盾构砂性渣土-泡沫混合物渗透性影响因素研究

王海波， 王树英， 胡钦鑫， 刘朋飞

(中南大学土木工程学院， 湖南 长沙 410075)

0 引言

土压平衡盾构被广泛应用于隧道施工。由于富水砂性地层水土易分离，采用土压平衡盾构难以形成流塑性良好的渣土，会造成压力舱闭塞致使刀盘扭矩上升、排土不畅，或由于排土口水压过大而发生喷涌，最终诱发开挖面失稳[1]。因此，解决富水砂性地层的渗透性问题对土压平衡盾构隧道施工的进度和安全有着重要意义。国内外开展了一系列关于砂土-泡沫混合物渗透性的研究。乔国刚[2]采用常水头与变水头对比试验，通过改变泡沫掺入比、泡沫剂体积分数、含水量和泡沫剂的种类，分别对泡沫改良后细砂和粗砂的渗透系数进行测定。黄俐等[3]采用常水头试验，通过控制泡沫的掺入量、含水量和泡沫剂体积分数等，测定了黏性土与砂土的渗透系数。邱龑等[4]通过常水头试验，测定了采用泡沫剂、膨润土和聚合物改良后的富水砂性土渗透系数K。彭磊等[5]对砾砂土地层的泡沫改良技术进行了室内试验研究，分析了气液流量比、含水率和泡沫掺量对塑流性的影响以及改良前后土样渗透系数的变化规律。苏立君等[6]开展了单一粒径级砂土和多粒径混合砂土的常水头渗透试验，讨论了曲率系数和不均匀系数等级配参数对渗透性的影响，并将单一粒径级砂土的研究成果推广到天然砂土。杨兵等[7]采用常水头试验方法，研究了砂土不均匀系数、曲率系数、平均粒径和孔隙比对渗透系数的影响，并用正交试验方法对各影响因素进行了显著性分析，采用控制变量法进一步研究了各因素与渗透系数的关系。张礼华等[8]通过常水头渗透试验探究了不同泡沫剂体积分数及掺入体积比对渣土渗透性的影响情况。乔国刚等[9]采用常水头试验分别对细粒、粗粒砂土进行了渗透性试验，研究了泡沫、泡沫和膨润土或黏土混合对渣土的改良效果。魏康林[10]通过改进的变水头渗透试验探究了不同泡沫的掺入量、消散程度和不同土质情况下泡沫和土样混合物的渗透性变化情况。熊建明等[11]通过对黏性土和砂土进行渗透性试验，探究了不同体积分数和泡沫注入体积比对其渗透性的影响规律。Quebaud等[12]采用常水头渗透试验测定2种粒径砂土与泡沫混合物的渗透系数，通过改变泡沫的掺入量、泡沫体积分数、砂土含水率以及泡沫剂种类等得到采用混合型表面活性剂改良孔隙间隙为0～4 mm砂土的效果，并得到当渗透系数小于10-6m/s时可满足土压平衡盾构安全掘进要求的结果。Borio等[13]通过高水位的常水头渗透试验模拟了实际施工时遇到的水头过高的现象，结果表明在0.1 MPa的压力下泡沫剂依然能够显著提高砂土的抗渗性，但是砂土的渗透性不能满足实际需要。综上可知，国内外对泡沫与砂土混合物的渗透性研究较多，主要控制变量是泡沫剂掺入量、泡沫剂的体积分数、泡沫剂的种类和砂土的含水率等，而从级配角度研究砂土与泡沫混合物渗透性变化规律的文献比较少。

在研究砂土级配对泡沫改良效果的影响之前，首先要确定砂土的级配情况。以往的研究多从颗粒的粒径、不均匀系数Cu、曲率系数Cv和孔隙率n这几个方面确定，但是研究无黏性土的渗透特性时，还可以将土体视为由多束平行管道组成的理想体，管道的直径就是土的平均孔隙直径d0。文献[14]表明： 尽管有些天然土是由各种粒径的土组成的，但是真正决定其渗透系数的是细粒部分的占比，即使其他部分的占比不同，所得到的结果也几乎相同； 所以砂土的平均孔隙直径必然与细粒部分的占比有关，其中决定平均孔隙直径的一个重要参数是颗粒的等效粒径d20。

