Influence of the type of clay mineral on the adhesion potential of fine grained soils

Abstract

In order to ensure the satisfactory execution of a tunnelling project, it is essential to know accurately the geological and geotechnical behaviour of the excavated terrain, as the election of the construction method (support of the excavation front, security measures, transport of material, etc.) depends on it. In mechanical tunnelling projects it is possible that, if the terrain is formed by fine grained soils (particularly by clays), some important technical difficulties appear due to the adhesion of the excavated materials at the cutting wheel or the rest of the machine components. This can lead to several problems, as a higher energy consumption (especially at EPB or earth pressure balance), blocking of excavation tools, clogging of screw or belt conveyors, etc. Together with other university departments and companies of the sector, the Chair of Geotechnical Engineering of the RWTH Aachen University carries out a research at several scales about the interfacial processes between excavated minerals and cutting tool surfaces. Within this framework, in order to quantify the adhesion of soils, it is being developed a new laboratory test named cone pull-out test. Using this test, still in trial phase, it will be established a new classification scheme to evaluate the adhesion potential of different soils. This minor thesis is part of the development process of this new test. Its main objective is to investigate the influence of the mineralogical composition of a soil in its adhesion potential. Particularly, in this work it has been tested through the cone pull-out test how the presence of different clay minerals (kaolinite, smectite, illite) affects to the adhesion potential of a soil, in order to establish which soils can cause more problems during tunnelling works.

Per a una execució satisfactòria del projecte de construcció d’un túnel resulta essencial el coneixement més precís possible del comportament geològic i geotècnic del terreny a excavar, ja que d’això en depèn l’elecció del mètode constructiu (suport al front d’excavació, transport de material, mesures de seguretat, etc.). En excavacions mitjançant tuneladora és possible que, si el terreny està constituït per sòls de gra fi (particularment per argiles), es produeixin importants dificultats tècniques a causa de l’adhesió dels materials excavats a la roda tallant o a la resta de components de la tuneladora. Això comporta diversos problemes, com un consum energètic més elevat (sobretot als EPB o escuts de pressió de terra), bloquejos, avaries, obstruccions al vis sense fi, etc. De manera conjunta amb altres departaments universitaris i empreses del sector, l’Institut de Geotècnia en Enginyeria Civil de la RWTH Aachen duu a terme una investigació a diferents escales sobre els processos interfacials entre els minerals excavats i la superfície de les eines de tall. Dins d’aquest marc, per tal de quantificar l’adhesió dels sòls, s’està desenvolupant un nou assaig de laboratori anomenat assaig d’extracció del con. Mitjançant aquest assaig, encara en fase de proves, s’està treballant per establir un nou esquema de classificació que avaluï el potencial d’adhesió dels diferents sòls. Aquesta tesina forma part del procés de desenvolupament d’aquest nou assaig. El seu principal objectiu és investigar la influència de la composició mineralògica d’un sòl en el seu potencial d’adhesió. En particular, en aquest treball s’ha investigat mitjançant l’assaig d’extracció del con com influeix la presència de diferents minerals d’argila (caolinita, esmectita, il·lita) en el potencial d’adhesió, amb la idea d’establir quins sòls de gra fi poden ser més problemàtics en excavacions amb tuneladora.