泥浆悬浮砂粒能力分层测定试验研究

刘 成， 陆 杨， 寇 伟， 陆雨婷

(1. 南京林业大学土木工程学院， 江苏 南京 210037; 2. 莫纳什大学工程学院土木工程系， 维多利亚，墨尔本 3800; 3. 河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室， 江苏 南京 210098)

泥浆悬浮砂粒能力分层测定试验研究

刘 成1, 2, 3， 陆 杨1， 寇 伟1， 陆雨婷1

(1. 南京林业大学土木工程学院， 江苏 南京 210037; 2. 莫纳什大学工程学院土木工程系， 维多利亚，墨尔本 3800; 3. 河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室， 江苏 南京 210098)

为实现泥浆悬浮砂粒能力的量化分析，提出一种分层测定方法，选取12%、15%和18% 3种质量分数的试验泥浆，通过自行设计的分层取样装置进行试验研究，获取不同泥浆质量分数、沉降时间和砂粒粒径条件下的10个深度分段的砂粒质量分布，分析各参数影响下的砂粒沉降变化规律。结果表明： 1)该分层测定方法可较好地获取不同深度分段的砂粒质量，弥补现有测定方法只能获取底层砂粒沉降质量的不足； 2)试验所采用的3种质量分数的泥浆对0.1 mm以上粒径的砂粒悬浮能力均较差。根据砂粒沉降曲线分布特征，提出一种用于判别泥浆悬浮砂粒能力的方法，即砂粒沉降曲线越平缓，各层质量差异性越小，底层质量无明显拐点，不同沉降时间曲线越紧密，则泥浆悬浮砂粒能力越强。

泥水盾构； 泥浆； 悬浮能力； 颗粒沉降； 分层测定

Abstract: A slice measurement method is proposed to quantitatively analyze the sand carrying capacity of slurry. The slurries with concentrations of 12%, 15% and 18% are selected to conduct the tests using self-made slice sampling device. The sand mass distributions of ten depth intervals are obtained, considering the effects of slurry concentrations, sedimentation times and sand diameters. The sand sedimentation variations affected by every parameter are analyzed. The results show that: 1) The sand mass of different depth intervals can be easily obtained by adopting the slice measurement method. The disadvantage of the existing method which can only obtain the bottom sand mass has been overcome. 2) The sand carrying capacities of those three concentrations of slurry are weak to suspend 0.1 mm sand or sand with a larger particle size. Based on the distribution characteristics of sand sedimentation curves, a method to determine the sand carrying capacity of slurry is put forward. The slurry will possess a better performance on sand carrying capacity in case the following conditions are satisfied: the sedimentation curve is more flat, the mass difference of adjacent layers is smaller, no obvious inflection point exists in the curve at the bottom, and the curves of different sedimentation times are closer.

Keywords: slurry shield; slurry; suspension capacity; particle settlement; slice measurement

0 引言

大型泥水盾构长距离穿越砾砂、砂卵石等高透水地层，往往会遇到开挖面难以成膜的困难[1-2]。在泥浆中添加适量的粗粒材料或者高聚物，已成为改善泥浆在高透水地层中成膜效果的重要手段[3-4]。泥浆中添加粗粒材料可以有效提高泥浆成膜效率，这一结论已得到试验验证和工程应用。A.M.Talmon等[5]发现在悬浮液中添加石英粉或悬浮砂可以缩短滤饼形成时间； P.Fritz[6]在试验中添加蛭石、高聚物以在高透水性地层中形成泥膜，并在Zimmerberg Base Tunnel盾构隧道工程中得以应用。然而，蛭石、砂粒等粗粒材料容易在泥浆中产生沉降分离，粗粒材料的尺寸和添加量方案的确定具有较大的困难，同时也制约了粗粒材料堵塞地层机制等相关研究的开展。而粗粒材料的尺寸和添加量的确定，首先需要测定泥浆的悬浮能力，获得粗粒材料在泥浆中的沉降规律。

