电渗法降低黏性土黏附力室内试验

2020-07-14肖宇豪刘成黄琳刘磊

林业工程学报 2020年4期

肖宇豪，刘成，黄琳，刘磊

(南京林业大学土木工程学院，南京 210037)

盾构隧道开挖过程中，时常会遇到黏土黏附或堵塞刀盘等问题[1-3]，造成工期延误和机械损伤。目前，诸多学者提出了相应的解决办法，电渗法便是其中之一。然而，电渗受电场、含水率、电导率和电极面积等多因素影响，将电渗法应用到实践生产中，还需要开展不同条件下的电渗减黏试验并进行减黏机理分析，为电渗减黏方案制定提供依据。

前人将电渗法运用于土体减黏的研究，主要集中在农业机械脱土方面。任露泉等[4]通过试验证明，非光滑表面电渗铲斗具有良好的脱土性能，可提高30%以上的生产效率；丛茜等[5]研究了影响电渗减黏效率的诸多因素，并建立了电渗能耗与土体黏附力关系的数学模型；侯磊[6]进行了仿生微电渗的研究，在多作业周期下减黏效果显著。

将电渗法应用于盾构隧道开挖过程，预期可以有效降低刀盘结泥饼的危害，具有较高的研究价值。van Baalen等[7]设计了两种不同装置研究电渗后土体抗剪强度的变化，尝试将电渗原理运用在盾构掘进中；Heuser等[8]结合Zeta电位与孔隙流体介质来分析电渗减黏，进一步验证将电渗运用于盾构中的可行性；陆嘉[9]通过模型试验来测定刀盘电渗减黏后的扭矩变化，抗剪扭力值大幅降低；Spagnoli等[10]以圆锥拉拔试验来模拟TBM掘进时刀盘结泥饼，通过施加恒定电压使金属表面黏附量大大减少。但已有文献尚缺少对电渗减黏效率的试验手段和量化判断方法，制约了电渗减黏方案的制定。

为了研究电渗减黏脱附的规律，有效量化特定减黏效果下的电渗效率，笔者设计了一套室内电渗装置，以锥体在受恒定拉拔力、不同含水率条件下进行电渗减黏试验，分析电渗历程中电渗时间对黏附力的影响，根据锥体黏附现象，结合现有相关理论来解释界面电渗减黏原理。

1 室内试验方案

1.1 试验土样

本试验土样为重塑软黏土，原状土取自南京某拟建盾构隧道施工现场。土样物理参数见表1，级配曲线见图1。

表1 土样物理性状参数Table 1 Physical parameters of used clay soil sample

图1 试验土样粒径分布曲线Fig. 1 Grain size distribution curve of used clay soil sample

1.2 试验装置

本试验设计研制了一套牵引传动电渗装置，如图2所示。整套仪器由5个部分组成：电渗装置、土箱、牵引装置、配重砝码及缓冲海绵。

图2 牵引传动电渗装置Fig. 2 Traction driving electro-osmosis device

土箱尺寸为200 mm×150 mm×60 mm，采用有机绝缘材料制作。沿轴线布置钢制板状电极和铜制锥形电极，二者间距为120 mm，且电极与土箱边壁仍有一段距离，以减小土箱边壁对电场的影响。钢板尺寸50 mm×50 mm×0.5 mm，入土深度15 mm；铜锥入土深度23.4 mm，顶角52.5°，分别连接电源正极和负极。取钢板单侧入土面积与圆锥锥面入土面积作为计算面积，正负电极的面积比为1.252 4。试验电源为MS-6060型稳压直流电源，输出电压范围为0～30 V。

牵引装置主体为钢制支架，对称布置4个传动滑轮，牵引线连接砝码与试验锥体，试验砝码质量依据黏附力最大值的不同比例确定。砝码质量是衡量黏附力大小的指标，砝码质量越大，拉脱时的黏附力值越大，减黏量相应减小，公式(1)用减黏比例系数K来量化控制减黏量。

M砝码=K·M黏+M锥+Mf

(1)

式中：M黏为无电渗减黏作用影响的黏附力值，通过速率为0.1 mm/s的拉拔试验测定，N；K为减黏比例系数，根据所需平衡黏附力大小确定；M锥为锥体重量，取0.51 N；Mf为平衡系统摩擦阻力，经测定取值0.03 N。

本试验中减黏比例系数K分别取0，0.2，0.4，0.6，0.8和1.0，减黏量随着K值增大而降低。当K为0时，实际为0.001，此时锥体脱开时界面黏附力近似为0，为表述方便，用0代替0.001；当K为1.0时，即为无电渗减黏时锥体黏附力最大值。

