泥浆在地层中的渗透特性试验研究
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本试验测得渗透量的单位为ml考虑到实际意义将渗透量换算为单位面积的渗透量将单位换算到实际情况下单位面积地层上泥浆的渗透量的试验结果与分析31泥浆在地层中的渗透类型si采用共进行了45组渗透试验将每组试验中泥浆在各级压力下的累积渗透量随时间的变化绘制成泥浆渗透曲线
第 35 卷第 10 期 2014 年 10 月
15 s。
采用标准土壤筛筛分取来的砂土，以每一级筛 余作为一组地层，配制 5 组均一粒径的地层。试验时3， 地层的孔隙率均为 0.43，采用常水头渗透试验方法 测试地层的渗透系数 k。地层基本性质见表 2。
表 2 试验地层基本物理性质
Table 2 Basic physical properties of test soils
目前关于泥皮（在石油钻井工程中称泥饼，泥 水盾构工程中也称泥膜）形成及泥浆渗透问题的研 究，多是根据具体工程的需求开展的。马喜平等[6] 研究发现，随地层渗透性的增大，泥饼渗透性和厚 度增大；吴志均等[7]、周风山等[8]研究发现，泥浆 中固相颗粒的含量及粒度分布对泥饼强度和厚度影 响最大，调整颗粒粒径的分布可形成薄而致密的泥 饼。李建军等[9]针对粗粒土地基防渗墙中泥皮进行 研究，发现渗透压差越大，泥皮越致密，渗透性越 小，抵抗渗透破坏的能力越强。在泥水盾构工程泥 浆成膜的研究中，Watanabe 等[10]发现，随着泥浆密 度的增大，泥浆滤失量逐渐减小，泥浆的含砂量对 泥浆滤失量的减少起着至关重要的作用；Heinz[11] 的研究表明，粉土、砂土等的添加可以有效地减少 泥浆在地层中的渗透距离；Fritz[12]的试验表明，向 泥浆中加入砂、蛭石以及高分子聚合物等添加剂可 以满足泥浆在高渗透性地层中的成膜要求；韩晓瑞 等[13]研究发现，泥浆的漏斗黏度越大，形成泥膜越 薄越致密；Min 等[14]在渗透系数 10-4 m/s 的地层中 进行泥浆成膜试验，结果表明，泥浆黏粒含量越大， 形成泥膜的渗透系数越小，泥浆的黏粒含量是评价 泥浆质量的一个重要指标。
泥浆填充材料，调节泥浆中固相颗粒的粒径和密度， 采用激光粒度仪测试泥浆级配，采用泥浆密度计测 试泥浆的密度。通过添加 CMC 溶液（又称为羧甲 基纤维素钠，是目前泥浆工程中常用的增黏剂）来 调节泥浆的黏度，本试验中采用的 CMC 溶液浓度 为 2%，采用苏式漏斗黏度计测试泥浆的漏斗黏度。 共配制 9 组泥浆，泥浆的级配曲线见图 1，基本性 质见表 1。
从本质上讲，泥浆能否较好地发挥护壁作用，
收稿日期：2013-07-07 基金项目：国家自然科学基金项目(No. 51408191，No. 51108156)；江苏省博士后科研资助计划项目(No. 1301031B)；中国矿业大学深部岩土力学与地 下工程国家重点实验室开放基金项目(No. SKLGDUEK1306)。 第一作者简介：闵凡路，男，1985 年生，博士，主要从事盾构隧道、岩土渗流等方面的研究与教学工作。E-mail: minfanlu@
表 1 试验泥浆的基本性质
Table 1 Basic physical properties of 9 test slurries
泥浆
填充材料 含砂量/% d85/m /(g/cm2) 黏度/s
SL1 黏土、粉土
1.17
61
1.1
29
SL2 黏土、粉土
3.65
71
1.2
30
SL3 黏土、粉土
7.30
1引言
泥浆以其材料易获取、良好的护壁作用和携渣 能力等优点，在地下连续墙、钻孔灌注桩、泥水盾 构隧道等工程中得到广泛的应用[1－3]。其中，护壁 作用是工程利用泥浆的最主要功能。然而，在高渗 透性的砂砾地层中进行泥浆工程施工时，常因泥浆 的利用不当而出现泥浆大量滤失，进而导致开挖孔
（槽）失稳、坍塌等事故的发生，如西藏直孔电站 在坝基防渗墙施工中发生多次漏浆、塌孔现象[4]； 瑞士 Hermetschloo 隧道采用泥水盾构穿越渗透系数 为 3×10-3 m/s 的地层时，因泥浆大量滤失而导致开 挖面失稳事故的发生[5]。如何在高渗透性的地层保 持孔（槽）壁或开挖面的稳定，成为工程技术人员 最为关注的问题之一。
76
1.3
28
SL4 黏土、粉土
6.08
110
1.1
31
SL5 黏土、粉土
9.35
116
1.2
29
SL6 黏土、粉土
10.11
118
1.3
31
SL7 粉土、粉细砂 15.06
155
1.1
20
SL8 粉土、粉细砂 18.57
177
1.2
29
SL9 粉土、粉细砂 22.34
187
1.3
31
注：漏斗黏度为一种相对黏度，采用苏氏漏斗黏度计测试清水黏度为
了泥浆在地层中不同的渗透现象。渗透完成后泥浆颗粒在地层表面的堆积形态可以分为：泥皮型、泥皮+渗透带型、无泥皮
