砂-黏混合地層渣土改良及膨潤土泥漿摻入規律研究*

董敏琪 陳志敏,2 黃 峰 肖瑞傳 張會東 彭洪秋

(1.蘭州交通大學土木工程學院， 730070， 蘭州； 2.蘭州交通大學道橋工程災害防治技術國家地方聯合工程實驗室， 730070， 蘭州； 3.廣州地鐵集團有限公司， 511430， 廣州∥第一作者， 碩士研究生)

將渣土改良為流塑性的理想狀態，是土壓平衡盾構順利施工的關鍵[1]。國內外學者對渣土改良的新材料及常用材料新配方做了諸多研究。改良地層包括富水砂層[2]、砂卵石地層[3]、黏性土層[4]、風化花崗巖地層[5]及其他特定土層[6]。針對砂-黏混合地層盾構渣土改良鮮有研究。砂-黏混合地層兼具砂質地層與黏性土層雙重特性：當部分地層黏粒含量居多時，會出現土艙結泥餅、土體易黏結刀盤等情況[7]；當地層砂粒含量居多時，會出現刀盤磨損、土艙堵塞及噴涌等情況[8]。通過室內試驗得到的單一地層土的渣土改良配比方案無法將復雜地層的渣土改良達到理想狀態。

廣州地鐵21號線(以下簡為“21號線”)工程地層為砂-黏混合地層，其土壓平衡盾構施工中遇到了上述難題。對此，本文基于21號線的工程地質情況，通過室內重塑土樣，根據含砂率梯度及含水率梯度形成砂-黏混合地層土樣集，對砂-黏混合地層的渣土改良進行研究，分析了改良劑摻入比規律，并擬合摻入比隨地層含砂率及含水率變化的函數關系，以期為土壓平衡盾構施工的渣土改良提供理論參考。

1 渣土改良劑的選擇

在改良材料方面，國內外常用渣土改良材料有4大類，各自代表性材料分別是膨潤土、泡沫劑、環氧樹脂、CMC(羧甲基纖維)。其中膨潤土因不透水性強、漿液流動性大、適用性廣等優點被工程實踐廣泛采納。本次渣土改良試驗研究也采用膨潤土漿液。目前常用的膨潤土有鈣基膨潤土和鈉基膨潤土。

1.1 膨潤土的選擇

本研究采用小型泥漿攪拌機進行泥漿配置。首先，分別配置質量分數為1%～18%的鈣基膨潤土泥漿與鈉基膨潤土泥漿；然后，采用馬氏漏斗黏度計，測出不同濃度下鈣基膨潤土泥漿和鈉基膨潤土泥漿的黏度，并繪制膨潤土質量分數-泥漿黏度關系圖，如圖1所示。

圖1 膨潤土質量分數-泥漿黏度關系曲線

由圖1可見，在質量分數相同的情況下，鈉基膨潤土的泥漿黏度更大。因此，鈉基膨潤土更加適合作為渣土改良劑。這與文獻[9]的結論一致。

1.2 泥漿質量分數及膨化時間

21號線的土壓平衡盾構機采用膠管擠壓泵泵送膨潤土泥漿。接入尾盾的支路管徑為25 mm，相應有效內徑Φ內≤20 mm，且接入盾尾的支路管上設有三通、球形閥等設備零部件。可預見，如果有泥漿疙瘩，則將會堵塞泥漿泵送設備，降低盾構安全性及施工效率。

在保證膨潤土泥漿泵送暢通情況下，應盡可能采用黏度較高的泥漿溶液，其中的膨潤土顆粒用于填充砂黏土顆粒之間空隙以降低改良渣土滲透系數，可保障盾構掌子面穩定性[10]。但試驗也發現，當泥漿質量分數超過10%時，泥漿疙瘩增量明顯，且泥漿疙瘩的直徑增大。因此，配置泥漿的膨潤土質量分數最優值為10%。

在膨潤土膨化試驗中發現，在泥漿質量分數為10%、攪拌機間隔攪拌18 h的膨潤土泥漿中，仍存在微量直徑約為1 cm、未融于水的泥漿疙瘩，附著于筒壁。因此需進一步優化。

通過室內試驗，得到泥漿黏度與膨化時間的關系，如圖2所示。由圖2可知，增加泥漿膨化時間至24 h，不僅能有效減小泥漿疙瘩的直徑和數量，還能增大膨潤土泥漿黏度至靠近峰值，當超過24 h時，泥漿狀態基本不再變化。因此，滿足砂-黏混合地層施工要求的最佳膨化時間為24 h。

