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1、第 6卷第 4期地下空间与工程学 报V o.l 62010年 8月Chinese Journal o fU nderground Space and Eng ineeringA ug. 2010复合钠基膨润土泥浆护壁机理及其工程应用*杨勇(上海隧道工程股份有限公司, 上海200233)摘要: 对复合钠基膨润土泥浆的护壁机理进行阐述, 根据近年来隧道股份引进新型钠基膨润土泥浆在上海及周边地区轨道交通施工地下连续墙工程中应用的相关经验, 结合一工程实例对复合钠基膨润土泥浆的实际应用效果及相对传统钙基膨润土泥浆的优势进行简单介绍, 并对该泥浆在实际应用中的推广提出几点指导性的建议。关键词: 地下连续
2、墙; 复合钠基膨润土; 泥浆; 护壁机理中图分类号: TU457文献标识码: A文章编号: 1673- 0836 ( 2010 ) 04- 0838- 07Stability maintaining M echanism of Compound Sodium based BentoniteSlurry and Its Application in Practical EngineeringY ang Yong( Shangha iT unnel Engineer ing Construction Co. L td. , Shanghai 200233, China)Abstract: Stab
3、ility m ain taining m echanism of com pound sod ium based ben ton ite slurry is in terpreted.Inreference to the exper ience of Shangha i T unne l Eng inee ring Construction Co. L td. in the applica tion o f compoundsodium based ben ton ite slurry in diaphragm w a ll constructions of ra il transporta
4、tion eng ineer ing in and aroundShangha,i the rea l effect o f th is new slurry and its super ior ity over trad itiona l Ca lcium based bentonite slurry arebr ie fly introduced here re lated to a prac tica l project. Several guiding suggestions are g iven fo r the propag ation of th isnew type o f s
5、lurry in future practice.K eyword s: d iaphragm wa l;l compound; sodium based; bentonite; slurry; stability m ainta ining m echan ism1 引言自 1950年意大利开始在水库大坝中采用地下连续墙至今, 这一技术已取得了突飞猛进的发展。现今, 在建筑空间极其狭小的城市中, 地下连续墙在基坑工程及地下结构物的施作中起着不可替代的作用。地下连续墙成槽稳定性是地下连续墙施工质量的重要保证, 而用于沟槽护壁的泥浆则是维系地下连续墙成槽稳定的血液。目前国内使用的地下墙护壁泥浆多
6、为普通钙基膨润土泥浆, 该泥浆在实际使用中的损耗较大, 且其成分中缺乏有如抑制槽壁壁面土层坍塌的、利于挖掘土悬浮并抑制其分散的、防止浆液受污染而破坏分子结构的等不同类型不同作用的复合材料, 不利于回收泥浆的分离处理和固化废弃以满足周边环境保护要求的。此外, 随着我国轨道交通的蓬勃发展, 地下连续墙施工技术在未来的应用也将遇到越来越多的挑战, 如不断加大的施工深度, 愈加复杂的施工条件及地质条件, 传统的钙基膨润土泥浆已经很难满足施工要求。因此, 对于新型护壁泥浆的研发或引进和使用刻不容缓。2 泥浆护壁机理2. 1 槽壁失稳模式*收稿日期: 2010 01 11 (修改稿 )史世雍 1通过对大量