或渗透带 3 种类型，并且泥浆在地层中的渗透曲线的类型与泥浆颗粒在地层表面的堆积形态的类型有一定的对应关系。泥浆
在地层中的渗透试验过程中渗透流量的大小，不仅可以反映泥浆的渗透类型，还可以作为判断是否形成泥皮的标准。
（1. College of Mechanics and Materials, Hohai University, Nanjing 210098, China; 2. State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou, Jiangsu 221008, China; 3. Geotechnical Research Institute, Hohai University, Nanjing 210098, China; 4. College of Environment, Hohai University, Nanjing 210098, China）
2802
岩土力学
2014 年
是泥浆能否在地层表面形成泥皮，使泥浆压力平衡 地层土水压力的问题，而泥皮的形成则是泥浆在地 层中渗透的结果，属于岩土渗流课题的范畴。由于 泥浆因含有颗粒具有颗粒级配，密度一般在 1.05～ 1.30 g/cm3，流体特征参数与水相比差异较大，因此， 其在地层中渗透时会表现出与水不同的渗透现象和 渗透规律。
2.1 试验材料 本研究以浓度为 9.1%的纯膨润土泥浆作为基
础泥浆，其密度为 1.06 g/cm3。其中膨润土为南京 汤山镇产的钠基膨润土，蒙脱石含量为 63.35%）， 膨胀指数为 21 ml，pH 值为 10.09，测试方法详见 GB/T20973-2007 膨润土[15]。以标准土壤筛筛分得到 的 3 种不同粒径范围的黏土、粉土、粉细砂等作为
摘 要：保持开挖孔（槽）的稳定性是泥浆在地下连续墙、钻孔灌注桩及泥水盾构工法等工程中最重要的作用，是通过泥浆
在地层表面形成泥皮，使得泥浆压力平衡地层的土水压力实现的。其中，泥皮的形成是泥浆在地层中的渗透问题。为了探讨
泥浆在地层中的渗透规律，采用多组性质不同的泥浆在多种渗透性不同的地层中开展泥浆在地层中的渗透试验，系统地展示
地层 粒径/mm
Cu
S1 0.10～0.25 1.65
S2 0.25～0.50 1.45
S3
0.5～1.0 1.45
S4
1.0～2.0 1.45
D60 /mm 0.19 0.40 0.80 1.60
D10 /mm 0.115 0.275 0.550 1.100
k/(cm/s) 9.2×10-3 6.5×10-2 2.8×10-1 9.1×10-1
本文针对泥浆在地层中的渗透这一基本问题， 通过配制多组性质不同的泥浆，在渗透性不同的地 层中开展泥浆渗透试验，明确泥浆在地层中可能出 现的不同的渗透现象，分析泥浆渗透后颗粒的堆积 形态、渗透量及它们之间的对应关系。该研究对理 解和应用泥浆进行施工有重要的指导意义，也是对 岩土渗透课题的拓展。
2 试验材料与方法
文章编号：1000－7598 (2014) 10－2801－06
岩土 力 学 Rock and Soil Mechanics
Vol.35 No. 10 Oct. 2014
泥浆在地层中的渗透特性试验研究
闵凡路 1, 2，魏代伟 3，姜 腾 3，张春雷 4
（1. 河海大学 力学与材料学院，南京 210098； 2. 中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏 徐州 221008； 3. 河海大学 岩土工程研究所，南京 210098；4. 河海大学 环境学院，南京 210098）
小于某粒径的土粒含量/%
100
SL1
80
SL2 SL3
SL4
60
SL5 SL6
SL7
40
SL8 SL9
20
0
103
102
101
100
10-1
颗粒粒径/µm
图 1 试验用 9 组泥浆的级配曲线 Fig.1 Grain size distribution curves of 9 slurries in the test
Abstract: Supporting the excavation face is the most important role for slurry in the field of engineering, such as diaphragm walls, bored piles, and slurry shield tunneling. To achieve the function, a filter cake has to be formed on the soil, and the soil and pore water pressure have to be counteracted by slurry pressure. And the