北京工业大学研究生开题报告学位级别：□博士■硕士□工程硕士学号：S200604004研究生姓名：姜厚停指导教师姓名：张在明龚秋明专业名称：岩土工程所在学院：建筑工程学院开题报告时间：2008年1月北京工业大学研究生部制表注意：本表基本情况及报告正文由研究生本人填写，硕士不少于3000字，博士不少于5000字。
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一、基本情况二、开题报告（一）选题依据与研究内容1、选题依据（研究意义、国内外研究现状等）随着我国城市隧道工程的讯速发展，盾构法得到了广泛的应用，在技术和经济上取得良好的效果，成为软土地基隧道施工的首选[1]。
在盾构施工过程中，具有良好塑流性的掘削土体，是保证土压平衡盾构法施工的重要前提[2]，砂卵石地层是一种典型的不稳定地层，掘进过程中土质塑流性差，会造成一系列的问题[3]。
因此，应用土压平衡式盾构机开挖砂卵石地层是个难点。
在实际盾构法施工中，土体改良已经成功的应用于实践中，本文通过国内外文献调研及室内试验，根据砂卵石地层的特性，利用坍落度试验和搅拌试测出添加剂的最佳注入量，寻找建立适合不同级配砂卵石地层土压平衡的添加剂及配比方案，从而指导土压平衡盾构法在砂卵石地层的施工。
1.1 本课题研究路线1、国内外文献调研；2、进行室内试验，并自行设计一套简易试验装置，试验砂卵石与添加剂混合体的稳定性能；3、选择几组典型的砂卵石进行试验。
1.2 国外学者对土体改良的研究情况(1)荷兰代尔夫特大学A.bezuijen教授[4]等研究制作了一个直径50cm，高125cm的模型压力舱，盖板上设置加载装置和排土装置，容器中央有搅拌设备并可以向土中注入添加剂料，使用这一装置对推进时土舱内的土压力分布行进测量，对土体的塑流性进行了试验研究；同时也对砂土中加入泡沫后形成的混合物的渗透性、压缩性、粘滞性及空隙压力进行了相关研究。
得到渗透性和气泡添加量有直接的关系，剪切抵抗是与混入气泡后的孔隙率有关等结论。
(2)多伦多大学的Nikol Kochmanova博士[5](Nikol Kochmanova，2007)对土体改良及理论研究做了一系列的室内试验，试验材料为Feldspar公司生产的EPK高岭土和美国silica公司生产的ASTM 20/30砂，采用坍落度试验对不同发泡剂和不同泡沫注入比的混合土体做了研究，试验表明坍落高度才随着含水量的增加而增大。
(3)里尔力学实验室Stephane Quebaud博士[6对土压平衡式盾构掘进中添加剂(气泡)对土体性质的改变进行了深入的研究。
试验由两部分组成：第一部分研究气泡特性,包括气泡的稳定性，发泡率和可压缩性，第二部分研究气泡和土体混合物的性质，在研究混合土体的性质时，作者采用进行了搅拌试验、坍落度试验、滑板试验、渗透试验，浸透试验分别研究了改良土的性质。
已有的试验结果表明，气泡混合土的渗透性和气泡添加量有直接的关系，其对旋转翼的剪切抵抗则与孔隙率有关，总之，气泡有助于改善土压平衡式盾构在砂土中的掘进性能[34]。
(4)Degussa气泡公司的Qiu Ling Feng博士[7](2004)对粘行土体和砂性土进行了研究，结果表明对粘性土体和砂性土体应该用不同的泡沫进行改良，作者使用小型搅拌机对混合土体进行搅拌，通过混合土体对搅拌翼的表观粘附程度评价了泡沫的效果。
