泥浆固相材料含量对泥浆悬浮能力的影响

戴亚军，姜克寒，王文，陈云，周中，刘撞撞

（1.长沙市轨道交通集团有限公司，长沙 410000；2.中国水利水电第八工程局有限公司，长沙 410004；3.中南大学土木工程学院，长沙 410075）

0 引 言

泥浆是指细颗粒土与水以及外加剂混合搅拌而成的分散体系，因其性能优良、造价低廉、取材方便等优点，近年来在土木工工程领域得到了大范围的应用[1-2]。19世纪70年代，日本首次结合泥水加压系统研发了泥水平衡盾构，泥浆首次被用于盾构隧道的施工[3]。泥水盾构隧道施工过程中，泥浆可在隧道掌子面形成一层渗透系数较小的泥膜，提供隧道掌子面的支护压力，保障隧道开挖面的稳定性，所以泥浆在泥水盾构隧道的施工过程中起到了关键性作用[4]。

目前国内外对于泥水盾构所用泥浆特性的研究较多，大多都是通过泥浆性能试验及模拟盾构施工过程中泥浆在地层中的渗透试验，对泥浆基本特性及在地层中的成膜性能进行研究分析，如：文献[5-8]对砂卵石地层中泥水盾构泥浆适用性进行研究分析，得到了适用于砂卵石地层中泥水盾构施工所用的泥浆及配比；吴煊鹏等分析泥浆指标的变化情况，进行了黄河兰州段砂卵石地层下泥浆的调制研究，取得了较好效果[9]；倪红娟等利用颗粒离散元模拟泥水盾构在沙土地层中掌子面泥模的形成情况，认为泥浆黏度、地层级配以及地层渗透系数在很大程度上影响泥膜的形成[10]；韩晓瑞等通过室内试验对泥浆特性对隧道开挖面形成泥膜质量的影响进行研究分析，发现黏度大的泥浆可以在隧道掌子面形成渗透系数小、质量高的泥膜，隧道开挖面越稳定[11]；刘光军等通过添加各种掺料进行泥水平衡盾构泥浆配制试验，研究不同掺料对泥浆性能和经济指标的影响规律[12]。

综合既有研究文献来看，泥水盾构所用泥浆性能的研究大多集中在泥浆对地层渗透形成泥膜的质量方面，对泥浆渣土悬浮能力方面的研究较少。并且传统的泥浆悬浮能力试验通过测量沉淀在泥浆底部渣土的质量的方法测定[13]，难以进行人为控制，造成试验误差相对较大，而且无法给出量化泥浆悬浮能力指标。因此精确测定泥浆悬浮能力，并对泥浆种类、泥浆配比、泥浆性能指标与泥浆悬浮能力的关系进行研究分析十分必要。

1 试验方案设计

1.1 试验装置

本文实验所用仪器为自制的分层测量泥浆中渣土悬浮量的泥浆悬浮能力测定装置、烘箱、筛子、泥浆搅拌器、量筒和精密电子秤。泥浆悬浮能力测定装置包括一侧有排浆孔的量筒，顶盖和孔塞，量筒直径为 100 mm，高600 mm，每隔50 mm设置1个斜向下的排浆孔，一共10个，并配有孔塞，此装置的立面和剖面示意如图1所示，室内试验实景如图2所示。

图2 泥浆悬浮能力测试装置实景

1.2 试验方案

1）配置泥浆：分别以黏土、膨润土和二者混合物为固相材料，并以固相材料的配比为变量，每组配置3500 mL泥浆，依次进行编号；

2）砂土筛分：取天然河砂土，进行筛分、冲洗以及烘干后，得到直径为0.25 mm≤d≤0.5 mm的砂粒作为试验所用渣土，每组实验渣土掺入量为30 g；

3）泥浆的渣土悬浮：打开泥浆悬浮能力测试装置顶盖，用孔塞将除顶部排浆孔以外的每个排浆孔封堵，将砂土与配置好的泥浆溶液倒入量筒中，多余的泥浆从顶部排浆孔排出，保障每组试验泥浆渣土悬浮液体积的恒定，然后用孔塞封堵顶部排浆孔，利用搅拌器将砂土均匀分散在泥浆中，最后盖上量筒顶盖，摇晃均匀后将泥浆悬浮能力测试装置竖直放置，静置5 min；