essence of filter cake formation is that the slurry infiltrates in the stratum. To reveal the phenomena and laws of slurry infiltrating into the soils, a series of slurry infiltration tests is carried out on sand samples with different permeabilities. Based on the test results, three typical seepage curves are discovered, and the shapes of slurry particles accumulated on the ground surface are also divided into three types: filter cake, filter cake with an infiltrated zone, and only an infiltrated zone without filter cake. Meanwhile, a corresponding relationship is discovered between the types of slurry seepage curves and the shapes of slurry particles accumulated on the surface. In addition, the seepage discharge during slurry infiltrating into the sand reflects the type of slurry infiltration. And it can be used as a criterion to determine whether a filter cake is formed on the surface. Key words: slurry; stratum; infiltration; seepage discharge; filter cake
关 键 词：泥浆；地层；渗透特性；渗透流量；泥皮
中图分类号：TV 543+.86
文献标识码：A
Experimental study of law of slurry infiltration in strata
MIN Fan-lu1, 2，WEI Dai-wei3，JIANG Teng3，ZHANG Chun-lei4
第 35 卷第 10 期 2014 年 10 月
15 s。
采用标准土壤筛筛分取来的砂土，以每一级筛 余作为一组地层，配制 5 组均一粒径的地层。试验时3， 地层的孔隙率均为 0.43，采用常水头渗透试验方法 测试地层的渗透系数 k。地层基本性质见表 2。
表 2 试验地层基本物理性质
Table 2 Basic physical properties of test soils
目前关于泥皮（在石油钻井工程中称泥饼，泥 水盾构工程中也称泥膜）形成及泥浆渗透问题的研 究，多是根据具体工程的需求开展的。马喜平等[6] 研究发现，随地层渗透性的增大，泥饼渗透性和厚 度增大；吴志均等[7]、周风山等[8]研究发现，泥浆 中固相颗粒的含量及粒度分布对泥饼强度和厚度影 响最大，调整颗粒粒径的分布可形成薄而致密的泥 饼。李建军等[9]针对粗粒土地基防渗墙中泥皮进行 研究，发现渗透压差越大，泥皮越致密，渗透性越 小，抵抗渗透破坏的能力越强。在泥水盾构工程泥 浆成膜的研究中，Watanabe 等[10]发现，随着泥浆密 度的增大，泥浆滤失量逐渐减小，泥浆的含砂量对 泥浆滤失量的减少起着至关重要的作用；Heinz[11] 的研究表明，粉土、砂土等的添加可以有效地减少 泥浆在地层中的渗透距离；Fritz[12]的试验表明，向 泥浆中加入砂、蛭石以及高分子聚合物等添加剂可 以满足泥浆在高渗透性地层中的成膜要求；韩晓瑞 等[13]研究发现，泥浆的漏斗黏度越大，形成泥膜越 薄越致密；Min 等[14]在渗透系数 10-4 m/s 的地层中 进行泥浆成膜试验，结果表明，泥浆黏粒含量越大， 形成泥膜的渗透系数越小，泥浆的黏粒含量是评价 泥浆质量的一个重要指标。
泥浆填充材料，调节泥浆中固相颗粒的粒径和密度， 采用激光粒度仪测试泥浆级配，采用泥浆密度计测 试泥浆的密度。通过添加 CMC 溶液（又称为羧甲 基纤维素钠，是目前泥浆工程中常用的增黏剂）来 调节泥浆的黏度，本试验中采用的 CMC 溶液浓度 为 2%，采用苏式漏斗黏度计测试泥浆的漏斗黏度。 共配制 9 组泥浆，泥浆的级配曲线见图 1，基本性 质见表 1。
从本质上讲，泥浆能否较好地发挥护壁作用，