(5)学者Raffaele Vinai，Claudio Oggeri[8](2007)等通过室内的圆锥坍落度试验和压力舱模型试验设备对改良土进行研究，压力舱模型是一个直径600mm，高为800mm的圆筒，并设有加压系统和排土设备(螺旋输送机)，螺旋输送机的顶部有测量扭矩的装置，压力舱和螺旋输送机设置了4个压力计，监测土压的变化。
试验表明：塑流性好的改良土，压力沿着螺旋输送机连续减小，而对于饱和砂土或含水量太大的混合土沿着螺旋输送机土压变化不明显。
(6)牛津大学的Sotiris Psomas[9](2001)硕士通过搅拌试验、压缩试验、渗透性试验和直剪试验对土压平衡式盾构施工的土体改良进行了一系列的室内试验，得到以下结论：①、在压缩试验中，泡沫混合砂表现出高压缩性，而且能承受较高的竖向压力，试验后砂的空隙比大于干砂在最松散状态下的空隙比，盾构机土舱内的压力通常在200Kpa左右，在此实验中得到，在土压力达到200Kpa时气泡仍然存在。
②、在直剪试验中，泡沫混合砂表现出较小的剪切力，说明泡沫能大大减小混合砂的抗剪力。
③、在渗透性实验中，饱和砂的渗透性数是泡沫混合砂的10倍左右。
④、泡沫混合粗砂和泡沫混合细砂的性能相似，但是颗粒的大小仍然是决定土体性能的一个重要参数。
1.3 国内学者对土体改良的研究情况(1)河海大学的朱伟教授和他的团队对土体改良做了全面的研究，发明设计了一套可以在室内进行发泡的试验装置，研究了气泡的性质，做了一系列泡沫做为添加剂的混合砂的室内试验[10]~[14]。
(2)郭涛[15](2005)利用朱伟教授发明的发泡装置，研究气泡的半衰期和气泡的发泡倍率与发泡剂浓度的关系，得出发泡剂浓度对气泡的半衰期和气泡的发泡倍率有决定性因素；并通过渗透试验对改良后砂的渗透性、塑流性做了研究。
得到了混合土体的气泡掺入比越大则坍落度的减小幅度越大。
(3)林键[16](2006)同样采用朱伟教授发明的发泡装置产生的气泡，对砂土进行了改良，并进行了直剪试验、滑板试验和搅拌试验，得到了混合砂土性质与土质参数的直接关系。
(4)北京交通大学的宋克志博士[17](2005)研究了无水砂卵石地层在土压平衡式盾构工法下的土体改良，利用泡沫技术对砂卵石地层进行了室内试验和现场应用。
结果表明：在加泥的基础上注入泡沫能显著地增强土压平衡盾构在砂卵石地层中掘进性能，不仅有利于保持开挖土土压平衡，而且机械负荷及刀盘磨损大大减轻，提高了工效。
(5)乐贵平等[18](2001)报道了采用加泥式土压平衡盾构掘进机施工通过北京市清河污水隧洞工程的实例，并给出了成功施工的关键在于配制性能适宜的加泥浆的结论，并做了坍落度试验确定最佳的泥浆配比。
2、选题的研究内容、研究目标以及拟解决的关键问题等2.1本课题研究内容2.1.1泡沫的作用原理1、表面张力的减小[19]我们知道，水分子之间由氢键相连，当表面活性剂溶于水后，憎水基致使水分子之间的氢键断裂，同时重新构建周围水分子的结构，使得憎水基受到水分子的排斥，因此，水的表面覆盖了一层表面活性剂，其憎水基与空气接触，从而减小了水的表面张力[20]，如图2-1所示。
图2-1 表面活性剂的性质2、吸附性当表面活性剂加入液体中，他吸附在固体-液体、液体-气体和不同液体分界面上[5]。
3、润滑作用表面张力的减小增加了润滑作用，由于结合水的流动使得原先被结合水束缚的土颗粒可以自由流动。
如图2-1所示[19]4、静电排斥作用，如图2-1所示，使得由静电力结合的土粒分开。