7、文献 的总结, 将地下连作者简介: 杨勇 ( 1971 ), 男, 上海人, 工程师, 主要从事市政工程的相关研究。 E ma i:l yangyong75 126. com2010年第 4期杨勇: 复合钠基膨润土泥浆护壁机理及其工程应用839续墙槽壁失稳的模式归纳为如下两类:2. 1. 1 整体失稳在地下连续墙施工过程中, 导墙正下方土体可能出现鼓出现象, 失稳破坏面沿槽长方向扩展, 多成矩形或椭圆形分布。其中浅层失稳是整体失稳的主要形式, 如图 1所示;2. 1. 2 局部失稳在泥皮形成前, 新鲜开挖面即槽壁土体的稳定( 1)由泥浆提供的侧向静水压力( 2)泥浆在地连墙墙壁的抹面作用可防止
8、土体颗粒的移动和流失( 3)膨润土泥浆形成的泥膜效应( 4)渗透入土体的泥浆的胶凝作用( 5)由泥浆渗透产生的电渗力( 6)沟槽中泥浆的被动抗力( 7)泥浆填充产生的三维效应主要是由泥浆渗透产生的渗透力来维持的。当渗张厚 美 4 5( 2001 ) , 徐 伟 6透力无法与槽壁土压力平衡时, 局部失稳发生, 如( 2003) , 王轩 7( 2006) 等人在研究地下连续墙槽图 2所示。壁稳定性的分析方法中 均发现, 护 壁泥浆的重度s是影响槽壁整体稳定性的重要因素,s 越大, 槽壁整体稳定安全系数越高, 槽壁也越稳定。姜朋明 8则指出, 槽壁 的稳定性主 要由三部分构成:( 1)泥浆对于侧向
9、应力的置换作用, 该部分是由泥浆重度与水重度之差 s - w 以及土的有效内摩擦角两因素构成;( 2)瞬时侧向卸荷引起负超孔隙水压力而造成反向吸力增加的侧壁稳定性;图 1 整体失稳示意图 (史世雍, 2006)F ig. 1 G lobal failure of d iaphragm wa ll( Sh i Shiyong, 2006)图 2 局部失稳示意图 (史世雍, 2006)F ig. 2 L oca l fa ilure of d iaphragm wa ll( Sh i Shiyong, 2006)整体失稳和局部失稳对于成槽的稳定性和地下连续墙的施工质量均有重大影响。而地下连续墙开挖
10、稳定性的影响因素则, 包括泥浆性质、地基土质条件、开挖槽段的 形状以及施工 机械和工艺 2定性和控制施工质量的最重要因素之一。2. 2 泥浆对槽壁稳定性的影响 3可以归结于以下几个方面:( 3)土的粘聚力 c , 事实上是土的抗拉强度。其中, 负超孔隙水压力只对槽壁的瞬时稳定性起作用, 槽壁的长期稳定性则主要受由泥浆置换产生的侧向力以及侧壁土体的粘聚力控制, 而侧向力是随着泥浆重度的增大而增加的。 9泥浆向槽壁土体的渗入有关。抗槽壁塌落的局部稳定安全系数可定义为由入渗方向 (即水平向 ) 渗透力作用产生的槽壁面上 (即竖向 ) 土粒间的摩擦力与土粒有效重量的比值。国内外研究成果表明, 泥浆密度
11、高低决定着槽壁整体稳定性, 而且泥浆的渗透作用则对槽壁土体的局部稳定性起着非常关键的作用。2. 3 复合钠基膨润土泥浆护壁机理传统泥浆组成主要是水、钙基膨润土、黏土以及 CM C(提粘剂 )等, 属细分散淡水泥浆体系。而复合钠基膨润土泥浆组成主要是水、复合纳基膨润土以及添加剂等, 属聚合物泥浆体系。新型复合钠基膨润土泥浆的主要原料为钠基蒙脱石 ( ENa + /EC 50% ) , 其 主 要 化学 成 分 为: 蒙 脱 石 ( N a+ 0. 33 ( A l1. 67 M g0. 33 ) S i4 O10 ( OH ) 2 ! nH 2 O )、贝得石Na+ 0. 33A l2 ( Si
12、3. 67 A l0. 33 ) O 10 ( OH ) 2 ! nH 2 O、绿脱石Na+ 0. 33 F e3+ 2 ( S 3. 67 A 0. 33 ) O 10 ( OH ) 2 ! nH 2 O。上海隧道工程股份有限公司在实际工程应用中对美( 2000 ) , P avolF ilz 等的研究表明槽壁 的局部稳 定主要与等。其中, 泥浆性质 是影响地下连 续墙槽壁稳George M. F ilz 等指出泥浆的护壁作用主要i l840地下空间与工 程学报第 6卷国捷高公司生产的新型复合钠基膨润土泥浆与传表 1所示。该泥浆对于维持地下连续墙沟槽稳定统钙基膨润土泥浆的特性进行了比较 12
13、, 结果如性的作用主要体现在以下几个方面:表 1 传统钙基膨润土泥浆与复合钠基膨润土泥浆性能比较T ab le 1 Proper ty com par ison be tween trad itional calcium based ben ton ite slurry and com pound sod ium basedben ton ite slurry泥浆类型传统钙基膨润土泥浆复合钠基膨润土泥浆350 g 水中膨润土含量 ( g)表观粘度 ( s)塑性粘度 ( s)710. 51010. 514. 510. 522. 51. 51753. 51010614. 516922. 542.
