盾構砂性渣土-泡沫混合物滲透性影響因素研究

王海波， 王樹英， 胡欽鑫， 劉朋飛

(中南大學土木工程學院， 湖南 長沙 410075)

0 引言

土壓平衡盾構被廣泛應用于隧道施工。由于富水砂性地層水土易分離，采用土壓平衡盾構難以形成流塑性良好的渣土，會造成壓力艙閉塞致使刀盤扭矩上升、排土不暢，或由于排土口水壓過大而發生噴涌，最終誘發開挖面失穩[1]。因此，解決富水砂性地層的滲透性問題對土壓平衡盾構隧道施工的進度和安全有著重要意義。國內外開展了一系列關于砂土-泡沫混合物滲透性的研究。喬國剛[2]采用常水頭與變水頭對比試驗，通過改變泡沫摻入比、泡沫劑體積分數、含水量和泡沫劑的種類，分別對泡沫改良后細砂和粗砂的滲透系數進行測定。黃俐等[3]采用常水頭試驗，通過控制泡沫的摻入量、含水量和泡沫劑體積分數等，測定了黏性土與砂土的滲透系數。邱龑等[4]通過常水頭試驗，測定了采用泡沫劑、膨潤土和聚合物改良后的富水砂性土滲透系數K。彭磊等[5]對礫砂土地層的泡沫改良技術進行了室內試驗研究，分析了氣液流量比、含水率和泡沫摻量對塑流性的影響以及改良前后土樣滲透系數的變化規律。蘇立君等[6]開展了單一粒徑級砂土和多粒徑混合砂土的常水頭滲透試驗，討論了曲率系數和不均勻系數等級配參數對滲透性的影響，并將單一粒徑級砂土的研究成果推廣到天然砂土。楊兵等[7]采用常水頭試驗方法，研究了砂土不均勻系數、曲率系數、平均粒徑和孔隙比對滲透系數的影響，并用正交試驗方法對各影響因素進行了顯著性分析，采用控制變量法進一步研究了各因素與滲透系數的關系。張禮華等[8]通過常水頭滲透試驗探究了不同泡沫劑體積分數及摻入體積比對渣土滲透性的影響情況。喬國剛等[9]采用常水頭試驗分別對細粒、粗粒砂土進行了滲透性試驗，研究了泡沫、泡沫和膨潤土或黏土混合對渣土的改良效果。魏康林[10]通過改進的變水頭滲透試驗探究了不同泡沫的摻入量、消散程度和不同土質情況下泡沫和土樣混合物的滲透性變化情況。熊建明等[11]通過對黏性土和砂土進行滲透性試驗，探究了不同體積分數和泡沫注入體積比對其滲透性的影響規律。Quebaud等[12]采用常水頭滲透試驗測定2種粒徑砂土與泡沫混合物的滲透系數，通過改變泡沫的摻入量、泡沫體積分數、砂土含水率以及泡沫劑種類等得到采用混合型表面活性劑改良孔隙間隙為0～4 mm砂土的效果，并得到當滲透系數小于10-6m/s時可滿足土壓平衡盾構安全掘進要求的結果。Borio等[13]通過高水位的常水頭滲透試驗模擬了實際施工時遇到的水頭過高的現象，結果表明在0.1 MPa的壓力下泡沫劑依然能夠顯著提高砂土的抗滲性，但是砂土的滲透性不能滿足實際需要。綜上可知，國內外對泡沫與砂土混合物的滲透性研究較多，主要控制變量是泡沫劑摻入量、泡沫劑的體積分數、泡沫劑的種類和砂土的含水率等，而從級配角度研究砂土與泡沫混合物滲透性變化規律的文獻比較少。

在研究砂土級配對泡沫改良效果的影響之前，首先要確定砂土的級配情況。以往的研究多從顆粒的粒徑、不均勻系數Cu、曲率系數Cv和孔隙率n這幾個方面確定，但是研究無黏性土的滲透特性時，還可以將土體視為由多束平行管道組成的理想體，管道的直徑就是土的平均孔隙直徑d0。文獻[14]表明： 盡管有些天然土是由各種粒徑的土組成的，但是真正決定其滲透系數的是細粒部分的占比，即使其他部分的占比不同，所得到的結果也幾乎相同； 所以砂土的平均孔隙直徑必然與細粒部分的占比有關，其中決定平均孔隙直徑的一個重要參數是顆粒的等效粒徑d20。

