基于剪切試驗的全風化花崗巖地層泡沫渣土改良研究

【摘要】為研究全風化花崗巖地層中盾構(gòu)刀盤結(jié)泥餅現(xiàn)象，使用取自廣州地鐵21號線的全風化花崗巖開展了切向界面力與加壓十字板兩種剪切試驗，基于上述兩種剪切試驗研究泡沫渣土改良對掘進所需扭矩的影響。研究結(jié)果表明：（1）界面剪切試驗可用于衡量土體在黏性地層中的泥餅風險，低界面剪切強度對應低泥餅風險；（2）當土體的含水率處于其塑限和液限之間時，土體含水率越高，土-金屬切向界面力越低，十字板剪切所需扭矩越高；（3）注入泡沫將有效降低盾構(gòu)掘進中的扭矩需求及泥餅風險，在掌子面壓力較大時，使用高注入率會有更大收益；（4）較低的發(fā)泡倍率可獲得較低的切向界面力和十字板扭矩，掌子面壓力較大時，較低的發(fā)泡倍率會獲得更好的渣土改良效果。

【關鍵詞】土壓平衡盾構(gòu)； 全風化花崗巖； 泡沫渣土改良； 切向界面力； 剪切試驗

【中圖分類號】U455.43【文獻標志碼】A

［定稿日期］2022-11-11

［作者簡介］賈思楨（1997—），男，碩士，研究方向為盾構(gòu)隧道。

0 引言

在黏性地層的盾構(gòu)掘進過程中，由于地層中土顆粒之間較強的黏附作用，在盾構(gòu)機頂進力的作用下，刀盤前方土體易發(fā)生黏附固結(jié)，從而產(chǎn)生結(jié)泥餅的現(xiàn)象。在刀具被黏附土體包裹后，刀具的貫入度將大幅降低，引起刀具偏磨，掘進效率下降等諸多問題。刀具被黏附土體徹底糊住后需要帶壓進倉，以處理刀具和刀盤上的泥餅，帶壓進倉處理將延長施工工期，增加施工成本和施工風險。在施工中采用泡沫劑可有效對黏性土體改良，使其具有較好的流塑性、低摩擦力以及低透水性，從而避免黏性地層中施工可能遇到的泥餅等問題［1-3］。

黏土與金屬之間的黏附力常被用來解釋和研究黏性地層盾構(gòu)施工中可能遇到的泥餅問題。張慶建［4］通過黏附力模型試驗發(fā)現(xiàn)土體與金屬之間的法向黏附力在土體含水率低于液限時，隨土體含水率的增加而增加。邱長林等［5］采用相同的黏附模型試驗裝置開展試驗，發(fā)現(xiàn)含水率較低時土體不排水抗剪強度大于界面法相黏附力，含水率較高時二者關系反轉(zhuǎn)。Sass等［6］使用活塞拉拔試驗系統(tǒng)研究了不同金屬粗糙度，豎向荷載及稠度系數(shù)下的界面法向力。

然而，在盾構(gòu)施工過程中，前方刀盤上土體受力復雜，除垂直于刀盤的法向力外，平行于刀盤的切向力也將影響泥餅的形成，如圖1所示。喬國剛［7］使用直剪試驗研究了不同泡沫渣土改良條件下的土體剪切強度。Basmen等［8］通過拉拔試驗和改良剪切試驗對比了切向界面力和法向力，發(fā)現(xiàn)切向界面力隨含水率升高而降低。楊益等［9］采用錐體拉拔試驗研究了老黏土地層中的黏附現(xiàn)象，試驗發(fā)現(xiàn)分散劑可大幅降低土體的黏附問題。Feinendegen等［10］認為切向力對黏附作用影響巨大，指出在錐體拉拔試驗中，土體表面的液膜對界面法向拉拔力的影響巨大。除法向切向界面力外，十字板剪切試驗可被用于反映盾構(gòu)施工過程中所需的扭矩，并可用于計算土體的剪切強度。Mori等［11］，Meng等［12］，Zumsteg［13］等分別用各自的十字板剪切裝置研究了渣土改良對土體改良渣土剪切強度的影響。

