復(fù)合鈉基膨潤土護(hù)壁機(jī)理及工程應(yīng)用

1、.：.；第 6卷第 4期地下空間與工程學(xué) 報(bào)V o.l 62021年 8月Chinese Journal o fU nderground Space and Eng ineeringA ug. 2021復(fù)合鈉基膨潤土泥漿護(hù)壁機(jī)理及其工程運(yùn)用*楊勇(上海隧道工程股份, 上海200233)摘要: 對(duì)復(fù)合鈉基膨潤土泥漿的護(hù)壁機(jī)理進(jìn)展論述, 根據(jù)近年來隧道股份引進(jìn)新型鈉基膨潤土泥漿在上海及周邊地域軌道交通施工地下延續(xù)墻工程中運(yùn)用的相關(guān)閱歷, 結(jié)合一工程實(shí)例對(duì)復(fù)合鈉基膨潤土泥漿的實(shí)踐運(yùn)用效果及相對(duì)傳統(tǒng)鈣基膨潤土泥漿的優(yōu)勢進(jìn)展簡單介紹, 并對(duì)該泥漿在實(shí)踐運(yùn)用中的推行提出幾點(diǎn)指點(diǎn)性的建議。關(guān)鍵詞: 地下延續(xù)

2、墻; 復(fù)合鈉基膨潤土; 泥漿; 護(hù)壁機(jī)理中圖分類號(hào): TU457文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A文章編號(hào): 1673- 0836 ( 2021 ) 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年意大利開場在水庫大壩中采用地下延續(xù)墻至今, 這一技術(shù)已獲得了突飛猛進(jìn)的開展。現(xiàn)今, 在建筑空間極其狹小的城市中, 地下延續(xù)墻在基坑工程及地下構(gòu)造物的施作中起著不可替代的作用。地下延續(xù)墻成槽穩(wěn)定性是地下延續(xù)墻施工質(zhì)量的重要保證, 而用于溝槽護(hù)壁的泥漿那么是維系地下延續(xù)墻成槽穩(wěn)定的血液。目前國內(nèi)運(yùn)用的地下墻護(hù)壁泥漿

6、多為普通鈣基膨潤土泥漿, 該泥漿在實(shí)際運(yùn)用中的損耗較大, 且其成分中缺乏有如抑制槽壁壁面土層坍塌的、利于發(fā)掘土懸浮并抑制其分散的、防止?jié){液受污染而破壞分子構(gòu)造的等不同類型不同作用的復(fù)合資料, 不利于回收泥漿的分別處置和固化廢棄以滿足周邊環(huán)境維護(hù)要求的。此外, 隨著我國軌道交通的蓬勃開展, 地下延續(xù)墻施工技術(shù)在未來的運(yùn)用也將遇到越來越多的挑戰(zhàn), 如不斷加大的施工深度, 愈加復(fù)雜的施工條件及地質(zhì)條件, 傳統(tǒng)的鈣基膨潤土泥漿曾經(jīng)很難滿足施工要求。因此, 對(duì)于新型護(hù)壁泥漿的研發(fā)或引進(jìn)和運(yùn)用刻不容緩。2 泥漿護(hù)壁機(jī)理2. 1 槽壁失穩(wěn)方式*收稿日期: 2021 01 11 (修正稿 )史世雍 1經(jīng)過對(duì)大

7、量文獻(xiàn) 的總結(jié), 將地下連作者簡介: 楊勇 ( 1971 ), 男, 上海人, 工程師, 主要從事市政工程的相關(guān)研討。 E ma i:l yangyong75 126. com2021年第 4期楊勇: 復(fù)合鈉基膨潤土泥漿護(hù)壁機(jī)理及其工程運(yùn)用839續(xù)墻槽壁失穩(wěn)的方式歸納為如下兩類:2. 1. 1 整體失穩(wěn)在地下延續(xù)墻施工過程中, 導(dǎo)墻正下方土體可能出現(xiàn)鼓出景象, 失穩(wěn)破壞面沿槽長方向擴(kuò)展, 多成矩形或橢圓形分布。其中淺層失穩(wěn)是整體失穩(wěn)的主要方式, 如圖 1所示;2. 1. 2 部分失穩(wěn)在泥皮構(gòu)成前, 新穎開挖面即槽壁土體的穩(wěn)定( 1)由泥漿提供的側(cè)向靜水壓力( 2)泥漿在地連墻墻壁的抹面作用可防

