Influence of water and sand content on adhesion of clayey soils

Document Type : Research Paper


1 Department of Structural and Engineering Geology, School of Geology, College of Science, University of Tehran, Iran

2 Department of Geology and Engineering Geology, Ferdowsi University of Mashhad, Iran



Clogging occurs during mechanical tunneling with a Tunnel Boring Machine (TBM) because of adhesion of clayey soils to the cutter
head and conveyor system. The present study examined the effects of water and sand contents on clogging in Montmorillonite clayey
soil. Testing was carried out using an adhesion test device on 28 samples with different water and sand contents to determine adhesion
stress and degree of clogging. The results indicate that the consistency index (Ic) of the samples decreases as the sand and water
content increases. The results for variation of adhesion stress versus water content at different sand contents formed similar bellshaped
curves. In all graphs, an increase in sand content decreased adhesion stress. Adhesion stress increased until the water content
increased to 138%, at which point it began to decrease. The results show that adhesion of the soil to the surface of the metal piston did
not occur in samples having a sand content of >40% and in samples with >133% water content having a sand content of <40%, Ic>0.5
adhesion occurred.


Article Title [Persian]

تأثیر درصد آب و ماسه بر چسبناکی خاک‌های رس

Authors [Persian]

  • یونس کرمی 1
  • Akbar Cheshomi 1
  • امیر خبازی 2
  • محمد غفوری 2
Abstract [Persian]

انسداد (Clogging) در حفاری مکانیزه با ماشین حفاری (TBM) به‌دلیل چسبیدن خاک رس به پیشانی برشی و ابزار تخلیة دستگاه رخ می‌دهد. تحقیق حاضر به بررسی تأثیر تغییر رطوبت و مقدار ماسه بر میزان انسداد در خاک رس مونتموریلونیت پرداخته است. آزمایش‌ها با دستگاه آزمایش چسبناکی (Adhesion test device) روی 28 نمونه با درصدهای مختلف ماسه و آب انجام شده و میزان تنش چسبناکی (Adhesion stress) و درجة انسداد (Degree of clogging) تعیین شده است. نتایج آزمایش‌ها نشان می‌دهد با افزایش درصد رطوبت و مقدار ماسه، شاخص استحکام (Consistency index) کاهش یافته است. منحنی تغییرات تنش چسبناکی در مقابل درصد رطوبت به‌ازای درصدهای مختلف ماسة زنگوله‌ای‌شکل است. در همة نمونه‌ها با افزایش درصد ماسه تنش چسبناکی کاهش یافت. با افزایش درصد رطوبت تا 138 درصد، تنش چسبناکی افزایش و بعد از آن کاهش یافت. نتایج نشان می‌دهد در نمونه‌هایی دارای درصد ماسة بیش از 40 درصد، رس به سطح فلز نمی‌چسبد و در نمونه‌های دارای درصد رطوبت بیش از 133 درصد و درصد ماسة کمتر از 40 درصد با شاخص استحکام بیش از 5/0  رس به سطح فلز چسبیده است. 

Keywords [Persian]

  • انسداد
  • چسبناکی
  • خاک رسی
  • TBM
Atkinson, J.H., Fookes, P.G., Miglio, B.F., 2003. Destructuring and disaggregation of Mercia Mudstone during full-face
tunneling. Quarterly Journal of Engineering Geology and Hydrogeology, 36: 293-303.
Duncan, J.M., 2000. Factors of Safety and Reliability in Geotechnical Engineering. Journal of Geotechnical and
Geoenvironmental Engineering; 126(4): 307-316.
Fernández-Steeger, T. M., Post, C., Feinendegen, M., Bäppler, K., Zwick, O., Azzam, R., Ziegler, M., Stanjek, H.,
Peschard, A., Pralle, N., 2008. Interfacial processes between mineral and tool surfaces – causes, problems and solution in
mechanical tunnel driving.Geotechnologien Science Report, 12: 46-57.
Geodata, S .P .A., 1995. Review of alternative construction methods and feasibility of proposed methods for constructing
Attiko Metro Extension of Line 3 to Egaleo: Attiko Metro S. A., 191–193.
Gill, D.E., Corthesy, R., Leite, M.H., 2005.Determining the minimal number of specimens for laboratory testing of rock
properties.Engineering Geology; 78: 29–51.
Kooistra, A., 1998. Verkleving van klei in tunnel boor machines.Memoirs of the Centre of Engineering Geology in the
Netherlands, 165, Delft.
Sass, I., Barbaum, U., 2009.A method for assessing adhesion of clays to tunneling machines. Bull. Eng. Geol. Environ.68:
Thewes, M., 1999. Adha¨sion von onbo¨denbeimTunnel vortriebmit Flu¨ ssigkeitsschiden. Berichteaus Grundbau und
Bodenmechanik der BergischenUniversita¨tGesamthochschule Wuppertal, Fachbereich Bauingenieurwesen, Band 21,
Wuppertal 1999, Shaker Verlag Aachen.
Thewes, M., Burger, W., 2004. Clogging risks for TBM drives in clay, Tunnels & Tunnelling International. 28–31.
Thewes, M., Burger, W., 2005. Clogging of TBM drives in clay- identification and mitigation of risks, Underground space
use: Analysis of the past and lessons for the future, 1-2.