1.3 试样制备

将原状土烘干击碎成粉末，过筛保留粒径在0.5 mm以下的土，取多组含水率条件制备土样。盒中分层压密填实至50 mm厚度，用刮刀将土样表面整平，控制干密度在1.12 g/cm3，覆膜静置24 h后，取样测其含水率值。当测定含水率与设计含水率误差小于0.5%时，确定为有效配置土样，开展后续试验。

1.4 试验设计

1)电渗试验所施加的电场强度为1 V/cm。试验前将板状电极与锥形电极插至指定位置并连接牵引装置、电源和砝码，静置2 min后打开电源。记录锥体脱开时间，改变砝码质量以对应不同减黏比例系数，重复试验。

2)无电渗拉拔试验中不施加电压，将图2中的砝码端替换成能提供拉拔速率为0.01 mm/s的拉拔装置，试验前将锥体插至指定位置并静置2 min。启动拉拔装置，记录拉拔时间与拉拔力值，改变含水率后重复试验。

选取锥体作为拉拔试件，一方面减小侧摩阻力的影响，另一方面增加负极面积，使锥体与土体接触均匀[11]。同时选择锥板组合，使锥周电场分布均匀。

2 结果与分析

2.1 黏附力随含水率变化

为获取无电渗时黏附力变化情况，从而进行相关电渗试验，故进行不同含水率条件下的匀速拉拔试验。考虑到锥体与土的黏附存在法向和切向两种力，主要作用于圆锥与土体接触面上，参照已有学者的研究[12]，本研究将以实际绳端牵引力作为测定的黏附力进行分析。

试验土样在不同含水率条件下拉拔力随拉拔时间的变化情况见图3。从图中可以看出，黏附力在塑限ωp之前随含水率的增加而增大，并在塑限值附近出现最大值，之后随着含水率的进一步增加而逐渐减小；当含水率大于液限ωL后，黏附力值逐渐趋于平稳。由图中拉拔力的变化趋势可知，在含水率较高或较低时，黏附力随含水率变化不大，而液、塑限之间含水率的变化对黏附力具有较大影响，因此，选取含水率处于液、塑限之间的土体更具研究意义。

图3 拉拔力与含水率变化关系曲线Fig. 3 Relationship curve between pulling force and water content

2.2 无电渗条件下黏附力测定

为进一步研究黏附力在匀速拉拔状态下，拉拔力随拉拔时间的变化情况，选取处于液、塑限之间的4组含水率(23%，27%，31%和35%)作为测试对象，结果见图4。从图中可以看出，拉拔力的最大值随着含水率的增加而减小。对比4组黏附力最大值，发现拉拔时间也随之增加，在35%含水率时拉脱时间最短。

图4 拉拔力随拉拔时间变化Fig. 4 Relationship between pulling force and drawing time

匀速拉拔下拉拔力增长趋势与邱长林等[12]所得到的黏附力增长趋势大致相同，拉拔力都随拉拔时间近乎直线递增。图4中在35%含水率条件下拉拔力最大值为3.65 N，远大于铜锥自身重量0.51 N，故本试验所得到的拉拔时间必为拉拔力与黏附力相互作用结果，且拉拔力变化趋势与前人所得试验结果大致相同[13]。

2.3 电渗条件下黏附力变化

通过无电渗条件下所测得的黏附力最大值，并结合式(1)调整砝码质量，获得在电渗与恒定拉力作用下，黏附力随电渗时间的变化关系曲线。4组含水率下，黏附力与通电时间之间的关系见图5。根据式(1)可知，不同减黏比例K实际表现为试件当前所受黏附力值，故将用减黏比例K表现减黏历程中的黏附力变化。由图可知，减黏时间随黏附力变化是一个时间缓慢增加到急剧上升的过程，且存在拐点A和A′，使减黏所需时间发生较大变化：A点前，减黏时间随黏附力的不断减小呈直线增加；A点后，减黏所需时间大幅增加。其中，在23%含水率条件时，由于土体中含水量较少，土中水分在电渗作用下聚集速度较慢，且黏附力初始值远大于其他含水率，故导致整体减黏时间较长，并使A和A′点所处阶段略有不同。反之，在较高含水率时，土体中较高的含水量以及初始黏附力相对较小，是导致电渗减黏时间整体偏短且较为接近的主要原因。

图5 不同减黏比例下电渗时间变化Fig. 5 Relationship between adhesion reduction ratio and electro-osmotic time

对比丛茜等[5]发现黏附力随电渗时间直线递减，与图5中黏附力在A点前趋势大致相同，但A点后时间大幅增加。对比分析试验步骤，本试验优化了脱开时黏附力测定方法，减少了更换拉拔力测定装置对锥体的扰动，同时缩短试验流程，避免了因停止电渗后孔隙水快速回流，从而影响试验结果。