8、止土體顆粒的挪動(dòng)和流失( 3)膨潤土泥漿構(gòu)成的泥膜效應(yīng)( 4)浸透入土體的泥漿的膠凝作用( 5)由泥漿浸透產(chǎn)生的電滲力( 6)溝槽中泥漿的被動(dòng)抗力( 7)泥漿填充產(chǎn)生的三維效應(yīng)主要是由泥漿浸透產(chǎn)生的浸透力來維持的。當(dāng)滲張厚 美 4 5( 2001 ) , 徐 偉 6透力無法與槽壁土壓力平衡時(shí), 部分失穩(wěn)發(fā)生, 如( 2003) , 王軒 7( 2006) 等人在研討地下延續(xù)墻槽圖 2所示。壁穩(wěn)定性的分析方法中 均發(fā)現(xiàn), 護(hù) 壁泥漿的重度s是影響槽壁整體穩(wěn)定性的重要要素,s 越大, 槽壁整體穩(wěn)定平安系數(shù)越高, 槽壁也越穩(wěn)定。姜朋明 8那么指出, 槽壁 的穩(wěn)定性主 要由三部分構(gòu)成:( 1)泥漿對(duì)于

9、側(cè)向應(yīng)力的置換作用, 該部分是由泥漿重度與水重度之差 s - w 以及土的有效內(nèi)摩擦角兩要素構(gòu)成;( 2)瞬時(shí)側(cè)向卸荷引起負(fù)超孔隙水壓力而造成反向吸力添加的側(cè)壁穩(wěn)定性;圖 1 整體失穩(wěn)表示圖 (史世雍, 2006)F ig. 1 G lobal failure of d iaphragm wa ll( Sh i Shiyong, 2006)圖 2 部分失穩(wěn)表示圖 (史世雍, 2006)F ig. 2 L oca l fa ilure of d iaphragm wa ll( Sh i Shiyong, 2006)整體失穩(wěn)和部分失穩(wěn)對(duì)于成槽的穩(wěn)定性和地下延續(xù)墻的施工質(zhì)量均有艱苦影響。而地下延續(xù)墻

10、開挖穩(wěn)定性的影響要素那么, 包括泥漿性質(zhì)、地基土質(zhì)條件、開挖槽段的 外形以及施工 機(jī)械和工藝 2定性和控制施工質(zhì)量的最重要要素之一。2. 2 泥漿對(duì)槽壁穩(wěn)定性的影響 3可以歸結(jié)于以下幾個(gè)方面:( 3)土的粘聚力 c , 現(xiàn)實(shí)上是土的抗拉強(qiáng)度。其中, 負(fù)超孔隙水壓力只對(duì)槽壁的瞬時(shí)穩(wěn)定性起作用, 槽壁的長期穩(wěn)定性那么主要受由泥漿置換產(chǎn)生的側(cè)向力以及側(cè)壁土體的粘聚力控制, 而側(cè)向力是隨著泥漿重度的增大而添加的。 9泥漿向槽壁土體的滲入有關(guān)?？共郾谒涞牟糠址€(wěn)定平安系數(shù)可定義為由入滲方向 (即程度向 ) 滲透力作用產(chǎn)生的槽壁面上 (即豎向 ) 土粒間的摩擦力與土粒有效分量的比值。國內(nèi)外研討成果闡明,

11、泥漿密度高低決議著槽壁整體穩(wěn)定性, 而且泥漿的浸透作用那么對(duì)槽壁土體的部分穩(wěn)定性起著非常關(guān)鍵的作用。2. 3 復(fù)合鈉基膨潤土泥漿護(hù)壁機(jī)理傳統(tǒng)泥漿組成主要是水、鈣基膨潤土、黏土以及 CM C(提粘劑 )等, 屬細(xì)分散淡水泥漿體系。而復(fù)合鈉基膨潤土泥漿組成主要是水、復(fù)合納基膨潤土以及添加劑等, 屬聚合物泥漿體系。新型復(fù)合鈉基膨潤土泥漿的主要原料為鈉基蒙脫石 ( ENa + /EC 50% ) , 其 主 要 化學(xué) 成 分 為: 蒙 脫 石 ( N a+ 0. 33 ( A l1. 67 M g0. 33 ) S i4 O10 ( OH ) 2 ! nH 2 O )、貝得石Na+ 0. 33A l2

