泡沫-泥浆-聚合物组合改良粗粒土塑流性及渗透性特征研究

土压平衡盾构在富水粗粒土地层中掘进时易发生喷涌现象，仅采用泡沫改良往往无法满足渣土抗渗性要求，膨润土泥浆虽能增强泡沫堵水效果，且具有一定的稳泡作用，但在水压较高、颗粒较粗的条件下泥浆容易流失，需引入高分子聚合物进行组合改良。针对泡沫-膨润土泥浆-聚丙烯酰胺(PAM)组合改良砾砂，开展坍落度试验与渗透试验。试验结果表明：黏性较小的泡沫与膨润土泥浆难以稳定赋存在砾砂的较大孔隙中，改良土呈散粒状且易析浆、析泡沫；加入高分子聚合物能将土颗粒聚团并减小土体内摩擦角，从而提高改良土塑性及流动性，避免析浆、析泡沫。高分子聚合物含量较低时膨润土泥浆与泡沫在渗流过程中容易流失，改良土渗透系数将在短时间内突破10^-4 m·s^-1,不满足盾构掘进过程中渣土渗透系数小于10^-5 m·s^-1的持续时间要大于90 min的抗渗要求；增加高分子聚合物含量能延长渗透系数初始稳定期并显著减小渗流末期渗透系数，改良土渗透系数能长期稳定在10^-5 m·s^-1以下，且高分子聚合物含量越高，渗透系...     

盾构砂性渣土-泡沫混合物渗透性影响因素研究

渣土改良是确保土压平衡盾构在砂性地层中安全高效掘进的重要措施。目前盾构渣土常用的改良剂是泡沫剂,泡沫与砂性渣土混合后能有效降低刀盘扭矩、提高渣土的抗渗性。为研究盾构砂性渣土-泡沫混合物渗透性的影响因素,通过常水头渗透试验,从砂土级配、泡沫剂体积分数以及泡沫注入体积比3个方面分析混合物渗透系数的变化规律。结果显示： 1）混合物的渗透系数与等效粒径d20呈正相关变化; 2）随着时间的增加,混合物的渗透系数K20逐渐增加; 3）随着泡沫剂体积分数的增大,混合物的渗透系数先减小后增大; 4）当泡沫的注入体积比达到一定值时,混合物的渗透系数趋于稳定。     

基于坍落度的砂卵石地层土压平衡盾构渣土改良配方研究

针对成都轨道交通17号线一期工程土压平衡盾构法施工在砂卵石地层中遇到的难题，如螺旋输送机喷涌导致开挖面压力失控、卵石堆积于压力舱底部滞排等，采用膨润土和泡沫剂等对现场砂卵石进行室内渣土改良试验。结果表明： 1)改良剂的优化配比膨润土掺入质量比为5%，泡沫掺入体积比为10%~30%，即可使渣土的坍落度、和易性、抗渗性均保持良好，达到塑性流动状态。2)以渣土的坍落度在150~200 mm且无离析为改良的前提条件，以最小膨润土使用量为优化目的，建立砂卵石渣土坍落度与改良剂膨润土和水掺入量之间的三维曲面图，根据离析与非离析区域边界确定膨润土泥浆最经济的膨水比为1∶6。将试验结果应用于该工程的砂卵石地层土压盾构工程实践，掘进效率以及盾构工作的安全性得到显著提高。     

