而且中外眾多學者將盾構渣土作為某一工程材料進行具體而系統(tǒng)性的試驗研究。王樹英等[9]通過坍落度實驗和滲流性實驗研究了泡沫改良砂性渣土的滲流特征以及其受流塑性和水壓力影響規(guī)律。Huang等[10]表明隨著泡沫注入比的增加，表面覆蓋泡沫土的卵石和砂的分離作用逐漸減弱，渣土抗剪強度呈非線性減小。李興春[11]研究了膨潤土、泡沫劑和高分子材料等改良劑對砂礫層渣土的流動性、滲透性以及抗剪強度等力學性能的影響。張書經等[12]闡述了盾構渣土基本性質及水分賦存機制，分析了固體廢棄物脫水技術對盾構渣土的適用性。孫倩倩[13]進行不排水不排氣三軸實驗對高含水率渣土進行強度測試，并基于有效固結應力原理及Hilf孔壓公式等，提出一種非飽和渣土的堆填體穩(wěn)定性分析方法。

上述研究成果深入探討了盾構渣土的工程特性，對于了解盾構渣土的基本巖土參數起到了重要作用?，F以南京市地鐵盾構渣土為研究對象，主要利用無側限壓力儀，固結儀和掃描電鏡等對風干盾構渣土進行物理力學性質分析，以此揭示變化規(guī)律，重點研究盾構渣土作為填筑材料的工程特性，為地鐵盾構渣土的再利用提供可靠的基礎研究。

1 試驗方案

試樣取自江蘇省南京地鐵五號線工程D5-XK04標三山街站～朝天宮站區(qū)間底板埋深為16.7～29.6 m的盾構渣土。由于土工結構的填筑材料優(yōu)劣的衡量標準在于顆粒級配、壓縮性、抗剪強度和微觀結構等基本物理力學性質。為此本文對盾構渣土進行了以下實驗和分析。

(1)盾構渣土的基本物性：通過X射線衍射、顆粒分析和界限含水率等相關室內試驗分別獲得盾構渣土的礦物組成與基本物理參數。

(2)無側限抗壓強度試驗：在室內通風條件下，將盾構渣土攤開，利用溫度和空氣的流動使土體內的水分汽化，利用壓樣機制備高度為80 mm，直徑39.1 mm的樣品，研究在不同風干天數下盾構渣土的無側限抗壓強度變化規(guī)律，實驗儀器是YYW-II型數顯式電動無側限壓力儀，以每分鐘軸向應變?yōu)?.5%的速率使升降板上升進行加壓，試驗時間控制在8～10 min。

(3)側限壓縮試驗：采用WG-1B型中壓固結儀進行渣土的壓縮性能測定，將環(huán)刀切取的風干土試樣放入固結儀中，施加1 kPa的預壓應力保證試驗上下各部件相接觸，考慮到含水率高的盾構渣土較軟，因此按自12.5 kPa到800 kPa進行逐級加載，然后逐級卸載至12.5 kPa再加載至1 600 kPa，加荷比為1，試樣垂直變形不超過0.01 mm/h，通過卸載-重加載的固結實驗，研究不同風干天數下盾構渣土的孔隙比以及回彈指數等數值變化。

(4)抗剪強度試驗：采用ZJ型應變控制式直剪儀進行渣土的抗剪強度測定，將制備好的試樣緩緩推入剪切盒中，在活塞周圍放置濕棉花，防止水分蒸發(fā)，固結穩(wěn)定標準為試樣垂直變形不大于0.005 mm/h，并在100、200、300、400 kPa垂直壓力下進行剪切試驗，剪切速率為0.019 mm/min，研究盾構渣土剪切強度與風干天數的關系。

(5)微觀結構分析：利用托盤裝取適量盾構渣土，風干至恒重后，將土樣掰成適宜尺寸大小，選取觀測面較為平整的試樣，表面噴鍍一層導電物質，之后，用導電膠將該試樣固定于觀察室底座，通過實驗儀器型號為JSM-IT500HR的掃描電子顯微鏡對顆粒的表面結構和形狀等進行觀測，分析盾構渣土微觀結構形態(tài)特點。

