魏代偉,朱 偉,2,閔凡路

(1.河海大學(xué) 巖土工程科學(xué)研究所,江蘇 南京210098;2.河海大學(xué)水資源高效利用與工程安全國家工程研究中心,江蘇南京210098)

0 引 言

近年來隨著越來越多跨越江河隧道的建設(shè),泥水盾構(gòu)以其對(duì)高滲透地層良好的支護(hù)能力而得到廣泛的應(yīng)用[1-2]。泥水盾構(gòu)施工時(shí),泥漿壓力是通過在開挖面上形成的泥膜來平衡開挖面處的土壓力和水壓力[3-4]。泥膜形成過程中泥漿中的水向地層中滲透產(chǎn)生超靜孔隙水壓力,而泥漿中的固體顆粒會(huì)淤堵地層,隨著滲透過程的進(jìn)行超靜孔隙水壓力會(huì)降低,降低的這部分會(huì)轉(zhuǎn)化成有效應(yīng)力平衡開挖面處的土壓力,維持開挖面的穩(wěn)定[5]。

國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)泥水盾構(gòu)開挖面的穩(wěn)定、開挖面處泥膜的形成及泥漿壓力設(shè)定等問題展開研究。Broere等在分析地層中超靜孔隙水壓力對(duì)開挖面穩(wěn)定的影響時(shí),發(fā)現(xiàn)地層中的超靜孔隙水壓力的產(chǎn)生會(huì)降低有效泥漿壓力、作用在土體上的有效應(yīng)力以及土體的摩擦力,滲透距離、膨潤土泥漿的抗剪強(qiáng)度和地層特征粒徑d10對(duì)開挖面前方超靜孔隙水壓力的大小有重要影響[6-8]。Anagnostou和Kovari在砂性土中研究開挖面穩(wěn)定時(shí),研究表明泥漿壓力對(duì)地層的支護(hù)能力在泥漿滲透距離為零時(shí)最大,并且隨著滲透距離的增加支護(hù)能力降低,并且發(fā)現(xiàn)泥漿壓力、地層特征粒徑 d10、壓差及膨潤土含量對(duì)開挖面穩(wěn)定性影響較大[9]。韓曉瑞等利用泥漿滲透實(shí)驗(yàn)裝置研究泥水加壓式盾構(gòu)泥膜形成規(guī)律,研究發(fā)現(xiàn)不同泥漿在地層中形成泥膜的類型可以分為兩類,即泥皮型泥膜和泥皮+滲透帶型泥膜;泥漿的漏斗粘度越高,形成的泥膜越致密,泥膜的質(zhì)量越好[10-11]。李昀等通過獨(dú)立設(shè)計(jì)的泥水平衡盾構(gòu)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開展室內(nèi)實(shí)驗(yàn),提出泥水加壓式盾構(gòu)開挖面導(dǎo)致的地表沉降很大程度上取決于開挖過程中泥艙壓力的浮動(dòng)范圍[12]。這些研究多集中在理論分析泥漿壓力、泥漿性質(zhì)等對(duì)開挖面穩(wěn)定的影響,沒有分析泥漿壓力在泥膜形成過程中泥漿壓力轉(zhuǎn)化為有效應(yīng)力的方式及能力,并且從力的轉(zhuǎn)化角度揭示泥膜作用的實(shí)驗(yàn)研究還比較少。

地層中超靜孔隙水壓力的大小能直接反映泥漿壓力轉(zhuǎn)化成有效應(yīng)力的能力。當(dāng)泥漿壓力轉(zhuǎn)化成有效應(yīng)力的能力強(qiáng)時(shí),需要的額外泥漿壓力小,當(dāng)額外泥漿壓力太大時(shí),則會(huì)造成對(duì)開挖面前方土體的過度擠壓,產(chǎn)生地面隆起或欠挖現(xiàn)象;轉(zhuǎn)化能力弱時(shí),則需要較高的泥漿壓力來支護(hù)開挖面的穩(wěn)定,但較高的泥漿壓力又容易造成泥水艙中的泥漿穿透地層逸出。因此,探討開挖面處超靜孔隙水壓力變化規(guī)律,對(duì)泥漿的配制及泥漿壓力的設(shè)定具有重要指導(dǎo)意義。

本文通過自行設(shè)計(jì)的壓力泥漿滲透實(shí)驗(yàn)裝置,針對(duì)不同性質(zhì)泥漿、地層開展?jié)B透實(shí)驗(yàn),通過測(cè)量泥膜形成過程中開挖面處超靜孔隙水壓力大小隨時(shí)間的變化,分析開挖面處超靜孔隙水壓力的轉(zhuǎn)化規(guī)律,探討了開挖面處超靜孔隙水壓力的轉(zhuǎn)化模式及其影響因素,為泥漿配制及泥漿壓力的控制提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)方法和材料