富水圆砾地层盾构渣土改良技术研究

为解决土压平衡盾构在富水圆砾地层中渣土不易改良及易喷涌问题,采用昆明地铁4 号线圆砾土作为试验材料,以膨润土泥 浆、羧甲基纤维素(CMC)与聚丙烯酰胺溶液(PAM)作为主要改良材料,泡沫作为辅助改良材料开展室内改良渣土坍落度和常水头渗透性试验。试验结果表明: 1)在塑流性方面,仅用泥浆或泥浆与CMC 混合改良时,圆砾土流动性过大; PAM 加入到泥浆改良渣土中时,能够提高渣土的塑流性; 泡沫的掺入对泥浆和PAM 共同改良渣土的塑流性无影响。2)在渗透性方面,CMC、膨润土泥浆和PAM 均可有效改善渣土渗透性,且渗透系数随着注入比的增加而增大; 泡沫的掺入对泥浆和PAM 共同改良渣土的渗透性无影响。根据试验结果可知: 当地下水头约为25 m 时,可将膨润土泥浆配比1 ∶ 4(1%CMC)、膨润土泥浆注入比(BIR)= 25%、PAM 注入比(PIR)= 12. 5%、泡沫注入比(FIR)= 20%或膨润土泥浆配比1 ∶ 3、BIR= 25%、PIR= 7. 5%、FIR= 20%作为此圆砾地层的渣土改良参数。     

砂性地层土压平衡盾构渣土改良试验研究

土压平衡盾构在砂性地层中施工时,土舱内的土体很难形成塑性流动状态,土舱压力平衡难以建立,易导致开挖面失稳崩塌、排土不顺畅、地表变形过大等影响盾构推进的问题。为确保盾构顺利推进,找出适应于该地层的改良剂及改良参数,对砂性地层土体改良进行研究。针对砂性地层采用添加泡沫剂和膨润土等方法进行改良,分析泡沫半衰期及发泡倍率随泡沫浓度变化的规律,膨润土泥浆黏度及相对密度随泥浆浓度变化规律,找出泡沫剂最优发泡浓度及膨润土最佳浓度,通过坍落度试验确定改良剂注入比,通过现场掘进试验分析改良效果,研究出适用于砂性地层的渣土改良方案。     

膨润土泥浆改良土压盾构粉细砂渣土流动性机制分析

为了揭示膨润土泥浆改良土压盾构粉细砂地层渣土流动性机制，采用跳桌和十字板剪切仪分别测试改良后渣土的流动度和剪切参数变化规律，分析改良粉细砂渣土剪切应力-应变关系和流变模型。结果表明： 1）采用膨水比为1[KG-*4]∶[KG-*4]4的泥浆掺入质量比7%~13%、膨水比为1[KG-*4]∶[KG-*4]6的泥浆掺入质量比7%以及两者之间的配比和掺量，改良粉细砂渣土可以满足其流动性的要求； 2）仅添加对应量的自由水来改良粉细砂渣土的流动性，无法达到良好的效果； 3）随着泥浆掺入质量比的提高和膨水比的降低，改良渣土的流动度显著增大，且其流动度与剪切应力大小存在负相关关系； 4）采用膨润土泥浆改良后的粉细砂渣土符合Bingham模型，塑性黏度和屈服应力的降低是其流动性增大的根本原因。     

南昌富水砂层渣土改良技术研究

以南昌地铁4号线3标段富水砂层为研究对象，对渣土改良试验进行分析，通过坍落度试验评价渣土改良效果；研究不同泡沫、膨润土泥浆及高分子聚合物注入率对改良后渣土流塑性影响，并确定不同改良剂最优掺量区间，提出富水砂层渣土改良技术方案，解决在盾构开挖掘进时容易造成螺旋机喷涌、掌子面压力不稳定以及刀具磨损等问题     

基于随机森林算法的盾构改良渣土渗透系数预测及工程应用

为解决土压平衡盾构在富水粗粒土地层掘进时，由于盾构渣土渗透性较高而引起螺旋输送机出口处易出现喷涌等风险问题，基于随机森林算法，选取渣土改良参数包括含水率、泡沫注入比、膨润土泥浆注入比以及掘进地层参数土体有效粒径、水力梯度作为模型输入参数，提出一套适用于盾构渣土渗透系数预测的模型。研究结果表明： 该模型预测精度较高，渣土渗透系数预测值与实测值均位于同一数量级，且均方误差仅为2.4×10-9 cm/s，拟合决定系数可达0.981 9。依托滇中引水龙泉倒虹吸盾构隧洞工程进行应用，对下穿盘龙江喷涌风险源进行判定，并基于该预测模型给出推荐改良参数。在采用推荐改良参数后，盾构下穿过程中渣土渗透系数满足要求，土舱压力稳定，且对上部桥梁结构影响较小，保障了盾构安全、高效掘进。     