4）泥浆砂土悬浮液分层获取：泥浆砂土悬浮液静置5 min后，打开量筒顶盖，首先从上到下打开第二个排浆孔，利用泥浆盆盛放排浆孔中流出的泥浆砂土悬浮液，然后从上到下依次打开排浆孔，分别获取每层泥浆砂土悬浮液；

5）分层泥浆悬浮砂土量获取：将得到的泥浆砂土悬浮液利用孔径为0.25 mm的筛分筛将砂粒从泥水中分离出来，并用清水清洗干净，然后将每层泥浆砂土悬浮液分离出来的砂土分别放置在不同的铁盒中，放入烘箱进行烘烤12 h，最后利用精密电子秤分别称取每层泥浆中砂土的悬浮量；

6）泥浆悬浮能力评价：计算每层泥浆中砂土的悬浮量占砂土总投放量的百分比，绘制每层泥浆悬浮砂土百分比随深度的变化曲线图，通过计算本组泥浆中分层悬浮砂土量占砂土总投放量百分比的标准差，对泥浆悬浮能力进行量化分析。至此完成此组泥浆悬浮能力测量；

7）换下一组泥浆，重复以上步骤进行试验分析。

2 试验结果分析

根据自制泥浆悬浮能力测试装置的体积，再依据泥浆前期性能试验配比，每组配置3500 mL的泥浆，每组泥浆掺入30 g筛分好的砂土，充分搅拌，作为泥浆悬浮能力试验所用泥浆砂土混合液。

2.1 黏土固相材料泥浆悬浮能力试验

为了研究黏土固相材料泥浆的渣土悬浮能力，并分析泥浆黏土固相材料配比和基本性能与悬浮能力的关系。配置以黏土固相材料含量为变量的6组黏土固相材料泥浆进行试验，具体的试验材料配比如表1所示。

表1 黏土固相材料泥浆砂土混合液配制

泥浆悬浮能力测量装置每层从上到下由1～10依次进行编号，每层高50 mm，悬浮能力试验所得到的各组黏土固相材料泥浆中每层泥浆砂土混合液悬浮砂土的质量如表2所示。

表2 黏土固相材料每层泥浆悬浮砂土的质量单位：g

以黏土固相材料泥浆渣土悬浮能力测量装置分层号为横坐标，每层泥浆悬浮渣土量占渣土总投放量的百分比为纵坐标，建立不同深度处分层泥浆渣土悬浮量占比曲线，如图3所示。

由图3可以发现，对于黏土固相材料泥浆，各组泥浆都出现了明显的渣土沉淀现象，不同深度处各层泥浆悬浮渣土量占比曲线在底层具有明显的拐点，且除底层外上层泥浆悬浮渣土量较少，表明黏土固相材料泥浆的悬浮能力较差。随着泥浆的比重增大，泥浆悬浮能力有一定的提升，但黏土含量对泥浆黏度的影响较小，使得黏土配比对泥浆悬浮能力的增强作用不明显。

图3 黏土固相材料每层泥浆悬浮渣土量占比曲线

2.2 膨润土固相材料泥浆悬浮能力试验

为了研究膨润土固相材料泥浆的悬浮能力，并分析膨润土固相材料配比和基本性能与泥浆渣土输送能力的关系，配置以膨润土固相材料含量为变量的6组膨润土固相材料泥浆进行试验，具体的试验材料配比如表3所示。

表3 膨润土固相材料泥浆砂土混合液配制

膨润土固相材料泥浆悬浮能力试验所得到的各组泥浆中每层泥浆砂土混合液中悬浮砂土的质量如表4所示。

以膨润土固相材料泥浆渣土悬浮能力测量装置分层号为横坐标，每层泥浆悬浮渣土量占渣土总投放量的百分比为纵坐标，建立不同深度处分层泥浆渣土悬浮量占比曲线，如图4所示。

表4 膨润土固相材料每层泥浆悬浮砂土的质量单位：g

图4 膨润土固相材料每层泥浆悬浮渣土量占比曲线

由图4可以发现，对于膨润土固相材料泥浆，膨润土配比较小的各组泥浆出现了明显的渣土沉淀现象，表明膨润土配比较小时泥浆的悬浮能力较差，但随着泥浆中膨润土固相材料配比的增加，泥浆的渣土悬浮能力得到较大的提高。表明膨润土对增大泥浆的黏度作用较为明显，随着膨润土固相材料含量的增加，泥浆的黏度显著增加，使得泥浆渣土悬浮能力大幅度提升。