收稿日期：2013-07-07 基金项目：国家自然科学基金项目(No. 51408191，No. 51108156)；江苏省博士后科研资助计划项目(No. 1301031B)；中国矿业大学深部岩土力学与地 下工程国家重点实验室开放基金项目(No. SKLGDUEK1306)。 第一作者简介：闵凡路，男，1985 年生，博士，主要从事盾构隧道、岩土渗流等方面的研究与教学工作。E-mail: minfanlu@
表 1 试验泥浆的基本性质
Table 1 Basic physical properties of 9 test slurries
泥浆
填充材料 含砂量/% d85/m /(g/cm2) 黏度/s
SL1 黏土、粉土
1.17
61
1.1
29
SL2 黏土、粉土
3.65
71
1.2
30
SL3 黏土、粉土
7.30
1引言
泥浆以其材料易获取、良好的护壁作用和携渣 能力等优点，在地下连续墙、钻孔灌注桩、泥水盾 构隧道等工程中得到广泛的应用[1－3]。其中，护壁 作用是工程利用泥浆的最主要功能。然而，在高渗 透性的砂砾地层中进行泥浆工程施工时，常因泥浆 的利用不当而出现泥浆大量滤失，进而导致开挖孔
（槽）失稳、坍塌等事故的发生，如西藏直孔电站 在坝基防渗墙施工中发生多次漏浆、塌孔现象[4]； 瑞士 Hermetschloo 隧道采用泥水盾构穿越渗透系数 为 3×10-3 m/s 的地层时，因泥浆大量滤失而导致开 挖面失稳事故的发生[5]。如何在高渗透性的地层保 持孔（槽）壁或开挖面的稳定，成为工程技术人员 最为关注的问题之一。
76
1.3
28
SL4 黏土、粉土
6.08
110
1.1
31
SL5 黏土、粉土
9.35
116
1.2
29
SL6 黏土、粉土
10.11
118
1.3
31
SL7 粉土、粉细砂 15.06
155
1.1
20
SL8 粉土、粉细砂 18.57
177
1.2
29
SL9 粉土、粉细砂 22.34
187
1.3
31
注：漏斗黏度为一种相对黏度，采用苏氏漏斗黏度计测试清水黏度为
了泥浆在地层中不同的渗透现象。渗透完成后泥浆颗粒在地层表面的堆积形态可以分为：泥皮型、泥皮+渗透带型、无泥皮
或渗透带 3 种类型，并且泥浆在地层中的渗透曲线的类型与泥浆颗粒在地层表面的堆积形态的类型有一定的对应关系。泥浆
在地层中的渗透试验过程中渗透流量的大小，不仅可以反映泥浆的渗透类型，还可以作为判断是否形成泥皮的标准。
（1. College of Mechanics and Materials, Hohai University, Nanjing 210098, China; 2. State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou, Jiangsu 221008, China; 3. Geotechnical Research Institute, Hohai University, Nanjing 210098, China; 4. College of Environment, Hohai University, Nanjing 210098, China）
2802
岩土力学
2014 年
是泥浆能否在地层表面形成泥皮，使泥浆压力平衡 地层土水压力的问题，而泥皮的形成则是泥浆在地 层中渗透的结果，属于岩土渗流课题的范畴。由于 泥浆因含有颗粒具有颗粒级配，密度一般在 1.05～ 1.30 g/cm3，流体特征参数与水相比差异较大，因此， 其在地层中渗透时会表现出与水不同的渗透现象和 渗透规律。
2.1 试验材料 本研究以浓度为 9.1%的纯膨润土泥浆作为基
础泥浆，其密度为 1.06 g/cm3。其中膨润土为南京 汤山镇产的钠基膨润土，蒙脱石含量为 63.35%）， 膨胀指数为 21 ml，pH 值为 10.09，测试方法详见 GB/T20973-2007 膨润土[15]。以标准土壤筛筛分得到 的 3 种不同粒径范围的黏土、粉土、粉细砂等作为
摘 要：保持开挖孔（槽）的稳定性是泥浆在地下连续墙、钻孔灌注桩及泥水盾构工法等工程中最重要的作用，是通过泥浆
在地层表面形成泥皮，使得泥浆压力平衡地层的土水压力实现的。其中，泥皮的形成是泥浆在地层中的渗透问题。为了探讨
泥浆在地层中的渗透规律，采用多组性质不同的泥浆在多种渗透性不同的地层中开展泥浆在地层中的渗透试验，系统地展示
地层 粒径/mm
Cu
S1 0.10～0.25 1.65
S2 0.25～0.50 1.45
S3
0.5～1.0 1.45
S4
1.0～2.0 1.45
D60 /mm 0.19 0.40 0.80 1.60
D10 /mm 0.115 0.275 0.550 1.100
k/(cm/s) 9.2×10-3 6.5×10-2 2.8×10-1 9.1×10-1