下卧泥岩富水圆砾地层盾构渣土改良技术研究

以南宁地铁5号线新秀公园站～广西大学站盾构区间为工程依托，开展下卧泥岩富水圆砾地层盾构渣土改良技术研究。以现场盾构排出渣土及改良剂作为试验材料，在初始改良渣土的基础上进行二次改良试验，根据坍落度试验结果及渣土状态分析理想渣土状态，通过计算得到建议改良参数。研究结果表明：下卧泥岩富水圆砾地层渣土理想坍落度范围为12～18 cm,每环盾构掘进过程中需要注入约1 010 L的水，泡沫原液用量16.7～30.48 L(浓度3%,发泡倍率15,注入比0～15%),采用建议改良参数后，掘进参数得到明显改善，渣土改良效果显著。     

基于宾汉姆流体的土压平衡盾构螺旋输送机排土量研究

为确保土压平衡盾构掘进过程中有效控制排土量,须考虑螺旋输送机构造特征和渣土性质对其影响。将改良后流塑性状态的渣土假设为宾汉姆流体,并基于螺旋输送机构造沿其螺旋排土方向展开成一长条形的长方体排土模型的基础上推导盾构螺旋输送机的理论排土量计算公式。通过对排土量影响因素进行分析表明： 1）排土量受开挖面支护压力、渣土的初始剪切屈服应力影响较大,而受渣土的塑性黏度影响较小; 2）随着隧道埋深和开挖面支护压力的增加,改良渣土的流塑性降低。将该理论成果应用于指导广州地铁21号线浅覆土全断面砂土地层某区间隧道盾构掘进中的渣土改良,开挖面支护压力保持了稳定,地表沉降控制为5 mm。     

导水夹泥断裂破碎岩内在结构与渗透性（双语出版）

造成深长隧道开挖过程中涌突水危害的主要灾害源为导水夹泥构造。研究断裂破碎岩体内在结构特征与不同构造单元渗透特性可以在一定程度上规避工程施工过程中事故的发生。以甘肃典型导水夹泥断裂带为背景,针对典型断裂破碎岩样进行XRD矿物分析、SEM岩体裂隙内在结构表征、不同构造单元原位压水试验及室内典型破碎岩体渗透试验,分析导水夹泥断裂破碎岩矿物成分、内在结构及渗透系数。研究结果表明：岩样裂隙内的充填物随次生矿物比升高,渗透系数增大;断层核部渗透系数较破碎带与完整花岗岩体大,断层核部粒径浅部比深部大,岩体浅部变质程度比深部破碎,有效孔隙度核部深部比浅部大,比表面积值核部也比影响损伤带及母岩大;横向上,断层核部裂隙密集带具有较高渗透性,随着裂隙密度的降低渗透系数明显降低,且距断层核部越远,渗透系数越低;纵向上,断层带不同构造单元的岩体,其渗透系数由小到大的分布规律为断层泥（<10^-9 m·s^-1）、碎砾、角砾岩（10^-5~10^-7 m·s^-1）、碎裂岩（10^-4~10^-7 m·s^-1）,完整围岩部分（<10^-9 m·s^-1）渗透系数又变小。研究结果可为隧道涌突水防治提供理论与工程指导。     