由上述分析可見，現(xiàn)有針對界面力的研究多集中在法向界面力。切向界面力對盾構(gòu)施工的影響未被深入研究，而該影響在刀盤邊緣處不可忽視。因此，本文使用改進后的直剪儀研究了改良渣土的切向界面力，使用加壓十字板剪切裝置測試了各改良渣土中所需的扭矩，并最終在實際的盾構(gòu)隧道工程中對試驗結(jié)果進行了有效應用。該試驗結(jié)果證明了切向界面力在盾構(gòu)施工中的重要性。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗土體為取自廣州地鐵21號線金坑—鎮(zhèn)龍南區(qū)間的全風化花崗巖受擾動的碎屑。該區(qū)間采用土壓平衡盾構(gòu)施工，盾構(gòu)直徑6.0 m，埋深12～22 m，如圖2所示。試樣采集段土體由淺至深主要為素填土、粉質(zhì)黏土、中粗砂、砂性粉質(zhì)黏土、全風化花崗巖、強風化花崗巖。在全風化花崗巖段的盾構(gòu)掘進過程中，掌子面出現(xiàn)了較為嚴重的刀盤堵塞和刀盤結(jié)泥餅現(xiàn)象，如圖3所示。

由前述分析可知，切向界面力有助于切削黏附于刀盤上的土體，延緩甚至避免堵塞及泥餅形成，而十字板剪切試驗有助于直觀反映盾構(gòu)施工中的扭矩需求。因此，采取粉碎全風化花崗巖的方式開展了一系列試驗，粉碎后的全風化花崗巖土體級配曲線如圖4所示。

試驗過程中所用全風化花崗巖的主要物理力學參數(shù)（來源于現(xiàn)場地勘報告）如表1所示。

1.2 試驗方法

測試金屬-土體切向界面力時，使用鋼制柱體填充直剪試樣盒的下半部，再將試驗土體填滿試樣盒上半部，如圖5所示，從而將土體內(nèi)部的剪切破壞替換為金屬和土體之間的剪切破壞。試驗采用電動四聯(lián)直剪儀進行界面剪切試驗，如圖6所示。直剪試驗［14，15，19］按照土工試驗標準進行，該直剪儀最大法向荷載為0.4 MPa，為模擬盾構(gòu)刀盤前土體的實際工況選擇了固結(jié)快剪試驗。具體細節(jié)為：

（1）松軟試樣垂直壓力應分級施加荷載（0.1 MPa、0.2 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa），每1 h測垂直變形，固結(jié)穩(wěn)定標準為每1 h不大于0.005 mm。

（2）以2.4 mm/min的剪切速度進行剪切，試樣每產(chǎn)生剪切位移0.2～0.4 mm測記測力計和位移讀數(shù)，直至測力計讀數(shù)出現(xiàn)峰值，應繼續(xù)剪切至剪切位移為4 mm時停機，記下破壞值。

（3）以測力計讀數(shù)為縱坐標，剪切位移為橫坐標，繪制測力計讀數(shù)與剪切位移關系曲線，取曲線上剪應力的峰值為界面剪切強度。

試驗所用加壓十字板剪切試驗裝置如圖7、圖8所示。該裝置通過最大行程為18 cm的液壓千斤頂加壓，最大可施加法向壓力達1.2 MPa。

加壓十字板剪切試驗具體試驗步驟：

（1）取干燥試驗土樣10 kg，加水混合以達到試驗所需含水率，并密封靜置24 h以使得土體含水率均勻。

（2）以既定發(fā)泡參數(shù)注入泡沫。

（3）分層制備試樣，每層試樣高度為5 cm。

（4）試驗時首先在試樣土體上方放置頂蓋，再使用液壓千斤頂加壓頂蓋至指定壓強（分別為0.0 MPa、0.1 MPa、0.2 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa、0.5 MPa，每1 h測垂直變形，固結(jié)穩(wěn)定標準為每1 h不大于0.037 5 mm）。