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

參考P.Fritz(2007)在泥膜研究中使用過的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行改進(jìn),設(shè)計(jì)了泥漿滲透實(shí)驗(yàn)裝置,如圖1所示。有機(jī)玻璃滲透實(shí)驗(yàn)柱高度為120 cm,內(nèi)徑8.4 cm,側(cè)壁開有2個(gè)孔壓測(cè)量孔,接有孔壓傳感器,該孔壓傳感器量程為0～0.5 MPa,精度為0.2 kPa。其中上面的一個(gè)位于泥漿中,監(jiān)測(cè)泥漿壓力,下面的一個(gè)位于地層中,距地層表面1 cm,測(cè)量地層中的孔隙水壓力,測(cè)孔位置如圖所示。泥漿壓力由設(shè)在頂部的氣壓艙進(jìn)行氣壓加壓;底部設(shè)有出水口,排水口高度為105 cm,即滲透實(shí)驗(yàn)柱出水口壓力為10.5 kPa。

圖1 泥漿滲透實(shí)驗(yàn)裝置(尺寸單位:mm)

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

本文實(shí)驗(yàn)?zāi)酀{配置的主要材料為膨潤土、粘土、水和羧甲基纖維素鈉(簡(jiǎn)稱CMC)。利用膨潤土漿液為基漿,通過添加粘土來調(diào)節(jié)泥漿的密度,通過添加質(zhì)量濃度為20 kg/m3的CMC溶液來調(diào)節(jié)泥漿的粘度,泥漿中CMC溶液的添加量不超過泥漿質(zhì)量的5%。實(shí)驗(yàn)中利用Mastersizer2000激光粒度儀測(cè)定泥漿的顆粒級(jí)配曲線;分別使用1002型泥漿比重稱和蘇式漏斗粘度計(jì)測(cè)泥漿的密度和粘度。實(shí)驗(yàn)配置的5種泥漿基本性質(zhì)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)?zāi)酀{基本性質(zhì)

本文地層選用滲透性較大的砂土作為地層材料,為了控制地層的粒徑及級(jí)配,經(jīng)過篩分后將地層分為3種單粒徑的砂土,其基本性質(zhì)如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)地層的基本參數(shù)

首先在滲透實(shí)驗(yàn)柱底部裝入2 mm～5 mm粒徑的砂至5 cm處,作為濾層;然后裝入實(shí)驗(yàn)地層至51 cm處,控制地層密度為1.57 g/cm3;再從下部注水飽和地層;注入已配制好的實(shí)驗(yàn)?zāi)酀{至105 cm處;密封泥漿滲透實(shí)驗(yàn)柱,打開氣壓閥門,施加泥漿壓力,第一級(jí)泥漿壓力設(shè)定為30 kPa,第二級(jí)為50 kPa、第三級(jí)為100 kPa、第四級(jí)為200 kPa;打開排水閥門開始泥漿滲透,并采集地層中的孔隙水壓力值及濾水量。將孔壓傳感器測(cè)量的孔壓值減去該測(cè)孔處靜水壓力就得到該位置的超靜孔隙水壓力值?？紤]到泥膜形成后對(duì)孔隙水應(yīng)力最為敏感的的開挖面的表層部分,試驗(yàn)在距地層表面1 cm處設(shè)置孔隙水應(yīng)力計(jì),實(shí)測(cè)了泥漿滲透及泥膜形成過程中超靜孔隙水壓力的變化。

2 地層中超靜孔隙水壓力變化規(guī)律

通過上述5種泥漿在3種地層中開展泥漿滲透實(shí)驗(yàn),將每組實(shí)驗(yàn)過程中距地層表面1 cm處的超靜孔隙水壓力值隨時(shí)間的變化規(guī)律繪制成曲線圖。

圖2所示的是五種泥漿在S1地層中開展?jié)B透實(shí)驗(yàn)時(shí),距地層表面1 cm處超靜孔隙水壓力隨時(shí)間的變化規(guī)律。由圖2可以看出,施加壓力后泥漿壓力就完全作用在地層表面上,在未打開排水閥門之前泥漿壓力完全形成地層中的超靜孔隙水壓力。打開排水閥門泥漿開始滲透之后,地層中超靜孔隙水壓力急劇降低,隨后維持穩(wěn)定,穩(wěn)定值接近于零;隨后雖然逐級(jí)提高泥漿壓力(50 kPa,100 kPa,200 kPa),但是地層中的超靜孔隙水壓力幾乎沒有提高,說明泥漿壓力已經(jīng)完全轉(zhuǎn)化為有效應(yīng)力,由土顆粒骨架承擔(dān),這是泥漿滲透后形成的泥膜如圖3所示。