关于砂粒悬浮或沉降特性已有相关理论分析和试验研究，如河流悬浮砂粒迁移规律分析是目前研究的热点。褚君达等[7]通过理论推导得出河底泥砂冲刷沉降的水质基本方程；文献[8-11]对长江及长江口水域的悬砂沉降规律展开了一系列的理论推导及试验研究。但是，泥浆性质较为复杂，与清水、河流或者其他流体对于砂粒的悬浮能力不同，因此无法直接应用以清水为载体的砂粒沉降理论。

泥浆的悬浮砂粒的能力测定是在一定体积泥浆中加入一定质量的砂粒，搅拌分散均匀后经过一定时间静置，测定悬浮在泥浆中砂粒的质量百分含量的过程。目前测定泥浆悬浮砂粒的能力主要采用称量容器底部沉降砂粒质量的方法[12-13]，但是由于泥浆倒出容器容易将部分砂粒带出造成有效质量损失，相关误差难以控制和量化。

如何对不同沉降时间泥浆不同深度的砂粒进行有效取样是解决泥浆悬浮砂粒能力测定的关键问题。针对这个问题，本文提出了泥浆悬浮砂粒分层测定方法，通过自制试验仪器开展了一系列分层测定试验，得出不同泥浆质量分数、沉降时间改变、不同粒组砂粒的分层沉降规律，给出了泥浆悬浮砂粒能力的判别方法。可以为加砂泥浆侵入地层成膜模型试验选择合适粒径的砂粒和实际盾构工程泥浆粗粒添加方案提供数据参考。

1 泥浆悬浮砂粒能力测定试验

1.1试验方案

在透水性较高的泥水盾构工程中，国内外泥浆质量分数一般介于10%和18%之间。泥浆性质测定发现质量分数为6%和9%的泥浆黏度较低，悬浮砂粒的能力基本可以忽略；质量分数为24%的泥浆实测漏斗黏度超过30 min，此时泥浆的黏度和相对密度较大，对管道的摩擦较大，容易造成管道腐蚀和淤堵，制约了泥浆管道输送能力，因此也不适宜于工程应用[14-16]。本研究选择泥浆质量分数和黏度相对适中的质量分数为12%、15%和18%的3种泥浆进行泥浆悬浮砂粒能力测定。

试验泥浆选用钠基膨润土、清水、羧甲基纤维素钠(CMC)和无水碳酸钠(Na2CO3)按照表1的配比制备而成。泥浆充分搅拌后静置24 h备用。

表1 试验泥浆配比Table 1 Proportions of tested slurry

试验地层材料选用天然河砂，经清洗、烘干和筛分获得。砂粒粒径分别为0.1～0.25、0.25～0.5、0.5～1.0、1.0～2.0 mm，每次试验需添加50 g砂粒。

1.2试验仪器

试验仪器主要有自制的泥浆悬浮砂粒能力分层测定装置、量筒、电子天平、烘箱、铝盒、泥浆筒、搅拌棒和筛子。泥浆悬浮砂粒能力分层测定装置示意图和实物照片见图1，采用11块隔板将分层取土器分为10个分段，自上而下分段编号为1—10，每段高3 cm。