（5）使用扭矩計記錄十字板剪切所需扭矩。

在泡沫渣土改良中，渣土的最終改良效果與土體自身含水率、發(fā)泡液的濃度、泡沫注入率以及發(fā)泡倍率等重要因素相關聯(lián)見式（1）。

w=m-msms×100%（1）

式中：w為土體含水率，m為試驗土體質(zhì)量，ms為試驗土體烘干后質(zhì)量見式（2）。

c=m1m0×100%（2）

式中：c為發(fā)泡液濃度，m1為泡沫劑的質(zhì)量，m0為發(fā)泡液的質(zhì)量見式（3）。

FIR=V1V2×100%（3）

式中：FIR（Foam Injection Rate）為泡沫注入率，V1為注入泡沫總量，V2為渣土的容積；

發(fā)泡倍率FER見式（4）。

FER=V1V0（4）

式中：FER（Foam Expansion Ratio）為發(fā)泡倍率，V1為注入泡沫體積，V0為發(fā)泡液體積，試驗中發(fā)泡倍率可以通過量筒進行量測與控制［16］；其中，發(fā)泡倍率是一個評估指標，但可以作為氣液比控制的間接參數(shù)來反映泡沫狀態(tài)，因此，將其納入了試驗的變量因素。

基于以上重要因素，本文為切向界面力試驗以及加壓十字板剪切試驗均設計了4組試驗，如表2所示。由于本文依托工程廣州地鐵21號線金坑—鎮(zhèn)龍南區(qū)間試驗土體的天然含水率為20.3%（表1），因此在試驗中選擇與工程實際土體較為接近的含水率范圍（16%～22%）。

2 改良渣土切向界面力測試

2.1 土體含水率對切向界面力的影響

各土體含水率下的改良渣土切向界面力如圖9所示。由圖9可見，改良渣土界面剪切強度隨含水率增高而降低，剪切強度降低的幅度則隨法向應力的提升而增大，0.4 MPa時剪切強度由16%時的149 kPa降低至22%時的112 kPa。此外，在試驗土體的天然含水率為20.3%附近，切向界面力在0.1 MPa、0.2 MPa法向應力狀態(tài)下隨含水率變化幅度不大。在實際工程中，改良渣土切向界面力跟含水率的關系與掌子面壓力有關，當掌子面壓力較大時，土體含水率對于界面剪切強度影響較大。

2.2 泡沫注入率對切向界面力的影響

圖10為各泡沫注入率下的改良渣土界面剪切強度。由圖10可見，注入泡沫將有效降低土體的界面剪切強度。隨著泡沫注入率的增加，界面剪切強度降低，且降低的幅度與法向應力大小有關，法向應力較大時，各注入率下的剪切強度差異增大［17-18］。這說明注入率較高時，泡沫在土體中的穩(wěn)定性較強，即使在高壓作用下，泡沫仍起到改良效果。但也可以看到60%與80%泡沫注入率兩種工況在0.10 MPa法向應力條件下，其界面剪切強度相差不大，因此，為綜合考慮實際工程經(jīng)濟效益與渣土改良效果，實際的渣土改良過程中，泡沫注入率應隨掌子面壓力的變化動態(tài)而不斷調(diào)整。當掌子面處壓力較大時，提高泡沫注入率對于渣土改良有更大收益，當掌子面處壓力較小時，則提高泡沫注入率對于渣土改良的收益有限。

2.3 發(fā)泡液濃度對切向界面力的影響

各發(fā)泡液濃度下的界面剪切強度如圖11所示。0.4 MPa下2%濃度時的剪切強度為108 kPa，3%時剪切強度降低至100 kPa，但濃度高于3%以后，改良渣土的界面剪切強度變化不大。此外濃度達到3%后，擬合曲線趨近于水平線，這說明發(fā)泡液濃度達3%后，泡沫改良渣土在各法向應力下的穩(wěn)定性均不再產(chǎn)生明顯變化。