圖4所示的是五種泥漿在S2地層中發(fā)生滲透時(shí),距地層表面1 cm處超靜孔隙水壓力隨時(shí)間的變化規(guī)律。由圖4可以看出,泥漿開始滲透后,距地層1 cm處的超靜孔隙水壓力先有一個(gè)小的下降,之后再逐漸降低。泥漿壓力的提高,地層中的超靜孔隙水壓力也隨著升高。當(dāng)超靜孔隙水壓力逐漸穩(wěn)定的時(shí)候,超靜孔隙水壓力略低于泥漿壓力,并且隨著泥漿壓力的提高,兩者差值有所增加。也就是說,在這種情況下泥漿壓力基本上成為孔隙水應(yīng)力,地層表面沒有形成明顯的泥膜。

圖2 S1地層中距地層表面1 cm處超靜孔隙水壓力變化規(guī)律

圖3 泥漿滲透后形成的泥膜

圖4 S2地層中距地層表面1 cm處超靜孔隙水壓力變化規(guī)律

圖5 S3地層中超靜孔隙水壓力消散規(guī)律

圖5 所示的是五種泥漿在S3地層中發(fā)生滲透時(shí),距地層表面1 cm處超靜孔隙水壓力隨時(shí)間的變化規(guī)律。由圖5可以看出,在泥漿開始滲透后,地層中的超靜孔隙水壓力略微降低,但是地層中的超靜孔隙水壓力接近泥漿壓力,提高泥漿壓力、延長(zhǎng)滲透時(shí)間,地層中的超靜孔隙水壓力依然接近泥漿壓力。

圖6所示的是泥漿在S3地層中滲透時(shí)單位面積上所產(chǎn)生的滲透流量,由圖6可以看出,泥漿滲透流量很大,在實(shí)際施工中會(huì)產(chǎn)生逸泥現(xiàn)象,泥漿艙中的泥漿大量逸出,不僅泥漿損失巨大而且泥漿艙內(nèi)泥漿壓力也難以維持,在泥水盾構(gòu)施工中應(yīng)該避免出現(xiàn)這種情況。

圖6 泥漿在S3地層中滲透時(shí)滲透流量

綜上所述,由圖2、圖4、圖5、圖6得到地層的粒徑是影響地層中超靜孔隙水壓力變化的重要因素;泥漿性質(zhì)在一定條件下能夠影響地層中超靜孔隙水壓力的變化;高泥漿壓力和低泥漿壓力滲透的形式類似,即在高泥漿壓力和低泥漿壓力條件下,超靜孔隙水壓力的變化規(guī)律是一致的。

3 討 論

通過實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn),在開挖面表層超靜孔隙水壓力隨時(shí)間的變化主要有三種模式,即模式一為迅速降低型;模式二為逐漸降低型;模式三為不降低型;如圖7所示。其中模式一和模式二對(duì)應(yīng)的泥漿滲透形式分別為泥皮型、滲透帶型。

圖7 開挖面處超靜孔隙水壓力變化模式

模式一中,在地層表面迅速形成了一層致密的泥膜,由于泥膜的孔隙、滲透系數(shù)很小,泥漿中的水透過泥膜時(shí)受到很大的阻力,這個(gè)阻力即為滲流力,泥漿壓力通過該滲流力轉(zhuǎn)化成有效應(yīng)力作用到了土體骨架上,所以使得地層中的超靜孔隙水壓力值迅速降低。提高泥漿壓力時(shí),所增加的泥漿壓力也全部轉(zhuǎn)化成了有效應(yīng)力作用到了土體骨架上。因此在該種模式下,泥水盾構(gòu)施工時(shí)所施加的泥漿壓力只需略大于地層中的水壓力與土壓力之和,即所需的額外壓力較小。但此種模式下,泥漿壓力設(shè)定過大,則作用到土體骨架上的力將會(huì)過大,造成開挖面前方土體過度擠壓,容易產(chǎn)生地面隆起或欠挖的現(xiàn)象,帶來施工危險(xiǎn)。