为了研究砂土级配对砂性渣土-泡沫混合物的影响，本文引入了等效粒径d20探究细粒含量与渣土的渗透性规律，结合泡沫剂的体积分数、掺入量和时间等变量，研究盾构砂性渣土与泡沫混合物的渗透性规律，分析各因素对混合物渗透性的影响特征，旨在为现场土压平衡盾构渣土改良提供技术支撑。

1 试验材料及试验设备

1.1 试验材料

试验所用砂土取自湘江流域，测试主要参数包括砂土比重、渗透系数和孔隙率等，根据《铁路工程土工试验规程》[15]，分别采用比重法、TST-70型常水头渗透仪和XD-1型手动相对密度仪开展测试。

文献[7]指出： 当不均匀系数Cu增加到一定值时，渗透系数将不随不均匀系数Cu的改变而变化，即在这时已经趋于稳定。为研究等效粒径d20对砂土渗透性的影响规律，本次试验在配置砂土时取Cu>11，同时为保证砂土级配的均匀性，取曲率系数Cc为1～3。为了更加详细地反映各种参数之间的关系，本次试验配制了5种级配的砂土，并将其进行编号，分别对应1、2、3、4、5，具体的参数和粒径分布曲线分别如表1和图1所示。其中，平均孔隙直径计算公式为

d0=0.63nd20。

(1)

式中:d0为平均孔隙直径；d20为试样的等效粒径，指粒径分布曲线上质量占比小于20%时所对应的粒径值；n为试样的孔隙率。

表1 5种级配砂土的参数Table 1 Parameters of five kinds of sands

图1 粒径分布曲线Fig. 1 Distribution curves of grain sizes

1.2 试验设备

本次试验所采用的泡沫剂来自国内盾构渣土改良某常用品牌，通过将压缩后的空气采用0.2 MPa压力打入盛有一定体积分数泡沫剂溶液的发泡装置中，从而产生满足盾构使用的30～400 μm粒径的泡沫[2]。泡沫发生装置由空气压缩机和泡沫机2个部分组成，如图2所示。

图2 泡沫发生装置Fig. 2 Foam generator

考虑到泡沫剂体积分数对其发泡率和半衰期的影响，通过测定2%、3%、4%和5% 4种体积分数泡沫剂的发泡率和半衰期帮助确定具体的体积分数。测得的试验结果如表2所示。根据实际工程对发泡率(>10%)和半衰期(>5 min)的要求, 综合考虑实际效果和经济因素，本次试验选取的泡沫剂体积分数为3%。

表2不同体积分数泡沫剂溶液的发泡率和半衰期

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

体积分数/%发泡率/%半衰期/min211.68.5313.616.5414.320.5518.225.5

2 渗透性试验方案

砂性土的含水率影响着泡沫加入时的稳定性，同时也影响到两者混合后的流塑性，因此，确定泡沫剂改良渣土的含水率至关重要。试验以原始级配的砂土为样本，含水率w分别为10%、15%和23%(饱和含水率)，泡沫剂体积分数c为3%，FIR为30%(FIR是指泡沫注入体积比，即泡沫体积与砂土体积的比值)。通过观察发现： 含水率为15%和23%的混合物，流动性极强，均出现泌水、泡沫上浮现象，尤其以含水率为23%的砂样(饱和)最为明显，泡沫与砂土难以混合，几乎漂浮于砂样表面；含水率为10%的砂样，流动性适中，且具有一定的塑性。因此，研究含水率为10%的砂土的渗透性变化规律更具有实际意义和代表性。

