考虑温度效应的盾构法黏土-金属界面黏附力试验

杨 益， 谭 超， 李兴高

(北京交通大学 a. 城市地下工程教育部重点实验室； b. 土木建筑工程学院, 北京 100044)

随着我国大城市地面交通负荷的日益加重，地下空间的开发利用就成为了推动城市功能升级和经济可持续发展的关键因素。盾构法以施工速度快、安全、对土体扰动小等技术优势在地下空间开发利用中广泛应用。然而，在盾构机工作过程中刀盘与土体接触位置，由于摩擦效应会产生大量热量，若遇到黏土地层，极易黏附刀盘造成堵塞问题，这直接影响到工程建设的安全性、盾构设备的耐久性和施工过程组织管理[1]。因此，探究温度效应对黏土与盾构刀盘界面的黏附性能十分重要。

在黏土黏附机理研究上，研究者们从不同角度提出不同的理论和学说，以解释和说明土黏附的现象与规律。Tsubakihara等[2]指出了黏附剪切与界面粗糙度相关的三类模式。Kooistra等[3]提出了黏土与金属表面剪切可能发生的两种情况，如果施加的剪切力大于黏土剪切强度，但是小于黏土与金属的黏附剪切强度，堵塞就会发生。Thewes[4]提出了黏土的堵塞问题可以细化为四种单一的相互作用机制。为此，Thewes[5]设计了测试黏土拉伸黏附力的试验装置，研究了土样性质、土样浸润时间、接触时长，以及浸润液特性对黏附特性的影响。杨益等[6]利用圆锥拉伸黏附实验，考虑黏附力和黏附量2个因素建立了土压盾构堵塞风险评价方法。Zimnik等[7]通过特殊的直剪试验探究了土与钢之间的黏附剪切规律，认为黏土矿物成分、黏粒含量、接触面粗糙度、接触时间、压力和含水率是影响接触面破坏的主要因素。Zumsteg等[8]设计了更为复杂的切向黏附力测试方法，并通过搅拌试验和圆盘剪切试验，研究了泡沫剂和分散剂对黏土剪切作用的影响规律。Liu和Wang等[9,10]利用类似的圆盘剪切试验，探究了分散剂的作用机理，研究表明分散剂可降低黏土的液限含水率，而对塑限含水率基本无影响，同时相同稠度指数下，黏附强度基本一致。紧接着，Zumsteg等[11]对圆盘剪切试验进行了改造，研发了泥水盾构掘进试验装置，进一步测试了改良剂对粘结效果的影响。进一步地，方勇等[12]开发了室内面板式刀盘掘进模拟装置用以探索盾构掘进速度和刀盘扭矩的变化规律及其与刀盘堵塞之间的相关关系。以上研究重点关注于土样性质对黏附特性的影响，而在温度效应的影响方面，Azadegan等[13]采用自主设计的仪器，测试了不排水条件下黏土与金属接触面黏附力大小随环境温度在5～30 ℃变化范围内的关系，结果表明温度与黏土黏附力呈负相关。

从以上研究可以看出，当前对黏土黏附力的试验研究大多未考虑温度场的影响，考虑温度作用的研究并未考虑其他因素的共同作用。实际工程中，盾构掘进面临的环境是复杂多样的，涉及多种影响因素的共同作用，很有必要开展相应试验研究。采用自制的试验装置，考虑温度与其他因素(接触面压力、剪切速度、含水量、矿物含量、排水环境)共同作用，试验研究了黏土-金属面切向黏附力的变化规律，对实际工程中盾构刀盘与黏土间黏附作用的应对和治理有一定的指导和参考价值。

1 黏土-钢接触面剪切试验

1.1 试验材料

黏土通常由各种黏土矿物的混合物组成，其力学性质在很大程度上取决于其所包含的黏土矿物成分。为使试验土成分明确，简易可控，试验中采用人工配土。本试验采用高纯度伊利土和蒙脱土。试样土的外观形状如图1所示，技术参数如表1所示。两种土样主要成分均为硅铝酸盐，绝大部分成分是SiO2与Al2O3，蒙脱土含有少量MgO，K2O，CaO，Fe2O3，伊利土含有少量K2O。采用落锥法测定了黏土的液塑限，并对测定结果进行了分析。以17,2 mm锥入土样的含水量分别对应液限和塑限。对两种土样分别测试，结果如表2所示。