為了研究砂土級配對砂性渣土-泡沫混合物的影響，本文引入了等效粒徑d20探究細粒含量與渣土的滲透性規律，結合泡沫劑的體積分數、摻入量和時間等變量，研究盾構砂性渣土與泡沫混合物的滲透性規律，分析各因素對混合物滲透性的影響特征，旨在為現場土壓平衡盾構渣土改良提供技術支撐。

1 試驗材料及試驗設備

1.1 試驗材料

試驗所用砂土取自湘江流域，測試主要參數包括砂土比重、滲透系數和孔隙率等，根據《鐵路工程土工試驗規程》[15]，分別采用比重法、TST-70型常水頭滲透儀和XD-1型手動相對密度儀開展測試。

文獻[7]指出： 當不均勻系數Cu增加到一定值時，滲透系數將不隨不均勻系數Cu的改變而變化，即在這時已經趨于穩定。為研究等效粒徑d20對砂土滲透性的影響規律，本次試驗在配置砂土時取Cu>11，同時為保證砂土級配的均勻性，取曲率系數Cc為1～3。為了更加詳細地反映各種參數之間的關系，本次試驗配制了5種級配的砂土，并將其進行編號，分別對應1、2、3、4、5，具體的參數和粒徑分布曲線分別如表1和圖1所示。其中，平均孔隙直徑計算公式為

d0=0.63nd20。

(1)

式中:d0為平均孔隙直徑；d20為試樣的等效粒徑，指粒徑分布曲線上質量占比小于20%時所對應的粒徑值；n為試樣的孔隙率。

表1 5種級配砂土的參數Table 1 Parameters of five kinds of sands

圖1 粒徑分布曲線Fig. 1 Distribution curves of grain sizes

1.2 試驗設備

本次試驗所采用的泡沫劑來自國內盾構渣土改良某常用品牌，通過將壓縮后的空氣采用0.2 MPa壓力打入盛有一定體積分數泡沫劑溶液的發泡裝置中，從而產生滿足盾構使用的30～400 μm粒徑的泡沫[2]。泡沫發生裝置由空氣壓縮機和泡沫機2個部分組成，如圖2所示。

圖2 泡沫發生裝置Fig. 2 Foam generator

考慮到泡沫劑體積分數對其發泡率和半衰期的影響，通過測定2%、3%、4%和5% 4種體積分數泡沫劑的發泡率和半衰期幫助確定具體的體積分數。測得的試驗結果如表2所示。根據實際工程對發泡率(>10%)和半衰期(>5 min)的要求, 綜合考慮實際效果和經濟因素，本次試驗選取的泡沫劑體積分數為3%。

表2不同體積分數泡沫劑溶液的發泡率和半衰期

Table 2 Foaming rate and half-life of solution with different concentrations

體積分數/%發泡率/%半衰期/min211.68.5313.616.5414.320.5518.225.5

2 滲透性試驗方案

砂性土的含水率影響著泡沫加入時的穩定性，同時也影響到兩者混合后的流塑性，因此，確定泡沫劑改良渣土的含水率至關重要。試驗以原始級配的砂土為樣本，含水率w分別為10%、15%和23%(飽和含水率)，泡沫劑體積分數c為3%，FIR為30%(FIR是指泡沫注入體積比，即泡沫體積與砂土體積的比值)。通過觀察發現： 含水率為15%和23%的混合物，流動性極強，均出現泌水、泡沫上浮現象，尤其以含水率為23%的砂樣(飽和)最為明顯，泡沫與砂土難以混合，幾乎漂浮于砂樣表面；含水率為10%的砂樣，流動性適中，且具有一定的塑性。因此，研究含水率為10%的砂土的滲透性變化規律更具有實際意義和代表性。

試驗總體方案如下： 1)在探究砂土級配情況對混合物滲透性的影響時，取含水率w=10%、體積分數c=3%、泡沫注入體積比FIR=30%，測定砂土和泡沫混合物在相同時間間隔15 min內的滲透系數。通過測量得到不同水溫下的滲透系數，將其統一轉化為20 ℃下的滲透系數，即K20； 2)在探究體積分數對其滲透性的影響時，針對砂樣1在w=10%、FIR=30%情況下，c分別取2%、3%和4%進行滲透試驗； 3)在探究FIR對混合物滲透性的影響時，同樣針對砂樣1在w=10%、c=3%條件下，FIR分別取10%、20%和30%進行滲透試驗。

