黏土-金属界面剪切黏附特性试验研究OA北大核心CSTPCD

为解决高黏性地层盾构刀盘结泥饼而导致盾构掘进不畅的问题,针对高岭土、蒙脱土和伊利土3种典型黏土,采用多功能联合扭转剪切试验仪,通过不固结不排水剪切黏附试验系统性探究稠度指数、法向应力、黏粒含量、旋转速率等因素对土壤-金属界面剪切黏附特性的影响规律,分析3种黏土界面黏附特性的差异性。同时建立高岭土剪切黏附强度与显著影响因素的回归模型,并通过预测值与实测值对比验证回归方程的准确性。进一步采用正交试验探究稠度指数、法向应力、黏粒含量、旋转速率和圆盘材料对高岭土剪切黏附强度的影响规律及其显著性水平。研究结果表明:随着稠度指数的减小,高岭土、蒙脱土、伊利土剪切黏附强度均呈“钟型曲线”变化,即先增大再减小,最后趋于稳定;当稠度指数为1.2时,剪切黏附强度达到峰值;稠度指数减小到0.6时,剪切黏附强度稳定在10 kPa左右;在3种典型黏土中,蒙脱土黏附潜能最大,法向应力为300 kPa时,蒙脱土剪切黏附峰值强度分别是高岭土和伊利土的2.2和2.8倍。剪切黏附强度与法向应力和旋转速率近似呈线性正相关,且法向应力和旋转速率对蒙脱土剪切黏附强度的影响最为显著;剪切黏附强度可近似认为由剪切破裂面上的黏聚力和摩擦阻力组成,高黏粒含量土体的剪切黏附强度主要来源于黏聚力,摩擦阻力贡献较小,但摩擦阻力贡献占比随法向应力的增大而提高;随着土体中黏粒含量降低,剪切黏附强度构成中摩擦阻力逐渐占据主导作用。这些因素影响显著性排序从大到小依次为稠度指数、法向应力、黏粒含量、旋转速率、圆盘材料。研究结果可为进一步优化高黏性地层盾构刀盘泥饼防治措施提供参考。