14、520胶凝强度10 s10 m in1111141222. 5477122247( 1)增大泥浆的保水性和流变性, 提高泥浆的粘度和浆液稳定性如图 4所示, 微观环境下看, 复合钠基膨润土由许多叠的小平板组成, 较传统钙基膨润土有更高的膨胀率, 其水化后的 膨胀倍数为钙 基膨润土的10倍以上。复合钠基膨润土是高膨 胀性粘土, 有强大的吸水能力, 能在水中高度分散搭接成网络结构, 并使更多的自由水 转变为网络结 构中的束缚水, 从而形成具有更高灵敏度的非牛顿液体类型的触变性凝胶。在静止的时候, 泥浆结构稳定, 可有效悬浮钻屑, 支撑槽壁, 而一旦对其进行充分扰动,其流动性又变的非常好, 可轻易泵
15、送, 不会对其它工序产生不利影响。复合钠基膨润土的这一特性使其与水混合后形成的膨润土浆液较传统钙基膨润土浆液具有更高的粘滞性。如表 1所示, 在相同配比条件下, 复合钠基膨润土浆液的粘度均为传统钙基膨润土浆液粘度的 5倍以上, 且随着膨润土含量的增加这一差异更为明显, 当每 350 g 蒸馏水中膨润土含量为 22. 5 g 时, 复合钠基膨润土浆液的表观粘度约为传统钙基膨润土浆液的 44倍, 而复合钠基膨润土浆液的塑性粘度约为传统钙基膨润土浆液的 20倍。( 2)提高泥浆分散性, 增大 泥浆的胶凝强度,增强泥浆悬浮土渣能力, 提高泥浆重度表 1的结果表明, 在相同配比条件下, 无论是瞬时还是长
16、期胶凝强度, 复合钠基膨润土泥浆均较传统钙基膨润土浆液有了显著提高, 且随着膨润土含量的增加, 这一差异更为明显, 当 每 350 g 蒸馏水膨润土掺量为 22. 5 g 时, 复合钠基膨润土泥浆的 10 s胶凝强度约为传统钙基膨润土浆液的 22倍, 而 10 m in 胶凝强度则为传统钙基膨润土浆液的 11. 75倍。如图 5所示, 复合钠基膨润土泥浆中图 4 复合钠基膨润土及钙基膨润 土水化膨胀示意图F ig. 4 H ydration expans ion o f com poundsod ium based benton ite slurry andca lc ium based be
17、nton ite slurry的链条形高分子聚合物在水中形成具有网状交联结构的胶体溶液, 这种胶体系统分散度很高, 表面积大, 吸附作用更为显著。复合钠基膨润土泥浆,其膨润土加量比一般市场上的加量要小, 在水中的分散性较好, 胶体率达到 96% 以上。较高的胶体率有利于吸附钻渣, 因此复合钠基膨润土泥浆悬浮携带土渣的能力较传统钙基膨润土泥浆有显著提高。而随着泥浆中悬浮土渣量的增多, 泥浆的重度得到了提高, 其维护槽壁土体稳定性的能力也由此得到了增强。( 3)改善泥膜质量: 如图 6所示, 由于泥浆的滤失作用而在槽壁上形成泥膜。复合钠基膨润土泥浆中的聚合物分子能在槽壁的表面吸附胶结泥浆中的膨润土
18、颗粒及悬浮颗粒, 共同形成泥膜。即使厚度不大时, 该泥膜也有较强的抗透水性, 能使泥浆的失水量减少, 防塌性能增强。这一点对于砂土地层, 效果尤为明显。图 7和图 8分别为砂性土土层应用复合钠基膨润土泥浆和钙基膨润土泥浆2010年第 4期杨勇: 复合钠基膨润土泥浆护壁机理及其工程应用841图 5 膨润土小板与聚合物的桥接F ig. 5 T he comb ination of ben ton ite p latesw ith macrom o lecu lar po lym er地下连续墙槽壁表面土体在显微镜下的观察图像。对比图 7和图 8, 可以发现应用复合钠基膨润土泥浆的地下连续墙槽壁土体