图1 试验土样外观

表1 试验土样的主要特征

表2 试验土成分及部分物理指标

1.2 试验设备

黏附试验采用自主设计的恒温黏附剪切仪，如图2所示。试验设备由4个部分组成：旋转剪切系统、恒温压力仓、加压系统以及旋转动力及测试系统，其中恒温压力仓的剖面见图3所示。恒温压力仓外层加水，以水为导热介质通过加热装置对水进行加热以达到压力仓内的恒温环境，压力仓内放置土样，由空气压缩机提供恒定气压环境，用以模拟盾构渣土所处的压力环境。土样与旋转剪切轴面(模拟刀盘表面)直接接触，旋转剪切轴直径和高度分别为75，200 mm，由不锈钢制成，表面粗糙度为3.2 μm。旋转轴由减速电机驱动，其转速由伺服电机驱动器控制并保持恒定。电动机的额定转矩为3.5 N·m，经减速机放大后为126 N·m，通过输出电机实时扭矩用以换算黏附力，换算关系如式(1)所示，输出黏附力的精度为1 kPa。

(1)

式中：τ为土壤剪切应力；T为实测扭矩；D为旋转剪切轴直径；H为土样高度。

图2 黏附力测试仪

图3 黏附力测试仪剖面

1.3 试验方案设计

本次试验模拟闭胸式盾构施工过程中，土体对刀盘的黏附作用。因此，试验因素除了温度外。还包括了接触面压力、剪切速度、含水量和矿物含量。试验过程中，为验证部分实验组土样黏附力随温度变化出现拐点的现象可能与含水量变化有关，后又将排水环境纳入试验因素中。具体试验因素及水平如表3所示。表3中各因素水平的选择说明如下。

表3 黏土黏附试验因素及水平

(1)稠度指数Ic

当稠度指数Ic小于0.4时，不能保证螺旋输送机的气密性，而稠度指数Ic过高时，土体由于太硬而不能作为支撑介质。因此，选定试验土的稠度指数Ic为0.2～1.0，探讨此范围内切向黏附力与稠度指数之间的关系。稠度指数通过在试样中加水改变土样含水率来完成，稠度指数的含水率按式(2)换算后，结果如表4所示。

W=WL-IcIp

(2)

式中：W为实际含水率；WL为液限；Ip为黏土塑性指数。

表4 试验土样含水率 %

(2)温度

文献[14]表明，在正常工作情况下，盾构刀盘上的最高温度一般为40～50 ℃，同时兼顾到非正常情况，选定的试验温度为20～65 ℃，通过温度控制系统实现。通过预设目标温度控制加热棒的加热进程，在土样内布置温度传感器，实时反馈温度数据，当土样温度达到目标温度时，停止加热进程，反之，则自动开启加热进程，保证剪切过程中土样温度始终维持在预设温度附近，误差小于0.1 ℃。

(3)加压条件

试验模拟盾构掘进时的刀盘工作情况，通过对上部装置的附加荷载来实现加压的目的。对土样施加的法向力分别为100，200 kPa，试验装置密封后借助空气压缩机加入气压完成。

(4)旋转速率

试验叶片装置直接通过刚性轴施加扭矩，并且使用电动传感器测量扭矩，叶片以恒定速度转动，根据ASTM D4648-00标准[15]，剪切速度范围应在10～30 °/min，因此本试验选定旋转速度为10，20，30 °/min，通过旋转及测试系统调速达到与土样的相对运动速度。

(5)排水条件

排水试验装样前在土样下方加不锈钢板与透水石保证土样排水，不排水实验前将不锈钢板与透水石取出。利用单因素分析方法进行试验，各组试验的因素水平方案情况如表5所示，表5中因素水平序号与表3中水平序号相对应。