(a) 示意图 (b) 实物照片图1 泥浆悬浮砂粒能力分层测定装置

Fig. 1 Slice measurement device of sand suspension capacity of slurry

1.3试验步骤

1)将分层取土器插入泥浆筒中，将制备好的泥浆和砂混合物倒入泥浆筒中，盖紧顶盖；

2)将装满泥浆的泥浆筒上下左右晃动，使砂粒在泥浆中分散均匀，接着竖直放置泥浆筒，让砂粒在泥浆中自由沉降；

3)待沉降时间t后，将泥浆筒水平放置，让砂粒分别沉降在分层取土器中对应高度的分段处；

4)待沉降10 min后，取下顶盖，使泥浆缓慢从泥浆筒顶盖上的排泥浆孔流出，从泥浆筒中水平抽出分层取土器；

5)分别取出分层取土器中每个格栏内含有砂粒的泥浆，完成泥浆取样；

6)将取出的含有砂粒的泥浆用清水洗净，将洗净的砂粒分别放置在不同的铝盒中，用烘箱烘烤24 h，称出烘干后各层砂粒质量m，完成测量；

7)重复上述步骤，改变沉降时间t、泥浆质量分数C、砂粒粒径d，完成不同参数试验。具体试验流程见图2。

图2 泥浆悬浮砂粒能力测定流程图

Fig. 2 Flowchart of sand suspension capacity measurement for slurry

2 试验结果分析

根据土粒在溶液中的沉降原理，经过搅拌均匀的悬浮液中的土粒将自由沉降，较粗的颗粒沉降较快。颗粒的尺寸用粒径d表示，沉降时间为静置时间。单粒理想化球体的颗粒沉降速度可以用斯托克斯定律计算，但不适用于泥浆中多颗粒沉降计算。另外，泥浆携砂在管道中输送规律、加砂泥浆在开挖面上成膜特征[17-19]，与普通流体悬浮砂粒迁移规律也存在一定的差异性，因此以泥浆为载体的砂粒沉降的理论计算方法还不够完善。本文主要分析各粒组砂粒在各个质量分数泥浆中经过一定的沉降时间的分层质量分布规律。首先分析同一个粒组相同质量分数的泥浆不同沉降时间的影响，然后分析相同沉降时间不同颗粒尺寸即砂粒粒径的影响。

2.1沉降时间影响分析

2.1.1 质量分数C=12%的泥浆不同时间对比

图3示出质量分数为12%的泥浆测定的不同深度分段干砂质量曲线，比较发现： 1)在质量分数为12%的泥浆中，所测4个粒组的砂粒均有较为明显的沉降，出现固液分离； 2)不同深度分段砂粒质量不同，且随着深度增大而增加，增长速率由慢到快，底层的质量含量较大； 3)随着时间增长，粒径较小的颗粒沉降相对较慢，各分层质量变化较小，如0.1～0.25 mm粒组和0.25～0.5 mm粒组，总体沉降量也较小，10 min沉降后底层分段干砂质量小于4.7 g，小于添加砂粒总质量的1/10； 而粒径较大的颗粒沉降较快，在较短的时间内沉降到最下面的2层，底层所占质量最大，如0.5～1.0 mm粒组和1.0～2.0 mm粒组。由于粗颗粒在较短的时间已沉降到底部，随着时间增长，变化量改变较小。

总体而言，质量分数为12%的泥浆对粒径大于0.1 mm的砂粒悬浮能力较差，固液分析影响明显，而泥浆侵入地层试验是从上至下进行的，由于泥浆中较粗砂粒沉降较快，模型试验开始前有部分砂粒已沉降至地层表面造成地层孔隙堵塞，地层孔隙特征因之改变，并且砂粒沉降分离导致泥浆性质发生改变，与实际成膜过程不符，因此对于开展泥浆侵入地层试验是不合适的。

2.1.2 质量分数C=15%的泥浆不同时间对比

图4示出质量分数为15%的泥浆测定的不同深度分段干砂质量曲线，比较发现，质量分数为15%泥浆的悬浮能力与质量分数为12%泥浆的悬浮能力具有相似之处，主要区别在于: 1)由于质量分数提高，随着时间增长，各层分段质量的增量降低，从曲线紧密程度来看，12%的泥浆不同时间曲线相对分散，而15%的泥浆不同时间曲线相对集中； 2)对于粒径较小的0.1～0.25 mm粒组和0.25～0.5 mm粒组，考虑到颗粒沉降量相对较小，悬浮于泥浆中的颗粒较多，不同深度的泥浆均有不同程度地被泥浆带走产生损失，造成了一定的误差。所以粒径较小的砂粒，质量分数为15%和12%的结果较为接近； 3)对于粒径较大的0.5～1.0 mm粒组和1.0～2.0 mm粒组，质量分数为15%的泥浆沉降量较12%时的小，沉降量明显降低。随着时间增长，沉降差别较小，主要沉降量在1 min内完成。