2.3 混合固相材料泥浆悬浮能力试验

为了研究黏土和膨润土混合固相材料泥浆的渣土悬浮能力，并分析泥浆混合固相材料配比和基本性能与悬浮能力的关系。配置以混合固相材料含量为变量的6组混合固相材料泥浆进行试验，具体的试验材料配比如表5所示。

表5 混合固相材料泥浆砂土混合液配制

混合固相材料泥浆悬浮能力试验所得到的各组泥浆中每层泥浆砂土混合液中悬浮砂土的质量如表6所示。

表6 混合固相材料每层泥浆悬浮砂土的质量单位：g

以混合固相材料泥浆渣土悬浮能力测量装置分层号为横坐标，每层泥浆悬浮渣土量占渣土总投放量的百分比为纵坐标，建立不同深度处分层泥浆渣土悬浮量占比曲线，如图5所示。

由图5可以看出，对于混合固相材料泥浆，随着泥浆中混合固相材料配比的增加，泥浆的渣土悬浮能力随之提高，渣土在装置底层的沉淀量逐步减小，上层泥浆渣土悬浮量随之增大，泥浆分层悬浮渣土量占比曲线趋于平缓，底层渣土质量拐点坡度逐渐降低。对于黏土和膨润土混合固相材料泥浆，可以通过增大的膨润土配比增大泥浆的黏度，从而增强泥浆的渣土悬浮能力，便于泥浆渣土输送系统的工作，通过增大黏土的配比增大泥浆的比重，从而提供泥水盾构在掌子面形成致密泥膜所需的细小土颗粒，保障隧道掌子面的稳定性。因此可以发现混合固相材料泥浆更加适合泥水平衡盾构隧道的施工。

图5 混合固相材料每层泥浆悬浮渣土量占比曲线

3 泥浆悬浮能力评价指标

本文根据同一组泥浆不同深度各层泥浆悬浮渣土量占渣土总投放量百分比的标准差，作为评价该组泥浆渣土悬浮能力的指标。标准差越小表明不同深度处各层泥浆悬浮渣土量越均匀，底层泥浆中渣土沉淀量越小，上层泥浆中渣土悬浮量越多，泥浆的悬浮能力越强。标准差计算公式如式（1）所示：

其中，S为标准差；n为泥浆悬浮能力测量装置的分层数；xi为各层泥浆悬浮渣土量占渣土总投放量的百分比；μ为其平均值。

将试验监测数据代入式（1）可以得到不同配比的三种固相材料泥浆在不同深度处各层泥浆悬浮渣土量占渣土总投放量百分比的标准差，如表7所列。

表7 各层泥浆悬浮渣土量占渣土总投放量百分比的标准差

由表7可以看出，泥浆的渣土悬浮能力随着固相材料含量的增大而增强，并且相同固相材料配比下膨润土固相材料泥浆悬浮能力＞混合固相材料泥浆＞黏土固相材料泥浆，当固相材料含量为120 g时，膨润土固相材料泥浆悬浮能力评价指标为0.035，而黏土固相材料泥浆悬浮能力评价指标为0.137，混合固相材料泥浆悬浮能力评价指标为0.071，介于二者之间。

4 结 论

本文通过自制的泥浆渣土悬浮能力测量装置，进行不同类型泥浆中固相材料配比对泥浆渣土悬浮能力测量实验，得出的主要结论有：

1）泥浆中黏土和膨润土含量的增大均有提升泥浆悬浮能力的作用，但随着膨润土含量的增加泥浆渣土悬浮能力的提升效果较为明显，而黏土含量对泥浆悬浮能力的影响较小。

2）相同固相材料配比下膨润土固相材料泥浆悬浮能力＞混合固相材料泥浆＞黏土固相材料泥浆。

3）增大的膨润土配比可增大泥浆的黏度，增强泥浆的渣土悬浮能力，增大黏土的配比增大泥浆的比重，保障隧道掌子面的稳定性，因此混合固相材料泥浆更加适合泥水平衡盾构隧道的施工。