1.4 试验步骤

试验按照以下步骤进行：

表5 因素水平方案

(1)将土样与预先确定的水量混合，为防止水分蒸发将其放置在密封容器中保存24 h，使土样与水分充分混合；

(2)将与水分充分混合的土样按重量等分为6份，分6次填入到试验装置圆筒内，分层压实，每层厚度应一致，约为2 cm；

(3)试验装置外层加入水，连接好温度加热系统，铜棒开始加热直到水温到达预期温度，由于导热需一定时间，所以水温达到预定值后需静置2 h，使得温度充分传递到装置内层土样中；

(4)通过无油静音空气压缩机向试验装置内部土样试样施加所需的压力，使用IR2010-02BG气压调节阀将压力稳定5 min，此时土样竖向位移变得稳定；

(5)操控电机，以设定的速度旋转中心轴，每1 s输出一次扭矩，每次测量持续2 min；

(6)试验结束后拆除电机与剪切机的连接，测量土样高度，以便后续计算扭矩；

(7)记录电机扭矩值，按照公式(1)计算1切向黏附力。

2 试验结果及分析

2.1 剪切曲线

图4为Ic=0.8、加压条件为100 kPa、剪切速率为30 °/min的蒙脱土与伊利土两种土样的剪切曲线，图中x轴为中心旋转轴旋转角度，y轴为土样温度，z轴为黏土与金属面切向黏附力。如图4所示，在剪切过程中，黏土-接触面切向黏附力在初始阶段显著增大，达到峰值后下降，而后逐渐稳定。不同土样以及不同温度的试样组所测剪切曲线特征相同，选取每条曲线的峰值定义为该土样的切向黏附力。

图4 试样剪切曲线

2.2 不同稠度指数下切向黏附力随温度的变化

图5给出了两种土样在压力100 kPa、剪切速度10 °/min以及不排水条件下，土样不同稠度指数时的切向黏附力随温度的变化。结果显示，不同温度水平下，稠度指数越大其切向黏附力越大，在Ic值为1.0，0.8，0.5的情况下，伊利土的切向黏附力高于蒙脱土，而对于Ic值为0.2的情况，规律恰恰相反。不同稠度指数Ic下的试验土样，随着温度升高，切向黏附力随之减小，对于Ic值为1.0，0.8，0.5的试样，伊利土和蒙脱土的切向黏附力每升高15 ℃减小约5 kPa，而对于Ic值为0.2的试样，伊利土和蒙脱土的切向黏附力均未表现出明显减小，说明当含水率较高时，温度对切向黏附力的影响并不显著。根据Moritz[18]提出的理论，温度升高会使黏土内部孔隙水压力增大，这可归因于颗粒与孔隙水热膨胀系数的差异，孔隙水压力的升高减小了黏土的有效应力，进而导致黏土与金属面的实际接触压力降低，这也解释了在不排水条件下切向黏附力随温度减小的现象。

图5 含水量对不同温度下切向粘结强度的影响

2.3 不同加压条件下切向黏附力随温度的变化

图6表示两种土样在Ic=1、剪切速度10°/min以及不排水和不同加压条件下切向黏附力随温度的变化。结果表明，不同加压条件的试验土样，其切向黏附力大小与温度呈负相关。不同温度水平下施加压力越大其切向黏附力越大。加载压力的不同对切向黏附力变化率有一定影响，200 kPa的加载压力下，温度从20 ℃升高至65 ℃，伊利土的切向黏附力降低25 kPa，而100 kPa下仅降低18 kPa，蒙脱土也表现出类似的现象。这说明在不同加载压力下，高压环境中黏土内部的孔隙水压力更易随温度升高而增大，致使黏土有效应力减小量较大，切向黏附力的减小量也更大。