2.4 發(fā)泡倍率對切向界面力的影響

各發(fā)泡倍率下的切向界面力如圖12所示，由圖12可見，改良渣土界面剪切強度隨發(fā)泡倍率的降低而降低。發(fā)泡倍率由14降至10時，0.4 MPa下的界面剪切強度由117 kPa降低至100 kPa。其原因為，當發(fā)泡倍率較高時，形成的泡沫中氣體體積較多，這導致氣泡自身體積較大，單個氣泡的液膜面積也因此大幅增長。較大的液膜面積加大了氣泡與土顆粒之間的接觸面積，也加快了土顆粒吸附而造成的液膜排水過程。在較大的法向應力作用下，具有較差穩(wěn)定性的氣泡將在土體內(nèi)破裂，使得渣土改良效果下降。因此，高發(fā)泡倍率下的剪切強度較高，且與低發(fā)泡倍率的差距在高壓下更為明顯。然而由發(fā)泡倍率為10開始，發(fā)泡倍率的下降不再帶來明顯的剪切強度下降，而是穩(wěn)定在96 kPa左右，證明此時泡沫已獲得充分穩(wěn)定性。可見，在實際施工過程中，如掌子面需要的壓力較大，選用較低的發(fā)泡倍率會獲得更好的渣土改良效果。

3 加壓十字板剪切測試

3.1 土體含水率對加壓十字板扭矩的影響

不同含水率下的十字板剪切扭矩如圖13所示。由圖13可見，在試驗的含水率范圍內(nèi)（16%～22%），隨著土體含水率的升高，十字板剪切獲得的扭矩也隨之升高。這一現(xiàn)象與圖8相反，在圖8中，界面剪切力隨含水率升高而降低。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因可能是，當土體含水率升高后，黏土粘附在十字板上導致扭矩的增大，這也模擬了盾構(gòu)施工中刀盤粘附土體的情況，但當粘附到達一定程度時，十字板粘附量不再增加時，扭矩應當不會再上升。

由上述分析可見，含水率在盾構(gòu)施工和泥餅形成過程中的影響是互相矛盾的，隨著含水率上升會導致黏土粘附在十字板上，從而使得扭矩增大；但同時，較高含水率下土體界面剪切力更低，黏附土體更易在施工中的切削作用下脫落，因此考慮隨著水率進一步增大，理論上存在峰值，達到峰值后會扭矩會下降。實際工程中，如何平衡含水率對兩者的影響將關乎盾構(gòu)掘進的總體效率。

3.2 泡沫注入率對加壓十字板扭矩的影響

各泡沫注入率下的十字板扭矩如圖14所示。由圖14可見，與切向界面力試驗結(jié)果趨勢相同，泡沫注入率的升高顯著降低了十字板扭矩。0.5 MPa豎向壓力下，20%時的扭矩為9.7 N·m，而60%時的扭矩降低至6.3 N·m。十字板扭矩的在注入率達到60%后曲線趨于平緩。試驗結(jié)果表明，從降低盾構(gòu)掘進扭矩及避免泥餅方面，所需的泡沫注入率相同，在本文中為60%。

3.3 發(fā)泡液濃度對加壓十字板扭矩的影響

各發(fā)泡液濃度下的十字板扭矩如圖15所示。由圖15可見，發(fā)泡液濃度對十字板扭矩的影響與其對切向界面力的影響相似，在發(fā)泡液濃度達3%以后，曲線趨于平緩，各壓力下的十字板扭矩即趨于穩(wěn)定。

3.4 發(fā)泡倍率對加壓十字板扭矩的影響

圖16為各發(fā)泡倍率下的十字板扭矩，圖16中所示趨勢與圖11中所示趨勢相似，發(fā)泡倍率達到10以后其影響曲線斜率變緩，影響逐步降低。值得注意的是，發(fā)泡倍率從14至10的過程中，0.5 MPa下測試所得扭矩由10.8 N·m降低至5.4 N·m，降幅達到50%，下降幅度顯著高于切向界面力。由前述分析可知，各發(fā)泡倍率下氣泡穩(wěn)定性的差異是導致土體性質(zhì)差異的主要原因，在十字板剪切試驗中，由于試樣高度顯著高于界面剪切試驗，試樣的壓縮量也更大，因此試驗結(jié)果對氣泡穩(wěn)定性也更加敏感。