12、 ( Si3. 67 A l0. 33 ) O 10 ( OH ) 2 ! nH 2 O、綠脫石Na+ 0. 33 F e3+ 2 ( S 3. 67 A 0. 33 ) O 10 ( OH ) 2 ! nH 2 O。上海隧道工程股份在實(shí)踐工程運(yùn)用中對(duì)美( 2000 ) , P avolF ilz 等的研討闡明槽壁 的部分穩(wěn) 定主要與等。其中, 泥漿性質(zhì) 是影響地下連 續(xù)墻槽壁穩(wěn)George M. F ilz 等指出泥漿的護(hù)壁作用主要i l( 2000 ) , P avolF ilz 等的研討闡明槽壁 的部分穩(wěn) 定主要與等。其中, 泥漿性質(zhì) 是影響地下連 續(xù)墻槽壁穩(wěn)George M. F il

13、z 等指出泥漿的護(hù)壁作用主要i l840地下空間與工 程學(xué)報(bào)第 6卷國捷高公司消費(fèi)的新型復(fù)合鈉基膨潤土泥漿與傳表 1所示。該泥漿對(duì)于維持地下延續(xù)墻溝槽穩(wěn)定統(tǒng)鈣基膨潤土泥漿的特性進(jìn)展了比較 12, 結(jié)果如性的作用主要表達(dá)在以下幾個(gè)方面:表 1 傳統(tǒng)鈣基膨潤土泥漿與復(fù)合鈉基膨潤土泥漿性能比較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泥漿類型傳統(tǒng)鈣基膨潤土泥漿復(fù)合鈉基膨潤土泥漿3

14、50 g 水中膨潤土含量 ( g)表觀粘度 ( s)塑性粘度 ( s)710. 51010. 514. 510. 522. 51. 51753. 51010614. 516922. 542. 520膠凝強(qiáng)度10 s10 m in1111141222. 5477122247( 1)增大泥漿的保水性和流變性, 提高泥漿的粘度和漿液穩(wěn)定性如圖 4所示, 微觀環(huán)境下看, 復(fù)合鈉基膨潤土由許多疊的小平板組成, 較傳統(tǒng)鈣基膨潤土有更高的膨脹率, 其水化后的 膨脹倍數(shù)為鈣 基膨潤土的10倍以上。復(fù)合鈉基膨潤土是高膨 脹性粘土, 有強(qiáng)大的吸水才干, 能在水中高度分散搭接成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu), 并使更多的自在水 轉(zhuǎn)變?yōu)榫W(wǎng)

15、絡(luò)結(jié) 構(gòu)中的束縛水, 從而構(gòu)成具有更高靈敏度的非牛頓液體類型的觸變性凝膠。在靜止的時(shí)候, 泥漿構(gòu)造穩(wěn)定, 可有效懸浮鉆屑, 支撐槽壁, 而一旦對(duì)其進(jìn)展充分?jǐn)_動(dòng),其流動(dòng)性又變的非常好, 可隨便泵送, 不會(huì)對(duì)其它工序產(chǎn)生不利影響。復(fù)合鈉基膨潤土的這一特性使其與水混合后構(gòu)成的膨潤土漿液較傳統(tǒng)鈣基膨潤土漿液具有更高的粘滯性。如表 1所示, 在一樣配比條件下, 復(fù)合鈉基膨潤土漿液的粘度均為傳統(tǒng)鈣基膨潤土漿液粘度的 5倍以上, 且隨著膨潤土含量的添加這一差別更為明顯, 當(dāng)每 350 g 蒸餾水中膨潤土含量為 22. 5 g 時(shí), 復(fù)合鈉基膨潤土漿液的表觀粘度約為傳統(tǒng)鈣基膨潤土漿液的 44倍, 而復(fù)合鈉基膨

16、潤土漿液的塑性粘度約為傳統(tǒng)鈣基膨潤土漿液的 20倍。( 2)提高泥漿分散性, 增大 泥漿的膠凝強(qiáng)度,加強(qiáng)泥漿懸浮土渣才干, 提高泥漿重度表 1的結(jié)果闡明, 在一樣配比條件下, 無論是瞬時(shí)還是長期膠凝強(qiáng)度, 復(fù)合鈉基膨潤土泥漿均較傳統(tǒng)鈣基膨潤土漿液有了顯著提高, 且隨著膨潤土含量的添加, 這一差別更為明顯, 當(dāng) 每 350 g 蒸餾水膨潤土摻量為 22. 5 g 時(shí), 復(fù)合鈉基膨潤土泥漿的 10 s膠凝強(qiáng)度約為傳統(tǒng)鈣基膨潤土漿液的 22倍, 而 10 m in 膠凝強(qiáng)度那么為傳統(tǒng)鈣基膨潤土漿液的 11. 75倍。如圖 5所示, 復(fù)合鈉基膨潤土泥漿中圖 4 復(fù)合鈉基膨潤土及鈣基膨潤 土水化膨脹表示

