在海水入侵条件下，膨润土浆体渗透过程中流变降解与颗粒堵塞之间的竞争机制

《Applied Clay Science》：Competition between rheological degradation and particle clogging in bentonite slurry penetration under seawater intrusion

　　摘要
海水入侵会显著改变膨润土浆体的行为，并影响泥浆盾构隧道施工中滤饼的形成。本研究探讨了在盐分条件下，浆体渗透饱和沙土时流变劣化与颗粒堵塞之间的竞争机制。使用人工海水制备了盐度为0%–3.5%的膨润土浆体，并进行了流变测量、渗透试验、试验后 specimen 观察以及扫描电子显微镜（SEM）分析。盐度的增加显著降低了浆体的流变阻力，同时促进了颗粒聚集。在细砂中，由于孔道较小，无论盐度如何都能形成稳定的滤饼。然而，在盐分条件下，滤饼变得更加多孔，这一点通过 SEM 和二值化图像得到了证实。在中砂中，盐度在1.0%以下时能够形成稳定的滤饼，而当盐度达到1.5%及以上时滤饼开始失效，表明颗粒堵塞不足以补偿大孔道中流变阻力的损失。这些结果表明，在海水入侵情况下滤饼的形成受到流变劣化与颗粒堵塞之间竞争的控制，为沿海和海底隧道施工中浆体支撑性能的评估提供了见解。

引言
泥浆盾构通过将加压膨润土浆体填充到刀盘后面的腔室中来维持开挖稳定性（图1a）。浆体压力抵消了作用在开挖面上的地下水和土压力。当浆体接触到渗透性砂土时，首先会在快速泥浆喷射阶段侵入孔隙空间，在此过程中浆体颗粒逐渐被孔隙入口捕获。随后持续颗粒捕获会在土壤表面形成低渗透性的滤饼，从而限制浆体的进一步渗透，并将支撑压力有效传递给土壤骨架（图1b）。该滤饼作为主要的密封屏障，控制着浆体的流失和压力传递（Anagnostou 和 Kovári, 1994; Zizka 等, 2019）。其质量直接影响隧道面的稳定性，尤其是在地下水流large孔道较多的砂质地层中（Fritz, 2007; Qin 等, 2023a; Zhang 和 Bezuijen, 2026）。未能形成有效的滤饼可能导致浆体消耗过多、支撑压力损失，甚至局部面不稳定。

近年来，泥浆盾构技术越来越多地应用于沿海和海底基础设施项目，其中开挖时常遇到含水地层（Liu 等, 2025; Zhu 等, 2026）。在这种条件下，溶解盐分与膨润土之间的相互作用不可避免。已知盐分环境会显著改变膨润土浆体的物理化学性质。海水中的阳离子会压缩围绕膨润土颗粒的扩散双层，减少颗粒间的排斥力，并促进絮凝（Chegbeleh 等, 2014; Cui 等, 2020）。因此，浆体通常表现出较低的粘度和屈服应力以及更强的颗粒聚集现象（Qin 等, 2023b）。这些变化预计会对浆体渗透和滤饼形成产生重要影响。

以往关于浆体渗透的研究表明，该过程通常包括一个初始泥浆喷射阶段，随后是滤饼的逐渐形成（Talmon 等, 2013）。这两个阶段之间的转变取决于浆体性质和土壤孔隙结构。细粒砂由于孔道较小，通常有利于颗粒捕获和堵塞；而粗粒砂则需要更强的流变阻力来抑制浆体入侵。现有的实验和理论研究已经证明了浆体浓度（Xu 和 Bezuijen, 2019）、颗粒大小分布（Wang 等, 2022b; Xu 等, 2024）、土壤渗透性（Cao 等, 2025）以及施加的压力梯度（Qin 和 Kannangara, 2025）等参数对滤饼形成和支撑性能的重要性。