2 盾構渣土的工程特性

2.1 盾構渣土基本物性

南京地鐵5號線盾構施工采用土壓平衡盾構施工的方式，穿越地層為巖、土且軟硬混合地層，為方便盾構施工，向刀盤前、土倉內和螺旋輸送機中加注水、泡沫劑、聚合物等添加劑進行改良，造成添加劑摻雜在盾構渣土中，導致土體成為一種具有可壓縮性、低剪切強度、抗?jié)B性強等特征的泥態(tài)廢棄物[14]。根據《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—2019)[15]進行室內試驗，測得盾構渣土的基本物理參數如表1所示，級配曲線如圖1所示。

表1 盾構渣土基本物理參數Table 1 Basic physical parameters of shield dreg

圖1 顆粒級配曲線Fig.1 Gradation curves of particle

從圖1可以得出，盾構渣土的顆粒偏細，其中細粒組含量為60%；曲率系數Cc為1.02；不均勻系數Cu為20.05。當Cu較大時，表示盾構渣土的不同粒組成分分布較廣，表現為缺少中間粒徑，即顆粒級配不連續(xù)，因此需要結合Cc進行判定，從工程觀點看，該處盾構渣土Cu≥5，且1

由于物質的X射線衍射圖像跟礦物晶體結構存在一一對應的關系，即使與其他晶體混合在一起也不會影響其對應特征。因此，本文利用X射線微區(qū)衍射實驗獲得盾構渣土的礦物組成，具體方法為：取400 g盾構渣土放于溫度設置為80 ℃的電熱鼓風干燥箱中，烘干至恒重后將盾構渣土置于研缽中研磨成粉，利用Bruker-AXS D8 Advance型X射線衍射儀進行測定。試驗得到的盾構渣土的X射線微區(qū)衍射圖譜如圖2所示。通過分析可知，盾構渣土中的礦物組成主要含有石英、方解石、鈉長石和伊利石等。

圖2 盾構渣土X射線微區(qū)衍射圖譜Fig.2 Spectrum of X ray diffraction of shield dreg

2.2 無側限抗壓強度試驗

試樣壓縮過程中的應力—應變曲線反映了土體變形破壞過程[16]，圖3為風干天數為7、14、28 d的盾構渣土的應力-應變曲線。應力-應變曲線的峰值即為該試樣的無側限抗壓強度，可以看出，試樣在到達極限壓應變前，經歷了壓實階段(凹形段)，彈性變形階段(直線段)，以及即將達到峰值時的屈服階段(凸起段)。隨著風干天數的增加，試樣的壓縮曲線的整體斜率不斷增大，壓密階段和屈服階段的范圍逐漸減小。

在列車的行駛過程中，輪軌之間滾動接觸產生的振動，并以噪聲形式向外輻射.如圖3所示，車輪滾動過程中產生的車輪噪聲和鋼軌噪聲合成后形成輪軌噪聲并向車廂內部輻射.當列車運行速度加快時，輪軌的粗糙度和機車車輛行走部各組件和線路上的各構件振動將引起高強度噪聲.

圖4為盾構渣土的風干天數與無側限抗壓強度的關系。干密度相同的試樣，風干天數分別為5、7、14、28 d，無側限抗壓強度從138 kPa增加至2 301 kPa。風干時間從5～7 d、7～14 d、14～28 d，盾構渣土的無側限抗壓強度的增量值分別為515、773、875 kPa，增量系數分別為3.73、1.18、0.61。通過數據對比可知，在同一干密度情況下，隨著干燥時間的增加，試樣的含水率不斷降低，無側限抗壓強度持續(xù)增大，但強度的增量系數隨之減小。

圖3 不同風干天數下盾構渣土的應力-應變曲線Fig.3 Stress-strain curves of shield dreg under different drying days

圖4 不同風干天數下盾構渣土的無側限抗壓強度Fig.4 Unconfined compressive strength of shield dreg under different drying days