17、圖F ig. 4 H ydration expans ion o f com poundsod ium based benton ite slurry andca lc ium based benton ite slurry的鏈條形高分子聚合物在水中構(gòu)成具有網(wǎng)狀交聯(lián)構(gòu)造的膠體溶液, 這種膠體系統(tǒng)分散度很高, 外表積大, 吸附作用更為顯著。復(fù)合鈉基膨潤土泥漿,其膨潤土加量比普通市場上的加量要小, 在水中的分散性較好, 膠體率到達(dá) 96% 以上。較高的膠體率有利于吸附鉆渣, 因此復(fù)合鈉基膨潤土泥漿懸浮攜帶土渣的才干較傳統(tǒng)鈣基膨潤土泥漿有顯著提高。而隨著泥漿中懸浮土渣量的增多, 泥漿的重度得到了提高

18、, 其維護(hù)槽壁土體穩(wěn)定性的才干也由此得到了加強(qiáng)。( 3)改善泥膜質(zhì)量: 如圖 6所示, 由于泥漿的濾失作用而在槽壁上構(gòu)成泥膜。復(fù)合鈉基膨潤土泥漿中的聚合物分子能在槽壁的外表吸附膠結(jié)泥漿中的膨潤土顆粒及懸浮顆粒, 共同構(gòu)成泥膜。即使厚度不大時(shí), 該泥膜也有較強(qiáng)的抗透水性, 能使泥漿的失水量減少, 防塌性能加強(qiáng)。這一點(diǎn)對(duì)于砂土地層, 效果尤為明顯。圖 7和圖 8分別為砂性土土層運(yùn)用復(fù)合鈉基膨潤土泥漿和鈣基膨潤土泥漿2021年第 4期楊勇: 復(fù)合鈉基膨潤土泥漿護(hù)壁機(jī)理及其工程運(yùn)用841圖 5 膨潤土小板與聚合物的橋接F ig. 5 T he comb ination of ben ton ite p

19、 latesw ith macrom o lecu lar po lym er地下延續(xù)墻槽壁外表土體在顯微鏡下的察看圖像。對(duì)比圖 7和圖 8, 可以發(fā)現(xiàn)運(yùn)用復(fù)合鈉基膨潤土泥漿的地下延續(xù)墻槽壁土體生成的泥膜中因有聚合物分子存在, 使泥膜更加致密、均勻和堅(jiān)韌。泥膜質(zhì)量的提高有助于防止槽壁土體剝落、減少槽內(nèi)泥漿的繼續(xù)浸透濾失、使泥漿壓力能有效均勻地作用于槽壁, 極大地加強(qiáng)了復(fù)合鈉基膨潤土泥漿維護(hù)槽壁的穩(wěn)定性的才干。圖 8 鈣基膨潤土泥漿與槽壁土體構(gòu)成的泥膜F ig. 8 F ilter cake form ed by the interp lay betw eencalc ium based ben

20、tonite slurry and face so il( 4)改良槽壁土體: 如 ( 2)所述, 在到達(dá)一樣重度要求的情況下, 新型鈉基膨潤土泥漿的粘度比傳統(tǒng)泥漿要大很多, 這自然就提升了新型泥漿懸浮沉渣的才干。而泥漿中懸浮顆粒的添加那么為泥漿向槽壁土體的浸透發(fā)明了條件, 使得更多的懸浮顆?？梢噪S著泥漿的浸透通路進(jìn)入槽壁土體中。在一定壓力條件下, 泥漿中懸浮顆粒向土體的浸透能改善土體的微觀構(gòu)造, 減少土體中的散體構(gòu)造, 降低土體孔隙比使其更為致密從而起到增大土體內(nèi)摩擦角及粘聚力的作用, 宏觀上表現(xiàn)為土體強(qiáng)度和抵抗側(cè)向變形能 力的提高 ( 胡欣雨, 張子新 10, 11)。此外, 新型鈉基膨潤