在研究黏附力因电渗作用而不断减小的过程中，锥形电极始终受到恒定的拉拔力作用，可以较好地模拟机械与黏土分离时持续受力的情况，给具体的工程问题提供一个可靠的模型参考。

2.4 电渗历程中减黏速率变化

为研究电渗历程中减黏速率的变化，将图4和图5中黏附力最大值与通电时间相结合，得到减黏历程中各减黏比例K时的减黏速率vK(图6)，计算公式如下：

(2)

式中：ΔN为图5中黏附力减小差值，对应式(1)中减黏比例K的变化；t为图5中各点的时间增量；减黏比例K=1时不进行电渗减黏，故速率均为0。

由图6可知，减黏速率最大值出现在27%含水率下，减黏比例为0.4附近。平均减黏速率随选取的4组土样的含水率值先增加后减小。当反应开始时，减黏速率缓慢上升，减黏比例在0.4时快速增加。根据电渗原理可知，在电动力作用下，土箱内土体中的孔隙水不断从阳极向阴极汇聚，造成锥形电极周围含水率增加，板状电极周围含水率减小。随着锥形电极周围土体含水率不断增加，在引起锥周土体电导率增大[14]的同时，锥体表面的导电横截面积也在增大，使得电渗流速不断提高，加快了电渗减黏。

随着反应继续进行，由图6可知，在减黏比例小于0.4时，减黏速率却发生了不同程度的衰减。根据Helmholtz-Smoluchowski提出的电渗流微观模型，随着锥体周围土体内的水向锥体汇聚，位于双电层中的离子可以驱动的水分大大减少，从而使得电渗流速降低，减黏速率发生衰减。同时，水膜厚度增速放缓，同样导致减黏速率进一步降低。另外，土中含水率降低及电解效应可能导致土体与金属界面间产生气体层，同样会导致黏附力减小[15]。

因此，电渗减黏在27%含水率时，由于其土中可供电渗驱使水分较为充足，有利于水膜的快速形成。同时，相对较大的初始黏附力值也是导致减黏速率与其他含水率时产生较大差异的主要原因。

图6 减黏速率变化Fig. 6 Changes of adhesion reduction rate

2.5 试验现象分析

现有水膜理论[16]认为，水膜存在于金属与土体接触界面，土体与金属间的黏结破坏发生在界面水膜中。在无电渗条件下，锥体脱开后表面黏余量较小，或是有块状黏结，如图7所示。而在加入电渗条件后，锥体脱开后表面均匀附着大量的细小土颗粒，并随着电渗反应进行，黏余量也在不断变化，如图8所示。对比图7和图8中有无电渗条件下金属表面黏附状态可知，电渗作用不仅影响黏附力，还对黏结破坏在土体中的位置造成影响。

图7 无电渗下锥体表面黏附情况Fig. 7 Adhesion of cone surface without electro-osmosis

图8 不同减黏程度下锥体表面黏附情况Fig. 8 Cone surface adhesion under different degrees of adhesion reduction

为解释这种现象，结合现有理论，可以认为黏结破坏位置的改变是水分张力与内聚力相互作用的结果。假设有无电渗条件时，界面水分张力均存在。

1)无电流时，土体内聚力较大，靠水膜引起的水分张力相对较小。随着拉拔力不断增加，锥体最终脱出，断裂面出现在水分张力相对较小的水膜中(图7a)；土体内聚力较小，靠水膜引起的水分张力相对较大。随着拉拔力不断增加，断裂面出现在土体内部(图7b)。

2)有电流时，土箱中的孔隙水在电动力作用下向锥形电极汇聚，使得电极周边土体含水率快速增加，水膜厚度不断增加。此时水分张力与土体内聚力都在不断减小，对比图7a与图8a可知，电渗后锥体表面仍附有较多黏土，说明黏结破坏仍发生在土体中。此时，水分张力与土体内聚力均发生作用，水分张力的减小速率小于土体内聚力的减小速率，故土体内部先于水膜破坏。因此，断裂面并没有发生在水膜中，而是发生在水膜附近的土体中(图9)，并在水分张力的作用下，将金属界面与断裂面间的土颗粒带出。

随着电渗减黏不断进行，锥体周围含水率不断增加，当黏附力较大时，含水率较小，附着在锥形电极表面的土颗粒较多；当黏附力较小时，含水率较高，附着在锥形电极表面的土颗粒大大减小。此时，可以认为脱开时的水分张力相对较小，使得能够带离的土颗粒数目减少。如图8所示，锥体表面黏余量随黏附力的减小而明显减少。