2.3 側限壓縮試驗

進行不同風干天數后盾構渣土試樣的壓縮回彈試驗，編號為試樣1～試樣6。試樣的初始狀態(tài)如表2所示。

表2 試樣初始狀態(tài)Table 2 Initial state of the sample

以加載等級為橫坐標，以不同風干天數試樣的孔隙比為縱坐標，得到圖5(a)所示試樣的孔隙比隨荷載增加的變化規(guī)律曲線，風干天數多的盾構渣土初始含水率低，初始孔隙比小。在相同荷載等級作用下，試樣的軸向變形隨風干天數的增加而減小。該處盾構渣土的壓縮系數av不是常量，當荷載等級較小時，土樣的孔隙比變化速度快，壓縮系數的降幅大，土體壓縮的原因是顆粒間距的減小，荷載等級較小依舊能夠產生較大的壓縮變形，隨著加壓等級的增加，壓縮系數持續(xù)減小，而在固結壓力達到中高壓階段時，顆粒間的孔隙不大，主要是因為顆粒變形而產生壓縮量，顆粒變形需要破壞其原本的空間結構故產生的壓縮量有限。王港等[17]將土的壓縮變形機制歸結為土體中的孔隙、顆粒團聚體等微觀結構的不斷自我調整以趨達到穩(wěn)定有序狀態(tài)。孫文靜等[18]進行了膨潤土泥漿的壓縮試驗，結果表明：壓縮過程中，顆粒間的孔隙會快速減少，而豎向應力達到550 kPa后，壓力增大會導致顆粒內孔隙的減少，后一階段所需做的功遠大于前一階段，與本文的分析一致。圖5(b)為試樣1～試樣6的卸載-再加載曲線，隨著風干天數的增加，其閉合曲線的整體斜率及寬度持續(xù)減小。

根據國家相關規(guī)范可知，除了回彈指數Ce和壓縮指數Cc基本為常數外，其他變形參數均不為常數，一般選取100～200 kPa壓應力區(qū)間內所對應的參數值Es、av、mv進行比較，試樣的側限壓縮試驗結果如表3所示，隨著風干天數的不斷增加，Es不斷增大，而av、mv、Cc和Ce持續(xù)減小，壓縮性類別由高壓縮性向中等壓縮性轉變。以盾構渣土為礦坑等填埋材料需要注意：在相同的加載方式作用下，渣土的沉降量會隨風干天數增多而不斷減小，因此，為了減小工后沉降和不均勻沉降所帶來的不利影響，可以對原狀盾構渣土進行干燥處理。

圖5 不同風干天數的盾構渣土壓縮實驗結果Fig.5 Experimental results of shield dreg compressionunder different drying days

表3 盾構渣土的室內壓縮試驗結果Table 3 Results of shield dreg compression test in laboratory

2.4 抗剪強度試驗

土的抗剪強度由摩擦強度σtanφ和黏聚強度c兩部分組成，剪切面上的正應力σ和內摩擦角φ決定了土的摩擦強度，而土的黏聚力c取決于土顆粒間包括靜電力、膠結作用和吸水膜作用等的影響，為了研究不同風干天數盾構渣土的抗剪強度變化規(guī)律，參考了巖土抗剪強度的相關文獻[19-20]，運用最小二乘法進行線性擬合得到了正應力與抗剪強度的回歸曲線，如圖6所示。

試樣的內摩擦角及黏聚力的計算結果如表4所示，通過對比可以發(fā)現，隨著風干天數的增加，黏聚力和內摩擦角大致呈增長趨勢，內摩擦角增大幅度緩慢，黏聚力增長幅度則較為急劇。一方面，試樣因為豎向正應力的作用將相繼排出自由水和結合水，隨著含水率的降低，盾構渣土顆粒間的咬合所產生的摩擦增強，密度增大；另一方面，由于基質吸力[21]的存在，水分附于顆粒表面形成結合水膜，吸水膜作用對土的黏聚力影響顯著，隨著風干天數的增加，渣土的含水率不斷減小，結合水膜逐漸變薄，顆粒間的距離不斷變近，膠結作用不斷增強。此時，試樣的抗剪強度主要是因為含水率變化的影響，導致顆粒間的靜電力，吸水膜作用和膠結作用等物理化學作用力的增強。

圖6 正應力與抗剪強度線性回歸曲線Fig.6 Linear regression curve of normal stress and shear strength