2.1.3 质量分数C=18%的泥浆不同时间对比

图5示出质量分数为18%的泥浆测定的不同深度分段干砂质量曲线，比较发现，质量分数为18%的泥浆由于泥浆质量分数较大，砂粒分散较难，被泥浆带走的可能性增大，因此测定结果波动也较大。质量分数为18%的泥浆悬浮砂粒能力增强，对较大粒径的0.5～1.0 mm粒组和1.0～2.0 mm粒组也具有较好地防止固液沉降分离的效果。主要有2方面的原因： 1)泥浆的质量分数增大，泥浆的密度增大；2)泥浆的黏度增大。然而，此时底层分段砂粒沉降后质量约占添加砂粒总质量的15%，这部分砂粒在成膜阶段对于堵塞地层中较大孔隙尤为关键，砂粒沉降的影响仍不可忽略，因此也无法直接用于开展泥浆侵入地层试验研究。

(a) 0.1～0.25 mm粒组

(b) 0.25～0.5 mm粒组

(c) 0.5～1.0 mm粒组

图3质量分数为12%泥浆测定的不同沉降时间不同深度分段的干砂质量曲线

Fig. 3 Mass curves of dried sand for different depths layer with different settlement times(C=12%)

(a) 0.1～0.25 mm粒组

(b) 0.25～0.5 mm粒组

(c) 0.5～1.0 mm粒组

(d) 1.0～2.0 mm粒组

图4质量分数为15%泥浆测定的不同沉降时间不同深度分段干砂质量曲线

Fig. 4 Mass curves of dried sand for different depths layer with different settlement times(C=15%)

(a) 0.1～0.25 mm粒组

(b) 0.25～0.5 mm粒组

(c) 0.5～1.0 mm粒组

(d) 1.0～2.0 mm粒组

图5质量分数为18%泥浆测定的不同沉降时间不同深度分段干砂质量曲线

Fig. 5 Mass curves of dried sand for different depths layer with different settlement times(C=18%)

综上所述，根据不同深度分段干砂质量曲线形态特征，可以给出如下判定泥浆悬浮砂粒能力的方法： 不同深度分段干砂质量曲线，各层质量差异越小，底层质量无明显拐点，曲线越平缓，不同沉降时间曲线越紧密，泥浆悬浮砂粒能力越强。

2.2砂粒粒径影响分析

2.2.1 质量分数C=12%的泥浆不同粒径对比

图6示出质量分数为12%的泥浆测定的不同深度分段干砂质量曲线，比较发现： 在质量分数为12%的泥浆中，粒径越大，底层沉降质量越大。粒径大小不同，曲线有较大的差异，0.1～0.25 mm粒组和0.25～0.5 mm粒组底层质量较小，各层差异较小，0.5～1.0 mm粒组和1.0～2.0 mm粒组上层颗粒质量较小，底层质量较大，在底层处曲线出现拐点。由此可见，质量分数较低的泥浆，泥浆悬浮较粗砂粒能力较低，粒径大小不同的粒组出现分区，粒径较小的粒组沉降曲线接近，粒径较大的粒组沉降曲线接近。悬浮能力较好的曲线较为平缓，悬浮能力较差的曲线在底层出现明显的拐点。

2.2.2 质量分数C=15%的泥浆不同粒径对比

图7示出质量分数为15%的泥浆测定的不同深度分段干砂质量曲线，比较发现： 1)在质量分数为15%的泥浆中，4个粒组曲线间隔降低，其中0.1～0.25 mm、0.25～0.5 mm和0.5～1.0 mm 3个粒组曲线较为接近。表明泥浆质量分数提高，不同粒组曲线变的更紧密，此时泥浆对各粒径砂粒的悬浮能力差异降低；2)泥浆质量分数提高，粒径较大的颗粒沉降量降低，从上至下各层差异降低。

2.2.3 质量分数C=18%的泥浆不同粒径对比

图8示出质量分数为18%泥浆测定的不同深度分段干砂质量曲线，比较发现： 1)在质量分数为18%的泥浆中，4个粒组曲线间隔继续降低，4个粒组曲线较为接近。表明随着泥浆质量分数提高，不同粒组曲线变得更紧密，此时泥浆对各粒径砂粒的悬浮能力差异降低；2)泥浆质量分数提高，粒径较大的颗粒沉降量降低，从上至下各层差异继续降低。