土压平衡盾构施工中泡沫改良砾砂土的试验研究

为了解决土压平衡盾构在砾砂土地层掘进过程中,土体塑流性差、刀盘及螺旋输送机磨损严重和开挖面平衡不易保持等问题,通过自制泡沫发生器发泡,对砾砂土地层的泡沫改良技术进行室内试验研究,分析气液比、含水率和泡沫掺量对塑流性的影响和改良前后土样的渗透系数的变化规律,得出泡沫发生器气液比在30∶1~55∶1、含水率为5%~12.5%、泡沫掺量为20%~40%时,土体具有较好的塑流性,泡沫的"轴承效应"和泡沫剂中表面活性剂的亲水基团与水、砾砂土颗粒形成的氢键是塑流性提高的根本原因;使用泡沫剂改良砾砂土后,渗透系数大幅降低,掺泡沫后在280 min内渗透系数随时间变化较小,能达到10~(-5)cm/s,泡沫剂溶液中高分子化合物的联结和液桥力是土样具有堵水作用的原因。     

反复冲击压缩高岭土动力特性SHPB试验

为了探明软黏土在反复冲击压缩荷载作用下的动力响应，利用SHPB（Split Hopkinson Pressure Bars）试验技术，建立高岭土SHPB试验系统，进行反复冲击压缩试验。通过比选确定合理的试样厚度、整形器和冲击速度用以提高试验结果的精度；开展了7组不同厚度、含水率和冲击速度的高岭土试样测试，试样厚度分别为10，15 mm，含水率分别为24%、29%和36%，冲击速度分别为3，5 m·s^-1。试验结果表明：含水率29%的试样，冲击速度为5 m·s^-1更有利于试样应力均匀性的实现，反复冲击次数的增加亦提高了试样的均匀性，在反复冲击后，试样应变量下降约16%，而应力峰值提高了约30%；反复冲击过程中，高岭土试样的应变出现软化现象，随着冲击次数增加，试样的应变峰值经历“降低-上升-降低”的过程；平均应变率与含水率反相关，相同试样厚度下，冲击速度为5 m·s^-1，含水率为24%的试样反复冲击下的平均应变率最大为210 s^-1，冲击速度为3 m·s^-1，含水率为24%的试样的平均应变率依然最大为177 s^-1；高岭土试样的压缩波速主要受含水率的影响，含水率越高，波速越大，含水率为36%的试样波速最大值为313 m·s^-1，厚度为10 mm的试样能更有效获取冲击压缩波速。     

渗透结晶型材料添加剂对水泥浆液性能影响试验

为获得可用于治理隧道渗漏水的高性能水泥浆液，选取具有优良防水抗渗性能的水泥基渗透结晶型防水涂料Penetron，将其以添加剂的形式加入到水泥浆液中，添加量为水泥总质量的0.6%～1.6%。参照规范使用维卡仪、旋转黏度仪等仪器对水泥浆液黏度、凝结时间和结石率进行研究，使用自行设计的渗透系数测定仪研究注浆体抗渗性能，通过抗压强度试验研究标准养护和全水域养护条件下浆液结石体、注浆体的力学性能，通过SEM扫描试验对添加Penetron的浆液结石体微观结构进行分析。结果表明：Penetron对水泥浆液黏度和凝结时间无负面影响，随着添加量的增多，浆液结石率显著提高，当添加量为1.6%时，浆液结石率可达98.7%；Penetron可改变注浆体内部孔隙结构，有效降低水泥浆液渗透系数，提高注浆体抗渗性能，当添加量从0%增加至1.6%时，注浆体渗透系数从5.03×10^-7 m·s^-1降低至3.40×10^-8 m·s^-1；Penetron的加入还可提高水泥浆液固结体的抗压强度，标准养护28 d，添加量为1.6%的注浆体抗压强度为5.36 MPa；在添加有Penetron的浆液结石体高倍SEM扫描图像中可见树枝状结晶体存在，且结晶体数量随Penetron添加量的增加而增多。根据试验结果和Penetron在水泥浆液中的作用机理分析，证明该材料可作为水泥浆液添加剂使用，当添加量为水泥总质量的1.4%～1.6%时，可获得用于治理隧道渗漏水的高性能注浆材料。     