试验总体方案如下： 1)在探究砂土级配情况对混合物渗透性的影响时，取含水率w=10%、体积分数c=3%、泡沫注入体积比FIR=30%，测定砂土和泡沫混合物在相同时间间隔15 min内的渗透系数。通过测量得到不同水温下的渗透系数，将其统一转化为20 ℃下的渗透系数，即K20； 2)在探究体积分数对其渗透性的影响时，针对砂样1在w=10%、FIR=30%情况下，c分别取2%、3%和4%进行渗透试验； 3)在探究FIR对混合物渗透性的影响时，同样针对砂样1在w=10%、c=3%条件下，FIR分别取10%、20%和30%进行渗透试验。

简要试验过程如下： 第1步，将烘干后的砂土放入搅拌器内，加入一定量的蒸馏水控制砂土的含水率为10%，控制搅拌时间为30 s； 第2步，制备试验所用的泡沫，在0.2 MPa压力下，将泡沫剂溶液与压缩空气混合，通过发泡装置取相应体积的泡沫，并倒入搅拌器内，与砂土混合搅拌30 s； 第3步，取出砂土-泡沫混合物，分3层装入TST-70型渗透仪内(事先在底部放置滤网和滤纸)，用抚平器整平表面，在试样顶部放置滤网和滤纸，并开始渗透试验。在试验过程中严格控制制样时间为10 min，总的装样时间不超过2 min。当溢流管开始有水溢出时重新计时，然后每隔15 min记录1次数据，总共记录3次，总的试验时间为45 min。待1组试验做完后，再进行2组重复试验。

3 级配对混合物渗透性的影响

3.1 时间对砂土-泡沫混合物渗透性的影响

图3示出了砂土-泡沫混合物和原样砂的渗透系数随时间的变化情况。由图3可知： 不同级配砂土-泡沫混合物的渗透系数在时间上的变化规律基本一致，随着时间的增加，混合物的渗透系数K20逐渐增加。

图3w=10%、c=3%、FIR=30%时，渗透系数随时间的变化情况

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

图4示出5种级配的砂土渗透系数变化率随时间的变化情况。渗透系数变化率=(原样砂的渗透系数-砂土泡沫混合物的渗透系数)/原样砂的渗透系数。由图4可知： 1)砂样1、2、4的渗透系数变化率基本一致，渗透系数K20较小且随时间无明显变化，即改良效果较稳定； 2)砂样3的渗透系数变化率初始值偏小，随着时间的增加渗透系数变化率逐渐降低，即改良效果逐渐降低； 3)砂样3与砂样4的渗透系数变化率出现异常，因为试验砂样级配范围比较小，且在试验过程中，受温度和振动等因素的影响泡沫容易上浮，导致数据波动； 4)砂样5的情况比较特殊，起始变化率较大，随着时间的增加变化率明显减小，即改良效果随时间的稳定性较差，说明此时砂土中的泡沫稳定性变差，产生该现象的原因主要是该类砂土等效粒径d20偏大，由于测得的孔隙率n也较大，因此其平均孔隙直径d0大于其他砂样的d0，使充填在其中的泡沫稳固性差，容易渗出或上浮，从而导致泡沫减少，致使渗透系数增大。

3.2 砂土的等效粒径对渗透性的影响

图5示出了不同时间梯度渗透系数K20和等效粒径d20的关系曲线。由图5可以看出： 与未加泡沫的砂样相比，砂土-泡沫混合物的渗透系数明显减小； 随着d20的增加，渗透系数在不同时间段内的差值增大，即砂样-泡沫混合物渗透性变化对时间的敏感性增加。由图5中曲线的变化规律可以发现： 当d20逐渐减小时，改良前后砂样的渗透系数逐渐接近，即当d20较小时，加泡沫对其渗透性的改良效果不佳。整体来看，不同级配砂土在同一时间段内的渗透系数变化规律大致相同，即5种级配砂土的渗透系数与等效粒径d20的关系大致呈线性变化。