圖2 膨化時間-泥漿黏度關系曲線Fig.2 Expansion time-slurry viscosity relationship curve

綜合上述，本研究選取質量分數為10%、膨化時間為24 h的鈉基膨潤土泥漿作為標準改良劑。

2 砂-黏混合地層膨潤土的摻入規律

2.1 理想狀態渣土的的坍落度

參考工程實際和國內眾多學者的研究成果，坍落度試驗被廣泛用來對改良后的盾構渣土狀態進行評價。在室內試驗中，改良后理想狀態的渣土如圖3所示。試驗結果表明，在不同含砂率及不同含水率的情況下，在坍落度H為150～200 mm時，采用鈉基膨潤土改良后的盾構渣土均能保持良好的流塑性及保水性，達到理想狀態。

a) 黏粒含量居多的渣土

2.2 室內渣土改良試驗方案

土壓平衡盾構渣土改良試驗研究采用重塑土樣。根據21號線地質勘探資料，盾構施工地層主要為砂-黏混合地層，其含砂率β大致為15%～85%；相應的含水率ω為8%～22%。

室內試驗方案如下：

1)對室內重塑土樣采用不同的β。對整個地層的β進行梯度分級，按砂的質量與砂-黏地層土總質量之比分別取20%、40%、60%、80%，形成β梯度土樣集。

2)調查統計不同β地層的ω，確定ω范圍。基于調研結果，劃分ω梯度，形成砂-黏混合地層土樣集如表1所示。

3)利用標準改良劑，對表1所示的土樣集進行渣土改良研究。

表1 砂-黏混合地層土樣集

2.3 渣土改良結果

β不同、ω不同的砂-黏混合地層土樣塌落度隨標準改良劑摻入比f的變化關系如圖4—圖7所示。

圖4 β=20%時的f與H關系曲線

圖5 β=40%時的f與H關系曲線

由圖4～圖7可知，β相同、ω不同時，理想狀態渣土的改良劑摻入方案完全不同。例如：當β=20%、ω=15%時，渣土達到理想狀態時(H=150～200 mm)的摻入比f為34%～41%；當β=20%、ω=21%時，f為15%～18%。由此可見，在β一樣、ω不同的情況下，f相差較多。同理，ω相同、β不同時，f也完全不同。

圖6 β=60%時的f與H關系曲線

圖7 β=80%時的f與H關系曲線

由不同β下的f與H關系，可得到β相同時的f隨ω變化的關系圖(見圖8)，以及ω相同時的f隨β變化的關系圖(見圖9)。

由圖8可知，當β相同時，隨著ω的增加，f呈遞減趨勢。究其原因，渣土中所含水分會使渣土流塑性增大。

由圖9可知，當ω相同時，隨著土體β的增加，f也呈遞減趨勢。從微觀上看，鈉基膨潤土泥漿填充在土顆粒的縫隙中，形成一層低滲透性薄膜，減小了渣土內摩擦角，從而增大渣土流塑性。土體β越高，黏粒含量越少，其比表面積越小，故包圍土顆粒所需的膨潤土泥漿量越少。由此，在土壓平衡盾構施工現場，隨著砂-黏混合地層β的變化，f也應相應調整。

2.4 f的取值

對H=150 mm及H=200 mm對應的f取平均值即為fav，結果如表2所示。

對表2中的結果采用二次函數擬合，得到在砂-黏混合地層中使用標準改良劑后，f隨β及ω變化的函數關系經驗公式：

圖8 f隨ω變化的關系曲線

圖9 f隨β變化的關系曲線

表2 不同ω及β對應的fav

f(β,ω)=0.719 7β2-1.565β+14.26ω2-

8.473ω+1.447βω+1.551

(1)

該擬合公式的確定系數R2=0.972 4，說明擬合效果較優。

3 結論

1)在相同質量比及施工條件下，與鈣基膨潤土相比，鈉基膨潤土的泥漿黏度更大。因此，鈉基膨潤土更適合作為土壓平衡盾構標準改良劑。

2)根據泥漿泵送環境及泥漿狀態，鈉基膨潤土泥漿濃度最優應為10%，膨化時間宜為24 h。此時，既滿足砂-黏混合地層土壓平衡盾構施工要求，也能保證盾構施工的安全性及高效性。

3)β不同時的f完全不同。在β相同、ω不同的工況下，f也完全不同。

4)砂-黏混合地層土壓平衡盾構現場施工時，隨著ω的增加，應調低f；隨著β的增加,也應調低f。應避免因過多添加膨潤土泥漿而導致出現渣土離析現象及工程不經濟情況，也應避免膨潤土泥漿添加不足而導致渣土達不到理想狀態的情況。

5)擬合出f隨β及ω變化的函數關系，且擬合效果較優。