含水率變化對不同正應力下盾構渣土的影響如圖7所示，相同正應力條件下，不同風干天數試樣的抗剪強度隨著含水率的下降總體呈上升趨勢。水分在一定程度上能夠潤滑和軟化土顆粒，且自由水含量較多時，能夠促使該作用更加顯著，此外，由于盾構施工需要加入的泡沫劑也能起到良好的潤滑作用，因而，含水率較高即風干天數低時，對顆粒間的連接弱化越明顯。從圖7可以看出，在含水率從41.5%下降至25.2%階段，隨著正應力的增加，抗剪強度增長趨勢愈明顯，分析其原因，含水率較高時，正應力越大，土顆粒中的水分排出的越多，水分的降低將導致潤滑和軟化的作用減弱；另外，處于非最適宜含水率時，泡沫劑的潤滑作用也將有所減弱。

表4 試樣黏聚力和內摩擦角Table 4 Cohesion and internal friction angle of samples

圖7 不同正應力下抗剪強度與含水率變化規(guī)律Fig.7 Variation of shear strength with water content under different normal stress

3 盾構渣土的微觀結構

巖土工程領域中，大量科研工作已經集中于微觀結構與宏觀力學特性結合方面的研究，掃描電子顯微鏡是現今表征巖土材料微觀形貌特點的主要手段之一，能夠得到襯度適中、分辨率高、信燥比好的高質量圖像，其工作機理是：從電子發(fā)射槍發(fā)射出的電子束，經多級電磁電鏡作用后凝聚成單條極細的電子束，直徑一般為1～5 nm，電子在樣品表面激射出次級電子、透射電子和背散射電子等各種信息，將不同的探測器收集到的信息轉換成視頻信號，同步傳遞到顯象管中成像，得到試樣相應區(qū)域的形貌特征。

基于掃描電鏡圖像最優(yōu)條件下獲取試樣的SEM圖像(圖8)，放大倍數分別為1 000倍和10 000倍，圖8(a)基本上是一個團聚體在平面上的聯結結構，不同大小的孔隙隨機分布于表面，而圖8(b)則能夠捕捉到試樣垂直方向清晰的微觀結構，可以看出，試樣具有大量的團聚體，并有顆粒環(huán)繞周圍，大量的團聚體非定向排列成存在一定間距的實體式基質結構，外包顆粒也無明顯的定向分布規(guī)律。試樣的微觀形貌特征能夠良好地反映出盾構渣土的宏觀力學特性，團聚體主要以邊-面、面-面形式的生成，接觸較為松散，這種狀態(tài)在外力下容易發(fā)生錯位移動，與本文所測中高壓縮性和低剪切強度特征等實驗結果相符。

圖8 1 000倍和10 000倍盾構渣土SEM圖像Fig.8 SEM image of shield dreg at 1 000x and 10 000x

4 結論

以室內試驗為主，對試樣進行室內通風干燥處理，通過具體、系統(tǒng)性的研究，揭示了盾構渣土基本物性力學工程特性及其微觀結構，得出如下結論。

(1)該區(qū)域盾構渣土成分以石英石、方解石等為主，具有流塑性、天然含水率高和級配良好等基本物性特征。

(2)試樣的無側限抗壓強度隨著風干天數的增加而不斷增大，強度增量系數降低，壓縮曲線的整體斜率不斷增大，極限壓應變前的壓密階段和屈服階段的范圍逐漸減小。

(3)采用相同加載方式，進行不同風干天數試樣的卸載-重加載試驗，隨著風干天數的增加，Es持續(xù)增大，而av、mv、Cc和Ce不斷減小，盾構渣土的壓縮性類別由高壓縮性向中等壓縮性轉變，研究表明：對原狀盾構渣土進行干燥處理，可以減小工后沉降和不均勻沉降所帶來的不利影響。

(4)隨著風干天數的增加，風干試樣的黏聚力和內摩擦角大致呈增長趨勢，內摩擦角增長幅度緩慢，而黏聚力增長幅度較急劇；在自由水含量較高時，隨著正應力的增加，抗剪強度正長趨勢愈明顯。

(5)微觀結構分析表明，團聚體主要以邊-面、面-面的形式接觸，外包顆粒，兩者無定向分布規(guī)律，在外力作用下，此種實體式基質結構易發(fā)生錯位移動，符合本文所測的側限壓縮，抗剪強度等力學試驗結果。