簡要試驗過程如下： 第1步，將烘干后的砂土放入攪拌器內，加入一定量的蒸餾水控制砂土的含水率為10%，控制攪拌時間為30 s； 第2步，制備試驗所用的泡沫，在0.2 MPa壓力下，將泡沫劑溶液與壓縮空氣混合，通過發泡裝置取相應體積的泡沫，并倒入攪拌器內，與砂土混合攪拌30 s； 第3步，取出砂土-泡沫混合物，分3層裝入TST-70型滲透儀內(事先在底部放置濾網和濾紙)，用撫平器整平表面，在試樣頂部放置濾網和濾紙，并開始滲透試驗。在試驗過程中嚴格控制制樣時間為10 min，總的裝樣時間不超過2 min。當溢流管開始有水溢出時重新計時，然后每隔15 min記錄1次數據，總共記錄3次，總的試驗時間為45 min。待1組試驗做完后，再進行2組重復試驗。

3 級配對混合物滲透性的影響

3.1 時間對砂土-泡沫混合物滲透性的影響

圖3示出了砂土-泡沫混合物和原樣砂的滲透系數隨時間的變化情況。由圖3可知： 不同級配砂土-泡沫混合物的滲透系數在時間上的變化規律基本一致，隨著時間的增加，混合物的滲透系數K20逐漸增加。

圖3w=10%、c=3%、FIR=30%時，滲透系數隨時間的變化情況

Fig. 3 Variation of permeability coefficientK20with time whenw=10%,c=3% andFIR=30%

圖4示出5種級配的砂土滲透系數變化率隨時間的變化情況。滲透系數變化率=(原樣砂的滲透系數-砂土泡沫混合物的滲透系數)/原樣砂的滲透系數。由圖4可知： 1)砂樣1、2、4的滲透系數變化率基本一致，滲透系數K20較小且隨時間無明顯變化，即改良效果較穩定； 2)砂樣3的滲透系數變化率初始值偏小，隨著時間的增加滲透系數變化率逐漸降低，即改良效果逐漸降低； 3)砂樣3與砂樣4的滲透系數變化率出現異常，因為試驗砂樣級配范圍比較小，且在試驗過程中，受溫度和振動等因素的影響泡沫容易上浮，導致數據波動； 4)砂樣5的情況比較特殊，起始變化率較大，隨著時間的增加變化率明顯減小，即改良效果隨時間的穩定性較差，說明此時砂土中的泡沫穩定性變差，產生該現象的原因主要是該類砂土等效粒徑d20偏大，由于測得的孔隙率n也較大，因此其平均孔隙直徑d0大于其他砂樣的d0，使充填在其中的泡沫穩固性差，容易滲出或上浮，從而導致泡沫減少，致使滲透系數增大。

3.2 砂土的等效粒徑對滲透性的影響

圖5示出了不同時間梯度滲透系數K20和等效粒徑d20的關系曲線。由圖5可以看出： 與未加泡沫的砂樣相比，砂土-泡沫混合物的滲透系數明顯減??； 隨著d20的增加，滲透系數在不同時間段內的差值增大，即砂樣-泡沫混合物滲透性變化對時間的敏感性增加。由圖5中曲線的變化規律可以發現： 當d20逐漸減小時，改良前后砂樣的滲透系數逐漸接近，即當d20較小時，加泡沫對其滲透性的改良效果不佳。整體來看，不同級配砂土在同一時間段內的滲透系數變化規律大致相同，即5種級配砂土的滲透系數與等效粒徑d20的關系大致呈線性變化。