与此同时，人们也广泛关注了膨润土浆体在盐分条件下的行为。大多数先前的研究集中在流变演变（Wang 等, 2022a; Shao 等, 2024）、胶体稳定性（Kaufhold 和 Dohrmann, 2009）、过滤性能（Zhang 和 Bezuijen, 2024; Yin 等, 2024）或由海水引起的微观结构变化（Min 等, 2019; Qin 等, 2023b）上。这些研究清楚地表明，盐分会严重降低浆体的流变性能。然而，这种劣化对多孔介质中浆体渗透行为的影响尚未得到充分理解。特别是，盐分引起的流变劣化和颗粒聚集通常被分开考虑，尽管在浆体渗透过程中它们可能产生相反的效果：流变阻力的降低有利于浆体入侵，而较大的颗粒聚集可能会增强颗粒捕获和孔道堵塞。这两种效应之间的平衡如何随土壤孔隙结构变化，以及最终如何决定滤饼的形成或失效，目前尚未系统地阐明。本研究通过细砂和中砂中的流变特性测试和渗透实验，探讨了海水入侵条件下膨润土浆体的渗透行为，特别关注了渗透演变、压力传递、水力传导率变化以及滤饼的形成。通过试验后的土壤 specimen 和 SEM 对滤饼表面的观察，进一步提供了盐分引起密封行为变化的宏观和微观结构证据。本研究的独特贡献在于建立了将盐分引起的流变劣化和聚集引起的颗粒堵塞与土壤孔隙结构联系起来的竞争框架。该框架不再将流变劣化和颗粒聚集视为独立效应，而是解释了它们的相对优势如何控制不同孔隙结构砂土中有效滤饼形成与持续浆体渗透之间的转变。

材料
实验程序使用了膨润土浆体和饱和沙土来模拟泥浆盾构施工中典型的条件。选择了市售的钠活化膨润土进行浆体制备。通过 X 射线衍射（D8 ADVANCE, Bruker, 德国）对膨润土的矿物组成进行了分析。主要识别出的相包括白云母（22%）、andesine（19%）、barrerite（15%）和 willhendersonite（14%），以及石英和 pyrophyllite。

流变行为
图6 显示了八种膨润土浆体（C0–C35）的流动曲线，这些曲线采用对数-对数坐标绘制。图像清晰地展示了随着盐度增加从剪切稀释到剪切增稠行为的转变。新鲜浆体（C0）表现出典型的非线性剪切稀释行为，即低剪切速率下剪切应力迅速增加，然后在较高剪切速率下逐渐趋于平稳。这种响应与分散的膨润土片层沿剪切方向的逐渐排列有关。

渗透深度和试验后土壤 specimen
根据从孔隙中排出的水量等于侵入沙土的浆体体积的假设，计算了浆体在沙床中的渗透深度。公式表示为：
??=4??????????2/1
其中 l 是时间 t 时的渗透深度（cm），V 是从测试开始到时间 t 的累积排水体积（ml），n 是沙床的孔隙度（细砂为 0.36，中砂为 0.38）。

滤饼的微观结构特征
为了考察两种极端盐分条件下的微观结构差异，对在淡水（C0-F）和最高盐分（C35-F）条件下形成的细砂滤饼顶表面进行了 SEM 观察。这些 specimen 在烘干后从土壤样品中获得，并使用 ZEISS Gemini300 扫描电子显微镜（德国）进行了观察。为了更好地可视化孔隙分布，SEM 图像进一步经过了 Trainable Weka 处理。

结论
本研究通过流变测量、渗透试验、试验后 specimen 观察以及 SEM 分析，探讨了海水入侵条件下膨润土浆体的渗透行为和滤饼形成。可以得出以下结论：
（1）海水入侵显著降低了膨润土浆体的流变性能。随着盐度的增加，屈服应力和稠度指数显著下降，流动行为逐渐从剪切稀释转变为剪切增稠。

作者贡献声明
苏秦：撰写——原始草稿，监督，方法学研究，资金获取，概念化。
索玉丽：撰写——审核与编辑，可视化，数据整理。
K.K. Pabodha M. Kannangara：撰写——审核与编辑，概念化。

关于生成式 AI 和 AI 辅助技术在写作过程中的声明
在准备本作品的过程中，作者使用了 OpenAI 来提高可读性和语言表达。使用该工具后，作者对内容进行了必要的审核和编辑，并对出版物的内容负全责。

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢
本研究得到了新疆维吾尔自治区自然科学基金（项目编号 2024D01C252）和新疆维吾尔自治区人力资源和社会保障部（“天池人才”项目）的支持。

作者：
苏秦 | 索玉丽 | K.K. Pabodha M. Kannangara
中国乌鲁木齐新疆大学土木工程与建筑学院