本文针对泥浆在地层中的渗透这一基本问题， 通过配制多组性质不同的泥浆，在渗透性不同的地 层中开展泥浆渗透试验，明确泥浆在地层中可能出 现的不同的渗透现象，分析泥浆渗透后颗粒的堆积 形态、渗透量及它们之间的对应关系。该研究对理 解和应用泥浆进行施工有重要的指导意义，也是对 岩土渗透课题的拓展。
2 试验材料与方法
文章编号：1000－7598 (2014) 10－2801－06
岩土 力 学 Rock and Soil Mechanics
Vol.35 No. 10 Oct. 2014
泥浆在地层中的渗透特性试验研究
闵凡路 1, 2，魏代伟 3，姜 腾 3，张春雷 4
（1. 河海大学 力学与材料学院，南京 210098； 2. 中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏 徐州 221008； 3. 河海大学 岩土工程研究所，南京 210098；4. 河海大学 环境学院，南京 210098）
小于某粒径的土粒含量/%
100
SL1
80
SL2 SL3
SL4
60
SL5 SL6
SL7
40
SL8 SL9
20
0
103
102
101
100
10-1
颗粒粒径/µm
图 1 试验用 9 组泥浆的级配曲线 Fig.1 Grain size distribution curves of 9 slurries in the test
Abstract: Supporting the excavation face is the most important role for slurry in the field of engineering, such as diaphragm walls, bored piles, and slurry shield tunneling. To achieve the function, a filter cake has to be formed on the soil, and the soil and pore water pressure have to be counteracted by slurry pressure. And the essence of filter cake formation is that the slurry infiltrates in the stratum. To reveal the phenomena and laws of slurry infiltrating into the soils, a series of slurry infiltration tests is carried out on sand samples with different permeabilities. Based on the test results, three typical seepage curves are discovered, and the shapes of slurry particles accumulated on the ground surface are also divided into three types: filter cake, filter cake with an infiltrated zone, and only an infiltrated zone without filter cake. Meanwhile, a corresponding relationship is discovered between the types of slurry seepage curves and the shapes of slurry particles accumulated on the surface. In addition, the seepage discharge during slurry infiltrating into the sand reflects the type of slurry infiltration. And it can be used as a criterion to determine whether a filter cake is formed on the surface. Key words: slurry; stratum; infiltration; seepage discharge; filter cake
关 键 词：泥浆；地层；渗透特性；渗透流量；泥皮
中图分类号：TV 543+.86
文献标识码：A
Experimental study of law of slurry infiltration in strata
MIN Fan-lu1, 2，WEI Dai-wei3，JIANG Teng3，ZHANG Chun-lei4