渣土改良剂对黏土特性影响的试验研究

（中铁工程装备集团有限公司，河南 郑州 450016）

由于盾构施工的安全高效，城市地铁主要采用盾构法进行施工，随着修建地铁的城市越来越多，盾构施工中遇到的地质情况越来越复杂。在黏土地层施工中，由于其可塑性强、渗透性小且粘性高等原因，造成黏土极易在刀盘中心、土仓隔板和螺旋输送机内壁上附着形成泥饼，导致掘进扭矩大、出渣不畅、掘 进速度慢、土仓压力不易控制等问题。研究发现当地层中黏土矿物超过25%时刀盘就可能发生结泥饼现象，随着黏土矿物含量的增加，结泥饼概率增大。对于以上问题，最有效的解决办法就是渣土改良，在黏土地层中最常用的改良剂就是泡沫剂。韩月旺针对南昌地区高黏土矿物质泥质粉砂岩进行了泡沫剂改良试验研究获得不同含水率下的泡沫添加比。杨洪希等人依托地铁10 号线，通过液塑试验选择改良剂，采用分散型泡沫剂对粉质黏土进行改良试验研究。王明胜等人采用泡沫剂对粉质黏土进行改良试验，分析不同泡沫剂对现场盾构掘进参数、泡沫消泡量、渣土性状的影响。

本文分析黏土试样的液塑限特性，分别选择水、聚合物水溶液、分散剂水溶液对黏土进行改良，研究不同改良剂对黏土的流动性、粘附性的影响，为黏土地层盾构施工中渣土改良提供参考。

1 液塑限概念及研究意义

选择粉质黏土试样，烘干后进行颗粒分析，粒径≤0.075mm 的颗粒质量占比达到62.11%，根据GBJ 145-90《土的分类标准》规定的土颗粒粒径范围，土样属于细粒土。细粒土由于含水率不同，分别处于流动状态、可塑状态、半固体状态和固体状态。液限表示由流态转入可塑状态的界限含水量，塑限表征土由可塑状态转入坚硬状态的界限含水量。

选择数显液塑限联合测定仪测定土样液塑限，根据落锥法测定黏土的界限含水量，液限和塑限的锥入深度分别为17mm 和2mm，得出液限ωL对应的含水率为41.8%，塑限ωP对应的含水率为22.16%，由此判断此土样为高液限黏土。液限和塑限含水率为质量比，而土样密度为1 300kg/m3，换算为体积比后对应为54.34%和28.81%，考虑试验易操作性和实际使用情况，渣土改良添加比采用体积比进行配置。

当渣土塑性指数大于20%时，盾构掘进中“堵塞”的风险大大提高。土样的塑性指数为液限ωL和塑限ωP的差值，塑性指数为19.64%，非常接近20%，已属于易“堵塞”地质，对此类黏土的研究还是比较有意义的。

2 黏土改良特性试验

黏土地层最常用改良剂就是泡沫，国内外研究较多，实际工程应用也比较多，因此本文主要研究水、聚合物PAM、分散剂CMC 对黏土改良后的特性研究，对黏土的流动性和粘附性进行测试，定性分析对黏土的改良效果。

2.1 流动性试验

渣土的流动性好坏直接影响螺旋输送机出渣，造成土仓内堵塞和压力不易控制，影响盾构掘进，流动性对盾构掘进是非常重要的参数。流动性测试采用流动度测定仪进行测试，使用锥型器将改良后的土样自然落在托盘上，启动测定仪，测量托盘上试样的直径，通过试验直径分析改良后渣土流动性。

首先配置浓度1%的分散剂水溶液和0.3‰的聚合物水溶液，将烘干黏土试样分成若干份，每份200mL，分别添加不同体积的水、分散剂溶液、聚合物溶液，均匀搅拌后，进行流动性试验测试。3 种改良剂添加比例分别从35%～75%，流动度测试结果如表1 所示。

表1 流动度测试结果

从表1 的测试结果来看，当水添加比例达到55%时，可测试流动性，正好与土样测试的液限值（体积比）54.34%相符。分散剂水溶液添加45%可测试流动性，而聚合物溶液需达到60%才可测试流动性。液限表示流态和可塑状态转变的界限含水量，因此通过定性分析，分散剂可能降低了黏土的液限，而聚合物可能增大了黏土的液限，这个与絮凝剂能够增大黏土的液限指数和塑限指数，分散剂能够减小黏土的液限指数和塑限指数的结论是相符的。总的来说，分散剂有利于增强黏土的流动性，而聚合物降低了黏土的流动性，使用不同的改良剂，可以改变黏土的液限值，当粘土具有流动性时，改良剂的添加比例需大于相对应液限值。

2.2 粘附性测试

黏土极易粘附于刀盘、刀具和隔板等金属材料上，在高温高压下极易形成泥饼，严重影响掘进效率，因此粘附性也是黏土地层改良的重要指标。粘附性测试是通过在金属板上放置改良后的黏土，再将试验盖板放置于渣土试样上，并对试验盖板施加相同的压力，然后用拉力计拉动盖板测试最大拉力。

试样中添加不同比例的水、分散剂溶液（1%）和聚合物溶液（0.3‰），拉力测试结果如图1 所示。

图1 拉力测试结果

从试验结果来看，添加3 种不同的改良剂，拉力值都呈现先增大后减小的趋势。当水和分散剂溶液添加比例小于55%，金属表面无黏土，拉力值反映的是金属与粘土的粘附性，如图2 所示。当水和分散剂溶液添加比例再增大时，黏土流动性好，金属表面开始附着黏土，如图3 所示，此时拉力值主要反映黏土内在粘聚力，而添加分散剂的黏土内在粘聚力更小。对于添加聚合物改良剂的黏土，其不易附着于金属表面，而且有效降低黏土与金属表面的粘附力，如图4所示。

图2 添加水（55%）和分散剂（55%）状态

图3 添加水（70%）和分散剂（65%）时状态

图4 聚合物添加比例55%和75%时状态

通过流动性测试和粘附性试验结果分析，添加3 种不同类型的改良剂，在黏土可测流动性时，水、分散剂、聚合物溶液的添加比例分别为55%、45%、60%，在此状态下，添加分散剂进行渣土改良时粘附力最小，添加水进行渣土改良时粘附力最大。聚合物溶液进行改良时，有效改变粘土与金属的粘聚力，但需较大注入比例才能改变其流动性，在高富水粘土地层中，聚合物可能有一定应用前景。

3 结论

通过对粘土地层的液塑限测试，确定选取的土样为高液限粘土。通过试验结果分析，改良剂会影响粘土的液限，且改良剂添加比例达到其对应的液限值时，可以有效改变黏土的流动性。从提高粘土的流动性和降低粘附性来看，分散剂水溶液具有明显的优势，在黏土地层改良中具有很好的应用前景。同时在高液限粘土地层施工中，需加大改良剂注入比例，才能改变粘土的流动性，为盾构机渣土改良系统在高液限黏土地层中的配置提供参考。