4 工程實際應用

上述試驗及數(shù)據(jù)分析分析：由圖10試驗結(jié)果可知60%與80%泡沫注入率兩種工況在0.40 MPa法向應力條件下，其界面剪切強度相差不大，且圖14試驗結(jié)果表明，十字板剪切扭矩在注入率達到60%后曲線趨于平緩，因此選用泡沫注入率為60%；由圖11試驗結(jié)果可知發(fā)泡液濃度達到3%后，擬合曲線趨近于水平線，且圖15試驗結(jié)果表明，發(fā)泡液濃度達3%以后，各壓力下的十字板剪切扭矩即趨于穩(wěn)定，因此選定發(fā)泡液濃度為3%；由圖12試驗結(jié)果可知，在發(fā)泡倍率小于10時，界面剪切強度曲線趨于平緩，且圖16試驗結(jié)果表明，發(fā)泡倍率大于10時，十字板剪切扭矩曲線也趨于平緩，因此選用發(fā)泡倍率10。

最終選定發(fā)泡液濃度3%，發(fā)泡倍率10，注入率60%作為廣州地鐵21號線金—鎮(zhèn)區(qū)間全風化花崗巖段的渣土改良方案，實施該方案前后的盾構(gòu)掘進扭矩如圖17所示。由圖17可見，采用本文的渣土改良方案后，盾構(gòu)平均掘進扭矩由之前的1.47 MN·m下降至0.94 MN·m，表明土體流塑性得以顯著提高。掘進扭矩的波動也相應降低，表明土體的均一性也獲得相應提高。這與加壓十字板剪切試驗的結(jié)果相吻合。圖18為改良后渣土狀態(tài)，坍落度為9.6 cm， 土體流塑較好。

圖19為盾構(gòu)接收時的掌子面土體黏附情況。由圖19可見，掌子面土體整體黏附量降低，且刀盤邊緣由于切向界面力較大，黏附量顯著低于刀盤中心。由此可見，本文渣土改良方案實測效果良好。

由上述現(xiàn)場數(shù)據(jù)及使用情況可見，界面剪切試驗中的界面剪切力可有效用于衡量盾構(gòu)掘進中的金屬與土體之間的黏附力；加壓十字板試驗中的十字板扭矩可有效用于衡量盾構(gòu)掘進中所需的扭矩大小。

5 結(jié)論與討論

（1）界面剪切試驗可用于衡量土體在黏性地層中的泥餅風險，低界面剪切強度對應低泥餅風險。加壓十字板試驗可用于衡量盾構(gòu)施工中所需扭矩大小，高十字板扭矩對應高掘進扭矩。

（2）當土體含水率介于塑限與液限之間時，土體含水率越高，土-金屬切向界面力越低（泥餅風險越低），十字板剪切所需扭矩越高（掘進扭矩越高）。實際盾構(gòu)施工中，應通過掌子面注水的方式選擇合適地層含水率，以獲得既有低泥餅風險，又有低扭矩需求的土體。

（3）注入泡沫將有效降低盾構(gòu)掘進中的扭矩需求及泥餅風險。在掌子面壓力較大時，使用高注入率會有更大收益，掌子面壓力較小時，收益則有限。在本文條件下合適的泡沫注入率為60%。

（4）發(fā)泡液濃度達3%后對切向界面力和十字板扭矩的影響有限。

（5）較低的發(fā)泡倍率可獲得較低的切向界面力和十字板扭矩。實際施工過程中，掌子面壓力較大時，較低的發(fā)泡倍率會獲得更好的渣土改良效果。

本文開展了不同泡沫渣土改良參數(shù)下的界面剪切試驗及加壓十字板剪切試驗，并用實際盾構(gòu)施工數(shù)據(jù)驗證了試驗結(jié)果的可靠性，但試驗結(jié)論仍存在一定局限性。文中測試了切向界面力，但未對比切向界面力與法向界面力。文中試驗的含水率范圍根據(jù)工程現(xiàn)場試樣土所取，具有局限性。同樣，本文研究沒有進一步分析含水率和泡沫的復合摻入對渣土改良的影響，在后續(xù)研究中將在進一步深入探討。文中發(fā)現(xiàn)土體含水率對黏性地層盾構(gòu)掘進至關重要，低扭矩及低黏附所需求的含水率在一定程度上互相矛盾，但文中未研究兩者需求在各種情況下的平衡點。因此，將在進一步研究中開展法向界面力試驗，并深入研究界面切向力及土體剪切力之間的關系。

參考文獻

［1］ 王樹英，劉朋飛，胡欽鑫， 等.盾構(gòu)隧道渣土改良理論與技術研究綜述［J］.中國公路學報，2020，33（05）：8-34.