黑点表示砂样1到砂样5在第1个15 min内的渗透系数变化情况，即d20对K20的影响关系； 三角形对应第2个15 min； 方形对应最后一个15 min。

图5渗透系数与等效粒径的关系曲线
Fig. 5 Relationship curves betweenK20andd20

4 泡沫剂体积分数对混合物的渗透性影响

图6示出了不同泡沫剂体积分数下砂样1的渗透系数随时间的变化情况。由图6可知： 在不同体积分数的泡沫剂下砂样1的渗透系数随时间的变化规律基本一致，均随着时间的延长逐渐增大。图7示出砂样1的渗透系数随泡沫剂体积分数的变化曲线。由图7可知： 随着泡沫剂体积分数的增加，砂土与泡沫混合物的渗透系数先减小后增大，说明仅增加泡沫剂体积分数并不能有效降低砂土渗透系数，甚至起相反作用，且增加了成本； 当泡沫剂体积分数为3%时，砂样1的渗透系数K20最小，说明泡沫剂体积分数为3%时，对砂样1的改良效果最好。由于不同体积分数下，所产生的泡沫直径会有所差别，考虑到这个原因，说明砂样1与体积分数为3%的泡沫剂所产生的泡沫匹配情况较好。

图6不同泡沫剂体积分数下砂样1的渗透系数随时间的变化情况

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

图7 砂样1的渗透系数随泡沫剂体积分数的变化曲线

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

5 泡沫注入体积比对混合物的渗透性影响

图8示出了不同泡沫注入体积比时砂样1的渗透系数随时间的变化曲线。由图8可知： 泡沫注入体积比不同时砂样1的渗透系数随时间的变化规律基本一致，均随着时间的延长逐渐增大。

图9示出砂样1的渗透系数随泡沫注入体积比的变化曲线。由图9可知： 当泡沫剂注入体积比为20%时，砂样1的渗透系数最小，说明泡沫剂注入体积比为20%时，对砂样1的改良效果最优； 另外，泡沫剂体积分数为20%和30%时混合物的渗透系数差别不大，当间隔时间为30 min和45 min时渗透系数存在稍微增加的趋势，表明当泡沫注入量达到一定值时，继续加入泡沫不会降低砂土的渗透系数。

图8不同泡沫注入体积比时砂样1的渗透系数随时间的变化曲线

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

图9 砂样1的渗透系数随泡沫注入体积比的变化曲线

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

6 结论与讨论

本文主要通过砂土的常水头渗透性试验探讨了砂土级配、泡沫剂体积分数以及泡沫体积注入比对砂土-泡沫混合物渗透性的影响规律。主要结论如下：

1)随着等效粒径的增加，混合物渗透系数在不同时间段的差值增大，即砂样-泡沫混合物对时间的敏感性增加； 所研究的不同砂土加入泡沫后的渗透系数均达到了10-4cm/s，说明砂样的渗透性均能得到改良； 泡沫注入体积比不同时混合物的渗透系数在时间上的变化规律基本一致，随着时间的增加，混合物的渗透系数逐渐增加。

2)当等效粒径逐渐减小时，改良前后砂样的渗透系数逐渐接近，即当等效粒径较小时，加入泡沫后对其渗透性的改良效果不佳。

3)在同一时间段、同一注入体积比条件下，砂样的渗透系数随着泡沫剂体积分数的增大呈现先减小后增加的规律，说明并非泡沫剂体积分数越大改良效果越好。

4)在同一时间段、同一体积分数下，砂样的渗透系数随着泡沫注入体积比的增加先减小后保持不变，说明当泡沫注入体积比达到一定值时，渗透系数不随其增加而改变，即存在一个最优注入比。

此外，本研究所用砂土的粒径偏小，下一步需对大粒径渣土的渗透规律进行探究。实际盾构施工过程中砂性渣土不仅应具有抗渗性，还要具有较好的流塑性和保水性，因此，应进一步探究泡沫与膨润土或聚合物混合改良后的砂性渣土的渗透规律。另外需改进试验设备，探究高水头压力对渗透试验结果的影响规律及改良方法。

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