试验结果与蒋龙[13]进行的盾构泥浆砂土悬浮能力试验得到的结果具有良好的相似性，得到了随着泥浆中膨润土质量含量的增大底层沉砂质量百分比降低的结论。不同的是，部分学者进行的试验主要通过测定泥浆底部砂粒质量来确定上部悬浮砂粒的总质量，从而获取泥浆悬浮砂粒的能力。此时底层砂粒质量的准确测定尤为重要，需要排除从容器中倒出泥浆造成砂粒混入底部砂粒或者底部砂粒被泥浆带走2方面的干扰。而本试验通过隔板和水平放置沉降的方式将各个深度的砂粒进行分离，同时降低泥浆倒出带走砂粒的影响，可以为泥浆悬浮砂粒能力的确定提供量化试验数据。

(a) 沉降1 min

(b) 沉降2 min

(c) 沉降5 min

(d) 沉降10 min

图6质量分数为12%泥浆测定的不同粒径不同深度分段干砂质量曲线

Fig. 6 Mass curves of dried sand for different depths layer with different partical sizes(C=12%)

(a) 沉降1 min

(b) 沉降2 min

(c) 沉降5 min

(d) 沉降10 min

图7质量分数为15%泥浆测定的不同粒径不同深度分段干砂质量曲线

Fig. 7 Mass curves of dried sand for different depths layer with different partical sizes(C=15%)

(a) 沉降1 min

(b) 沉降2 min

(c) 沉降5 min

(d) 沉降10 min

图8质量分数为18%泥浆测定的不同粒径不同深度分段干砂质量曲线

Fig. 8 Mass curves of dried sand for different depths layer with different partical sizes(C=18%)

综上所述，根据不同深度分段干砂质量曲线形态特征，可以判定不同粒组砂粒沉降规律不同，粒径越大，沉降速度越快。不同粒组的沉降量差异随着泥浆质量分数提高而降低。

3 结论与建议

1)通过开展泥浆悬浮砂粒能力分层测定试验，给出了判定泥浆悬浮砂粒能力的方法： 不同深度分段干砂质量曲线中，各层质量差异越小，底层质量无明显拐点，曲线越平缓，不同沉降时间曲线越紧密，则泥浆悬浮砂粒能力越强。根据这一方法，可以合理选择泥浆质量分数及砂粒粒径，为透水地层盾构泥浆加砂方案的确定提供指导。

2)加砂泥浆侵入地层试验要求泥浆具备良好的悬砂能力，若砂粒在泥浆中快速沉降分离则无法有效模拟泥浆在地层中渗透成膜的实际过程。试验所采用的质量分数为12%、15%和18%的3种泥浆，对粒径大于0.1 mm的砂粒悬浮能力均较差，因此不适用于进行加砂泥浆侵入地层试验研究。

3)泥浆质量分数和砂粒粒径是影响泥浆悬浮砂粒能力的重要因素。同种砂粒粒径越大，沉降速度越快，而泥浆质量分数的提高则会减少不同粒组砂粒沉降量的差异性。

4)砂粒在泥浆中和在清水中的沉降规律差异较大，泥浆中多颗粒沉降规律难以通过斯托克斯定律等理论获得，目前主要依托与传统砂粒沉降试验的结果进行对比分析来验证其可靠度。后续工作将结合理论推导及颗粒流离散元软件模拟，对试验结果进行验证，完善泥浆悬浮砂粒能力的判别方法。

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SliceMeasurementTestofSandCarryingCapacityofSlurry

LIU Cheng1, 2, 3, LU Yang1, KOU Wei1, LU Yuting1

(1.CollegeofCivilEngineering,NanjingForestryUniversity,Nanjing210037,Jiangsu,China; 2.DepartmentofCivilEngineering,MonashUniversity,Melbourne，VIC3800,Australia; 3.KeyLaboratoryofMinistryofEducationforGeomechanicsandEmbankmentEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,Jiangsu,China)

U 45

A

1672-741X(2017)09-1097-08

2017-03-13;

2017-06-05

国家自然科学基金项目(51508278)； 江苏省自然科学基金(BK20140979)； 江苏省高校自然科学研究项目资助(14KJB560011)

刘成(1982—)，男，江苏宿迁人，2010年毕业于同济大学，岩土工程专业，博士，副教授，现主要从事隧道与地下工程方面的教学与科研工作。E-mail： lcheng83@163.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.09.006