模式二中,部分泥漿滲入到了地層中,淤堵了地層,淤堵程度隨著時(shí)間加劇,經(jīng)過一段時(shí)間后,地層中淤堵的泥漿顆粒的數(shù)量越多,地層孔隙變小,對(duì)泥漿滲透的阻力逐漸增大,地層中的超靜孔隙水壓力逐漸轉(zhuǎn)化為有效應(yīng)力作用到了土體骨架上,所以地層中的超靜孔隙水壓力逐漸降低。雖然在泥水盾構(gòu)施工中期望超靜孔隙水壓力的變化模式是模式一,但在高滲透地層中,難以形成優(yōu)質(zhì)泥膜,超靜孔隙水壓力會(huì)存在模式二表述的變化規(guī)律。在該模式下,泥水盾構(gòu)施工時(shí)所需的泥漿壓力需要大于水壓力與土壓力之和,所需的額外泥漿壓力也需要根據(jù)泥漿滲透實(shí)驗(yàn)揭示的超靜孔隙水壓力轉(zhuǎn)化能力來設(shè)定,避免對(duì)開挖面支護(hù)力不足而引起開挖面失穩(wěn)。

模式三中,地層中的超靜孔隙水壓力略微降低,這是由于該地層的孔隙太大,泥漿顆粒幾乎不能夠在地層中淤堵,不能改變地層的性質(zhì),所以泥漿滲透對(duì)地層中超靜孔隙水壓力的降低不明顯。這種模式下,泥漿極易穿透體層造成逸泥,因此在泥水盾構(gòu)施工中要避免發(fā)生。遇到該種地層,則需要采取在泥漿中添加粗顆粒材料等措施,以確保開挖面的穩(wěn)定。

圖8是在第一級(jí)荷載下滲透達(dá)到穩(wěn)定時(shí),距地層表面1 cm處超靜孔隙水壓力值。由圖8可以看出,在地層有效粒徑與泥漿有效粒徑之比D15/d85小于5時(shí),地層的孔隙基本不大于泥漿的有效粒徑,泥漿中的固體顆粒不能夠進(jìn)入地層中,全部淤堵堆積在地層表面,很快形成一層致密的泥膜,能夠有效的阻擋泥漿中水的繼續(xù)滲入,所以地層中的超靜孔隙水壓力均非常小,均小于5 kPa,這也是泥漿滲透形成泥膜進(jìn)而支護(hù)開挖面穩(wěn)定的本質(zhì);當(dāng)?shù)貙佑行Я脚c泥漿有效粒徑之比D15/d85在5～10之間時(shí),地層孔隙大小和泥漿有效粒徑差別不大,所以泥漿中的顆粒能夠進(jìn)入地層,但是較大的泥漿顆粒能夠淤堵到地層孔隙中,之后較小的泥漿顆粒也會(huì)在地層中發(fā)生淤堵,所以隨著泥漿滲透的進(jìn)行,泥漿對(duì)地層的淤堵程度越來越大,導(dǎo)致地層中的超靜孔隙水壓力逐漸降低,而此時(shí)泥漿中固體顆粒的含量對(duì)地層中超靜孔隙水壓力降低的影響就比較顯著,所以地層中的超靜孔隙水壓力分布在5 kPa～20 kPa之間;當(dāng)?shù)貙佑行Я脚c泥漿有效粒徑之比D15/d85大于10時(shí),地層孔隙遠(yuǎn)大于泥漿的有效粒徑,所以泥漿中的固體顆粒能夠穿越地層流出,對(duì)地層的淤堵很小,因此地層中的超靜孔隙水壓力接近泥漿壓力。

圖8 地層和泥漿有效粒徑的匹配關(guān)系

4 結(jié) 論

(1)泥漿在地層中滲透時(shí),在地層中產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力存在一個(gè)隨時(shí)間變化的過程,并且地層粒徑較小的時(shí)候,在距開挖面較近處產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力較小;隨著地層粒徑的增大,產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力逐漸增大。

(2)通過實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn),地層粒徑是影響泥膜形成過程中距開挖面較近處超靜孔隙水壓力變化的主要因素;泥漿性質(zhì)和泥漿壓力在能夠形成滲透帶的地層中對(duì)超靜孔隙水壓力的變化影響較大,即對(duì)超靜孔隙水壓力轉(zhuǎn)化為有效應(yīng)力有較大影響;當(dāng)能夠形成泥膜或泥漿能夠穿透地層時(shí),泥漿性質(zhì)及泥漿壓力對(duì)地層中超靜孔隙水壓力的能力影響較小,即對(duì)超靜孔隙水壓力轉(zhuǎn)化成有效應(yīng)力的能力影響較小。

(3)通過分析可以看出,地層中超靜孔隙水壓力有三種變化模式,即迅速降低型、逐漸降低型和不降低型,三種消散模式分別對(duì)應(yīng)泥皮型滲透、滲透帶型滲透和滲透型滲透;地層特征粒徑和泥漿特征粒徑的比值對(duì)地層中超靜孔隙水壓力的變化有重要影響,當(dāng)D15/d85小于5時(shí)地層中的超靜孔隙水壓力很小,而當(dāng)D15/d85大于10時(shí),地層中的超靜孔隙水壓力接近泥漿壓力。

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