19、生成的泥膜中因有聚合物分子存在, 使泥膜更加致密、均匀和坚韧。泥膜质量的提高有助于防止槽壁土体剥落、减少槽内泥浆的继续渗透滤失、使泥浆压力能有效均匀地作用于槽壁, 极大地增强了复合钠基膨润土泥浆维护槽壁的稳定性的能力。图 8 钙基膨润土泥浆与槽壁土体形成的泥膜F ig. 8 F ilter cake form ed by the interp lay betw eencalc ium based bentonite slurry and face so il( 4)改良槽壁土体: 如 ( 2)所述, 在达到相同重度要求的情况下, 新型钠基膨润土泥浆的粘度比传统泥浆要大很多, 这自然就提升了新型
20、泥浆悬浮沉渣的能力。而泥浆中悬浮颗粒的增加则为泥浆向槽壁土体的渗透创造了条件, 使得更多的悬浮颗粒能够随着泥浆的渗透通路进入槽壁土体中。在一定压力条件下, 泥浆中悬浮颗粒向土体的渗透能改善土体的微观结构, 减少土体中的散体结构, 降低土体孔隙比使其更为致密从而起到增大土体内摩擦角及粘聚力的作用, 宏观上表现为土体强度和抵抗侧向变形能 力的提高 ( 胡欣雨, 张子新 10, 11)。此外, 新型钠基膨润土泥浆流变性能好, 与槽壁土体形成的胶凝体强度高, 结构致密。因此新型钠基膨润土泥浆能够起到改善槽壁土体微观结构, 增大土体内摩擦角及粘聚力的作用, 从而更好的抑制地图 6 泥膜形成示意图F ig
21、. 6 F orm ation of filter cake下连续墙沟槽局部坍塌, 对于维持沟槽的整体和局部稳定性均较传统钙基膨润土泥浆有更好的效果。3 工程实例上海隧道工程股份有限公司率先引进了美国捷高公司生产的新型复合钠基膨润土泥浆, 并成功应用于上海轨道交通地下连续墙施工并积累了一些新型钠基泥浆的施工应用经验 12。表 2为近年来该泥浆在隧道股份参与的轨道交通项目中应用的实测性能指标。结合上海轨道交通 M 7线长寿路车站实例对图 7 复合钠基膨润土泥浆与槽壁土体形成的泥膜F ig. 7 F ilter cake formed by the inte rplay be tw een com
22、 poundsodium based benton ite slu rry and face so il新型复合钠基膨润土泥浆在地下连续墙施工中的应用进行具体说明。842地下空间与工 程学报第 6卷表 2 上海、南京轨道交通地下连续墙施工中复合钠基膨润土泥浆实测指标Tab le 2 M easured data of compound sod ium based b en ton ite slurry in the d iaphragm w all con struc tion inNan jing and Shan ghai rail transportat ion engineering项
23、目上海 M 7线长寿路车站上海 M 13线隆德路车站上海 M 7线耀华路车站上海 M 10线虹桥机场站上海 M 7线长清路车站上海 M 7线常熟路车站上海 M 11线曹杨路车站上海青草沙原水工程南京地铁元通站工程滤失量( m l)7. 47. 27. 27. 27. 47. 47. 27. 47. 4泥皮( mm ) 1 1 1 1 1 1 1 1 1粘度 ( s)34 3731 3425 2825 3031 3531 4230 3431 4532 37比重1. 221. 151. 131. 151. 171. 231. 201. 231. 18回收 率69%62%74%67%58%55%63