图6 加压条件对不同温度下切向黏附力的影响

2.4 不同剪切速度下切向黏附力随温度的变化

图7表示两种土样在Ic=0.8、压力100 kPa以及不排水和不同剪切速度下，切向黏附力随温度的变化。结果表明，剪切速度越快，切向黏附力越小，切向黏附力随温度的变化也越小。不同剪切速度下的试验土样，其切向黏附力随温度改变在20～65 ℃时呈负相关变化，温度升高，切向黏附力随之下降。温度变化对剪切速度为10 °/min时的切向黏附力影响最大，而对于50～65 ℃的蒙脱土样，不同速度对切向黏附力基本无影响。

图7 剪切速度对不同温度下切向黏附力的影响

2.5 不同排水环境下切向黏附力随温度的变化

图8表示两种土样在Ic=0.5、加压100 kPa、剪切速率10 °/min条件下，不同排水环境时切向黏附力随温度的变化。结果表明，排水条件下的切向黏附力普遍大于不排水的情况，排水情况下两种土样切向黏附力均在20～35 ℃范围内与温度呈负相关，在35～65 ℃范围内与温度呈正相关，不排水情况下两种土样切向黏附力均在20～65 ℃范围内与温度呈负相关，这两种趋势表明排水环境会改变温度与黏土切向黏附力之间的相关性。不同温度水平下排水环境的切向黏附力均大于不排水环境的切向黏附力。一方面排水使得黏土含水率减小，增大了黏土的实际稠度指数，这使得黏土的切向黏附力有增大的趋势；另一方面温度升高致使黏土内部孔隙水压力增大，有效应力减小，这使得黏土的切向黏附力有减小的趋势，在二者的共同作用下，排水条件下的试验曲线在35℃位置出现拐点的现象。

图8 排水环境对不同温度下切向粘结强度的影响

2.6 不同成分黏土切向黏附力随温度的变化

图9表示两种土样在4种稠度指数、加压100 kPa、剪切速率为10 °/min以及相同排水环境下的切向黏附力随温度的变化。结果表明，伊利土在Ic=1，0.8，0.5情况下的切向黏附力大于蒙脱土，在Ic=0.2情况下切向黏附力小于蒙脱土，但在相同稠度指数环境下，两种土样切向黏附力随温度变化的规律均相同。在排水条件下，Ic=1时，伊利土与蒙脱土的切向黏附力与温度均呈负相关，而Ic=0.8，0.5时，二者的切向黏附力在温度为50 ℃处出现拐点，Ic=0.2时，拐点出现在35 ℃。由2.5节的分析可知，切向黏附力与温度的负相关关系是由温度升高所主导，而正相关关系是由排水导致的稠度指数上升所主导，因此，结合图9的试验结果可以说明，土样含水率越高，黏附力越容易受排水因素所主导，因为高含水率土样中的水分更容易被排出，这也解释了试验曲线的拐点出现位置更早。

图9 不同成分黏土切向黏附力随温度的变化

3 结 论

本文对蒙脱土和伊利土两种试验土样利用单因素分析进行了多组室内试验，测量了土样在不同温度下切向黏附力与稠度指数、加压条件、剪切速度、排水环境、黏土成分的关系，研究结论如下：

(1)黏土 - 接触面的剪切曲线特征为在初始阶段显著增大，达到峰值后下降，而后逐渐稳定，该特征较为固定，不随土样矿物含量、温度、含水量、剪切速度、排水环境的改变而改变。

(2)黏土切向黏附力在所有温度阶段均有以下特征：稠度指数越大，土样切向黏附力越大；所加压力越大，切向黏附力越大；剪切速度越小，切向黏附力越大；排水条件下的切向黏附力普遍大于不排水的情况。

(3)温度改变对土样Ic为0.8，0.5时的切向黏附力影响较大，对Ic为1，0.2时的切向黏附力影响较小。

(4)伊利土在Ic为1，0.8，0.5时的切向黏附力大于蒙脱土，在Ic为0.2时的切向黏附力小于蒙脱土，但在相同稠度指数环境下，两种土样切向黏附力随温度变化的规律均相同。

(5)排水使得黏土的切向黏附力有随温度增大的趋势；温度升高致使黏土的切向黏附力有随温度减小的趋势；在二者的共同作用下，含水率越高的土样，越容易受到排水状态的影响，黏附力越早地随温度升高而出现拐点。