5、泡沫混合土的微观示意图如下所示：图2-2 泡沫混合土的微观示意图[9]由以上可以总结出泡沫的性能如下：由于泡沫的体积极小，可以迅速渗透到砂卵石中，将砂卵石包裹起来，降低了土体的密实度；同时，泡沫具有润滑性能，能改善土体颗粒的构造，其泡沫混合土示意图如图2-2所示，直接减小土体颗粒之间的摩擦，改善土体的的塑流性。
泡沫的大部分由气体构成，气泡具有压缩性或叫做弹性，故掘削土压变动小，利于掘削面的稳定。
2.1.2膨润土泥浆作用原理[26]~[28]膨润土水化后，形成不透水的可塑性胶体，同时挤占与之接触的土颗粒之间的孔隙，在“阻塞”和“架桥”效应的作用下，积聚于土壤与泥水的接触表面，从而形成泥膜。
膨润土泥浆和土体相互作用后形成的泥膜参见图2-3[22]。
图2-3 膨润土泥浆与土体作用形成混合土体的结构2.1.3 高分子类聚合物的作用原理聚合物是土压平衡式盾构法比较常用的添加剂，而且起着非常重要的作用，如：维持掌子面平衡、减小刀盘扭矩和减小刀具的磨损等[21][22]。
聚合物除了增强泡沫的稳定性以外，还有以下主要的功能[31]~[33]：1、吸收土体中的自由水[20]，如高吸水性树脂[23]（环氧树脂等）；2、连接混合土中的微小颗粒，增强掌子面附近土体水的粘性，从而降低土体的渗透性[24]，如CMC等；3、润滑混合土体并在螺旋输送机帮助形成“塞子”，使渣土顺利排出；4、阻止或减小土体与掌子面和其他金属表面之间的粘着力；5、抗阻塞性能。
2.2 本课题研究目标随着对土压平衡式盾构工法研究的不断深入，以及各种添加剂料应用于土体改良中，土压平衡式盾构工法适用的土层范围不断扩大，但对于砂卵石地层的土体改良来说，仍然是个难点，特别是添加剂的选择以及配比关系[29][30]，本文将做以下两方面的探索：（1）通过参考牛津大学和河海大学的泡沫生产的试验装置，自行设计一套适合室内试验的发泡装置，按照泡沫的要求（如发泡剂浓度、发泡倍率等）制造出合适的泡沫。
经压缩空气的作用，发出直径为30~400um的气泡。
此装置可以通过改变网格的大小制造出不同直径的泡沫，方便系统地研究泡沫的性质，如泡沫的半衰期、发泡倍率与气泡直径的关系等，从中找到满足盾构施工要求的泡沫。
（2）由于砂卵石地层的特殊性，本项目采用合适的添加剂（如泥浆和泡沫等添加剂）进行土体改良，并通过坍落度试验评价混合土体的流动性，并明确以下内容：不同稳定性气泡和不同气泡掺入比对改良土流动性的影响；气泡改良后开挖土的流动性随时间变化的规律；不同泥浆注入量对改良土流动性的影响。
（3）在搅拌试验中，主要明确以下关系：不同的添加剂加入情况下对混合土性质的影响；添加剂对搅拌扭矩的影响规律。
2.3拟采取的试验方法2.3.1 泡沫的制作过程发泡装置如图2-3所示图2-3泡沫的发泡装置仪器如下：面板试流量计、水泵、空气压缩机、调压阀、阀门、发泡装置以及附属设备(桶管等) 材料：发泡剂和水按照泡沫的要求(如发泡剂浓度、发泡倍率等)在上述装置中制造出合适的泡沫。
经压缩空气的作用，发出直径为30~400um的气泡，并试验泡沫的性质。
2.3.2、坍落度试验•将砂卵石进行筛分试验，画出试样的颗粒级配。
•做不同含水量试样的坍落度试验，水的含量分别为0%、5%、10%、15%、20%、25%和30%，比较试样坍落度随含水量增大的变化规律，找出能满足盾构施工要求最佳的含水量。
• 1.3本试验的发泡液为1%、2%、3%三种浓度，制成不同稳定性和发泡倍率的气泡；• 1.4对于砂卵石地层，泥浆由膨润土制成，泥浆的密度D=1.4~1.5；• 1.5 在试样中分别加入泡沫和泥浆，另做一组同时加泡沫和泥浆进行试验，做这三组的对比试验。