减水剂掺量对盾构隧道同步注浆浆液性能影响试验研究

为进一步探究掺入高性能减水剂对强透水砂卵石地层同步注浆浆液性能的影响规律，在室内配置了6组不同减水剂掺量的配合比进行试验。结果表明:减水剂的掺入能有效改善膨润土导致的浆液过稠、流动度严重不足问题，当减水剂掺量为9.0~10.8 g/L时，不仅浆液的流动度、稠度得到改善，而且还能保持浆液具有较好的抗水分散性。     

盾构隧道渣土改良理论与技术研究综述

土压平衡盾构在掘进过程中常遇到结"泥饼"、喷涌、刀具磨损等难题，需要对渣土进行合理改良，方可确保隧道顺畅掘进。常用的渣土改良剂有水、泡沫剂、分散剂、黏土矿物和絮凝剂，其中水和泡沫剂适用于各种地层，分散剂适用于黏性较大的地层，黏土矿物适用于缺乏细粒的颗粒土地层，而絮凝剂则适用于富水粗颗粒土地层，改良剂能够改变渣土的塑流性、渗透性、磨损性、黏附性、抗剪强度、压缩性等力学性质。针对盾构渣土改良难题，从渣土改良剂类型及技术参数、渣土改良评价指标及确定方法、改良黏性渣土力学行为、改良非/低黏性渣土力学行为、渣土改良下盾构掘进力学行为等5个方面，详细剖析了国内外盾构渣土改良理论和技术发展动态，总结既有研究不足之处。最后，提出了渣土改良研究方向建议：①水环境和温度对渣土改良效果影响；②黏性地层防"泥饼"新型改良剂的开发；③粗颗粒渣土改良技术；④渣土改良评价指标和体系的建立；⑤渣土改良作用下盾构掘进精细化数值模拟；⑥智能化渣土改良技术。     

深水桥梁垫层隔震基础冲刷演化机理与设计建议

群桩和沉井作为跨江海桥梁的基础支撑体系已得到广泛应用,但近年来实际工程的水深不断增加,现有技术已难以适用于50 m以上的超深水环境条件。为研究垫层隔震基础这一新型深水桥梁基础的冲刷演化机理,针对周期为1.2 s,波高分别为4、6、8 cm的3种波浪条件,以及海流流速为25 cm·s^-1,波浪波高为6 cm,周期为1.2 s的波流共同作用条件,开展砂土中垫层隔震基础冲刷演化机理的波流水槽模型试验研究,结合仅单向流作用下的基础体系冲刷演化机制,重点考察并梳理了隔震垫层的5种典型破坏形式及其特点。结果表明：仅存在单向流作用时,垫层的破坏形式主要为边缘破坏、剪切破坏和完全破坏,且严重程度随流速增大而增大;存在波浪作用时,海床泥沙及垫层材料起动后将发生振荡,导致隔震垫层还会发生掩埋破坏和掏底破坏;波流共同作用时,产生的影响比二者单独作用时更严重,对基础体系的正常工作产生严重影响。此外,通过分析交界面位置附近材料在冲刷过程中的滑动与滚动过程,认为颗粒材料的滑动和滚动是造成隔震垫层材料流失的主要原因。最后,对比分析了国内外抛石设计规范中的粒径计算方法,并在此基础上对垫层材料的设计提出建议。     

富水砂卵石地层盾构专用碴土改良剂的研制及应用

针对砂卵石地层黏聚力小、内摩擦角大、渗透系数大、流动性和稳定性差等特性所导致的土压平衡盾构掘进中易发生掌子面坍塌、喷涌等难题,研制富水砂卵石地层专用聚合型泡沫剂PSA,并在全断面富水砂卵石地层进行应用。应用结果表明： 聚合型泡沫剂PSA在全断面富水砂卵石地层的碴土改良效果与现场使用的进口泡沫剂相当,明显优于国产其他品牌的泡沫剂改良效果,满足全断面砂卵石地层盾构施工对碴土改良的要求。使用聚合型泡沫剂PSA每环可节约9.5%左右的材料用量,经济优势明显,具有广泛的推广应用价值。