黑點表示砂樣1到砂樣5在第1個15 min內的滲透系數變化情況，即d20對K20的影響關系； 三角形對應第2個15 min； 方形對應最后一個15 min。

圖5滲透系數與等效粒徑的關系曲線
Fig. 5 Relationship curves betweenK20andd20

4 泡沫劑體積分數對混合物的滲透性影響

圖6示出了不同泡沫劑體積分數下砂樣1的滲透系數隨時間的變化情況。由圖6可知： 在不同體積分數的泡沫劑下砂樣1的滲透系數隨時間的變化規律基本一致，均隨著時間的延長逐漸增大。圖7示出砂樣1的滲透系數隨泡沫劑體積分數的變化曲線。由圖7可知： 隨著泡沫劑體積分數的增加，砂土與泡沫混合物的滲透系數先減小后增大，說明僅增加泡沫劑體積分數并不能有效降低砂土滲透系數，甚至起相反作用，且增加了成本； 當泡沫劑體積分數為3%時，砂樣1的滲透系數K20最小，說明泡沫劑體積分數為3%時，對砂樣1的改良效果最好。由于不同體積分數下，所產生的泡沫直徑會有所差別，考慮到這個原因，說明砂樣1與體積分數為3%的泡沫劑所產生的泡沫匹配情況較好。

圖6不同泡沫劑體積分數下砂樣1的滲透系數隨時間的變化情況

Fig. 6 Variations of permeability coefficient of sand sample 1 with time under different foaming agent concentrations

圖7 砂樣1的滲透系數隨泡沫劑體積分數的變化曲線

Fig. 7 Variations of permeability coefficient of sand sample 1 with foaming agent concentrations

5 泡沫注入體積比對混合物的滲透性影響

圖8示出了不同泡沫注入體積比時砂樣1的滲透系數隨時間的變化曲線。由圖8可知： 泡沫注入體積比不同時砂樣1的滲透系數隨時間的變化規律基本一致，均隨著時間的延長逐漸增大。

圖9示出砂樣1的滲透系數隨泡沫注入體積比的變化曲線。由圖9可知： 當泡沫劑注入體積比為20%時，砂樣1的滲透系數最小，說明泡沫劑注入體積比為20%時，對砂樣1的改良效果最優； 另外，泡沫劑體積分數為20%和30%時混合物的滲透系數差別不大，當間隔時間為30 min和45 min時滲透系數存在稍微增加的趨勢，表明當泡沫注入量達到一定值時，繼續加入泡沫不會降低砂土的滲透系數。

圖8不同泡沫注入體積比時砂樣1的滲透系數隨時間的變化曲線

Fig. 8 Variations of permeability coefficient of sand sample 1 with time under different values ofFIR

圖9 砂樣1的滲透系數隨泡沫注入體積比的變化曲線

Fig. 9 Variations of permeability coefficient of sand sample 1 with values ofFIR

6 結論與討論

本文主要通過砂土的常水頭滲透性試驗探討了砂土級配、泡沫劑體積分數以及泡沫體積注入比對砂土-泡沫混合物滲透性的影響規律。主要結論如下：

1)隨著等效粒徑的增加，混合物滲透系數在不同時間段的差值增大，即砂樣-泡沫混合物對時間的敏感性增加； 所研究的不同砂土加入泡沫后的滲透系數均達到了10-4cm/s，說明砂樣的滲透性均能得到改良； 泡沫注入體積比不同時混合物的滲透系數在時間上的變化規律基本一致，隨著時間的增加，混合物的滲透系數逐漸增加。

2)當等效粒徑逐漸減小時，改良前后砂樣的滲透系數逐漸接近，即當等效粒徑較小時，加入泡沫后對其滲透性的改良效果不佳。

3)在同一時間段、同一注入體積比條件下，砂樣的滲透系數隨著泡沫劑體積分數的增大呈現先減小后增加的規律，說明并非泡沫劑體積分數越大改良效果越好。

4)在同一時間段、同一體積分數下，砂樣的滲透系數隨著泡沫注入體積比的增加先減小后保持不變，說明當泡沫注入體積比達到一定值時，滲透系數不隨其增加而改變，即存在一個最優注入比。

此外，本研究所用砂土的粒徑偏小，下一步需對大粒徑渣土的滲透規律進行探究。實際盾構施工過程中砂性渣土不僅應具有抗滲性，還要具有較好的流塑性和保水性，因此，應進一步探究泡沫與膨潤土或聚合物混合改良后的砂性渣土的滲透規律。另外需改進試驗設備，探究高水頭壓力對滲透試驗結果的影響規律及改良方法。

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