24、%57%54%PH 值888998998成槽深度(m)4547423842524560483. 1 工程概况本工程处于 2 层土, 即灰色砂质粉土夹粉质粘土层。该地层层埋深较浅, 位于 - 3 m - 10 m,导墙下缘即为此砂质粉土层; 土层内含水饱和度极高, 达 97% 100% ; 地层内聚力 c值小, 仅为 810 kP a。由于埋深过浅、饱和含水、粉土颗粒间内聚力小, 2 层土的流动性极强, 在成槽过程中不稳定, 易发生塌孔情况。同时, 地下连续墙在局部穿越 # 2 层为砂质粉土层和粉砂地层。工程初始采用的是传统钙基膨润土浆液。在使用过程中发现, 该泥浆抵抗有害离子能力较差,出现较多
25、的絮凝状物质, 在成槽过程中, 泥浆漏失量较大, 护壁能力下降, 多处出现塌孔现象。为确保槽孔稳定性, 保证施工质量, 在后续施工中采用复合钠基膨润土泥浆, 取得了很好的效果。3. 2 复合钠基膨润土泥浆的设计泥浆配比初步设计为: 每立方泥浆加入 40 kg 45 kg复合钠基膨润土、18 kg重晶粉, 淡水配浆。泥浆设计粘度为: 马氏漏斗粘度 50 s以上, 小漏斗粘度 60 s以上, 泥浆滤失量 14 m l以下 ( AP I测试方法 )。 泥浆循 环回收 过程中 使用 振动 筛、漩流器, 设计泥浆回收率 70% 。调整浆设计配置: 按照 30% 的新浆废弃率, 重340 45 kg钠基膨
26、润 土, 0. 5公斤 纯碱。然后将此高粘度泥浆冲入回收浆中, 确保前 2箱泥浆粘度控制在 45 s 50 s, 其余泥浆粘度 30 s 35 s。按设计配比试配 后, 泥浆粘 度达到马 氏漏斗70 s左右。经过技术人员讨论, 确定适当降低膨润土加量。根据分段地层情况的不同, 采用不同的泥浆配比。在 2 土层段确保泥浆粘度 (小漏斗 )达到 50 s以上, 在其后的粘土地层中, 泥浆粘度 (小漏斗 )可适当降低到 40 s左右。新浆具体配比为:在 2 土层段, 每立方泥浆加入 38 kg 40 kg 复合钠基膨润土、20 kg重晶粉; 在粘土地层段, 每立方泥浆加入 33 kg 35 kg 复
27、合钠基膨润土、20 kg重晶粉。3. 3 实际工程效果3从 35 s至 50 s不等, 泥浆比重 1. 03。使用前记录每箱泥浆的粘度, 按粘度从高到低的顺序, 依次使用。第一幅槽壁的混凝土浇注完成后, 共回收泥浆3要求。在先行幅地连墙的施工过程中, 复合钠基膨润土泥浆具有以下优点:3. 3. 1 可以较好地维持槽壁的稳定此幅槽壁为新开槽壁, 施工历时 6 d。期间有锁口管的试拼装工作、成槽机故障维修等, 还受到雨水的不利影响, 但槽壁始终保持稳定。施工过程中超声波检测结果和最后混凝土浇注完成的对比结果表明: 在整个成槽过程中, 槽壁没有因为长时间泥浆的浸泡, 而发生塌孔或缩孔的情况。3. 3. 2 形成泥膜速度快且致密, 泥浆滤失量低第一幅槽壁在 # 2 土层位置取浆, 测试泥浆的漏失量指标, 滤失量仅为 7. 2 m l/7. 5 m in。表明在砂土地层, 复合钠基膨润土泥浆能较快速的形成泥前后共配制 13箱, 近 300 m 泥浆。泥浆粘度9箱, 近 200 m 。泥浆回收率 69% , 基本达到设计新配制总量 30% 的高粘度泥浆, 每 m 水 中加入感谢您试用AnyBizSoft PDF to Word。试用版仅能转换5页文档。要转换全部文档，免费获取注册码请访问