［2］ Tao L， Chen Z， Cui J， et al. Experimental methods to assess the effectiveness of soil conditioning with foam in fully weathered granite［J］. Advances in Materia-ls Science and Engineering， 2019， 2019（1）：1.

［3］ 方勇，王凱，陶力銘， 等.黏性地層面板式土壓平衡盾構(gòu)刀盤泥餅堵塞試驗研究［J］.巖土工程學報，2020，42（9）：1651.

［4］ 張慶建. 飽和粘土地基中粘附強度試驗研究［D］. 天津：天津大學， 2014.

［5］ 邱長林， 張慶建， 閆澍旺， 等. 黏土黏附力試驗研究［J］. 巖土力學， 2017， 38（5）： 1267.

［6］ Sass I， Burbaum U. A method for assessing adhesion of clays to tunneling machines［J］. Bulletin of Engineering Geology and the Environment， 2009， 68（1）： 27.

［7］ 喬國剛. 土壓平衡盾構(gòu)用新型發(fā)泡劑的開發(fā)與泡沫改 良土體研究［D］.北京：中國礦業(yè)大學，2009.

［8］ Basmen K， Ghafoori M， Cheshomi A，et al. Adhesion of clay to metal surface： Normal and tangential measurement［J］. Geomechanics and Engineering， 2016， 10（2）.

［9］ 楊益， 朱文駿， 李興高， 等. 老黏土地層土壓盾構(gòu)刀盤堵塞渣土改良效果評價方法［J］. 北京交通大學學報， 2019， 43（6）： 43.

［10］ Feinendegen M， Ziegler M， Spagnoli G， et al. A New Laboratory Test to Evaluate the Problem of Clogging In Mechanical Tunnel Driving With EPB-shields［C］. 2010.

［11］ Mori L，Mooner M，Cha M . Characterizing the influence of stress on foam conditioned sand for EPB tunneling［J］.Tunnelling and Underground Space Technology， 2018， 71：454.

［12］ Meng Q， Qu F， Li S. Experimental investigation on vi-scoplastic parameters of conditioned sands in earth pre-ssure balance shield tunneling［J］. Journal of Mechanica-l Science amp; Technology， 2011， 25（9）：2259.

［13］ Zumsteg R，Ploetze M， Puzrin AM.Effect of Soil Conditioners on the Pressure and Rate-Dependent Shear Strength of Different Clays［J］. Journal of Geotechnical amp; Geoenvironmental Engineering， 2012， 138（9）：1138.

［14］ 馬連叢.富水砂卵石地層盾構(gòu)施工渣土改良研究［J］.隧道建設，2010，30（4）：411.

［15］ 葉新宇. 泥質(zhì)粉砂巖地層土壓平衡盾構(gòu)渣土改良試驗研究與應用［D］.長沙：中南大學，2014.

［16］ 徐琳琳，余金，蔣亞龍，等.泡沫性能測試及其在富水砂層渣土改良中應用［J］.地下空間與工程學報，2021，17（S1）：345.

［17］ 魏康林.土壓平衡盾構(gòu)施工中泡沫和膨潤土改良土體的微觀機理分析［J］. 現(xiàn)代隧道技術，2007（1）：73.

［18］ 魏康林.土壓平衡式盾構(gòu)施工中“理想狀態(tài)土體”的探討［J］.城市軌道交通研究，2007（1）： 67.

［19］ Bezuijen A.Schamincee PEL， Kleinjan JA，Additive Testing for Earth Pressure Balance Shields［C］//Geotechnical Engineering for Transportation Infrastructure，Balkem a.1999，1991-1996.