21、土泥漿流變性能好, 與槽壁土體構(gòu)成的膠凝體強(qiáng)度高, 構(gòu)造致密。因此新型鈉基膨潤土泥漿可以起到改善槽壁土體微觀構(gòu)造, 增大土體內(nèi)摩擦角及粘聚力的作用, 從而更好的抑制地圖 6 泥膜構(gòu)成表示圖F ig. 6 F orm ation of filter cake下延續(xù)墻溝槽部分坍塌, 對(duì)于維持溝槽的整體和局部穩(wěn)定性均較傳統(tǒng)鈣基膨潤土泥漿有更好的效果。3 工程實(shí)例上海隧道工程股份率先引進(jìn)了美國捷高公司消費(fèi)的新型復(fù)合鈉基膨潤土泥漿, 并勝利運(yùn)用于上海軌道交通地下延續(xù)墻施工并積累了一些新型鈉基泥漿的施工運(yùn)用閱歷 12。表 2為近年來該泥漿在隧道股份參與的軌道交通工程中運(yùn)用的實(shí)測性能目的。結(jié)合上海軌道交通

22、M 7線長壽路車站實(shí)例對(duì)圖 7 復(fù)合鈉基膨潤土泥漿與槽壁土體構(gòu)成的泥膜F ig. 7 F ilter cake formed by the inte rplay be tw een com poundsodium based benton ite slu rry and face so il新型復(fù)合鈉基膨潤土泥漿在地下延續(xù)墻施工中的運(yùn)用進(jìn)展詳細(xì)闡明。842地下空間與工 程學(xué)報(bào)第 6卷表 2 上海、南京軌道交通地下延續(xù)墻施工中復(fù)合鈉基膨潤土泥漿實(shí)測目的Tab le 2 M easured data of compound sod ium based b en ton ite slurry in

23、the d iaphragm w all con struc tion inNan jing and Shan ghai rail transportat ion engineering工程上海 M 7線長壽路車站上海 M 13線隆德路車站上海 M 7線耀華路車站上海 M 10線虹橋機(jī)場站上海 M 7線長清路車站上海 M 7線常熟路車站上海 M 11線曹楊路車站上海青草沙原水工程南京地鐵元通站工程濾失量( 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

24、 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%57%54%PH 值888998998成槽深度(m)4547423842524560483. 1 工程概略本工程處于 2 層土, 即灰色砂質(zhì)粉土夾粉質(zhì)粘土層。該地層層埋深較淺, 位于 - 3 m - 10 m,導(dǎo)墻下緣即為此砂質(zhì)粉土層; 土層內(nèi)含水飽和度極高, 達(dá) 97% 100% ; 地層內(nèi)聚力 c值小, 僅為 810 kP a。由于埋深過淺、飽和含水、粉土顆粒間內(nèi)聚力小, 2 層土的流動(dòng)性極強(qiáng), 在成槽

25、過程中不穩(wěn)定, 易發(fā)生塌孔情況。同時(shí), 地下延續(xù)墻在部分穿越 # 2 層為砂質(zhì)粉土層和粉砂地層。工程初始采用的是傳統(tǒng)鈣基膨潤土漿液。在運(yùn)用過程中發(fā)現(xiàn), 該泥漿抵抗有害離子才干較差,出現(xiàn)較多的絮凝狀物質(zhì), 在成槽過程中, 泥漿漏失量較大, 護(hù)壁才干下降, 多處出現(xiàn)塌孔景象。為確保槽孔穩(wěn)定性, 保證施工質(zhì)量, 在后續(xù)施工中采用復(fù)合鈉基膨潤土泥漿, 獲得了很好的效果。3. 2 復(fù)合鈉基膨潤土泥漿的設(shè)計(jì)泥漿配比初步設(shè)計(jì)為: 每立方泥漿參與 40 kg 45 kg復(fù)合鈉基膨潤土、18 kg重晶粉, 淡水配漿。泥漿設(shè)計(jì)粘度為: 馬氏漏斗粘度 50 s以上, 小漏斗粘度 60 s以上, 泥漿濾失量 14 m l以下 ( AP I測試方法 )。 泥漿循 環(huán)回收 過程中 運(yùn)用 振動(dòng) 篩、漩流器, 設(shè)計(jì)泥漿回收率 70% 。調(diào)整漿設(shè)計(jì)配置: 按照 30% 的新漿廢棄率, 重340 45 kg鈉基膨潤 土, 0. 5公斤 純堿。然后將此高粘度泥漿沖入回收漿中, 確保前 2箱泥漿粘度控制在 45 s 50 s, 其他泥漿粘度 30 s 35 s。按設(shè)計(jì)配比試配 后, 泥漿粘 度到達(dá)馬 氏漏斗70 s左右。經(jīng)過技術(shù)人員討論, 確定適當(dāng)降低膨潤土加量。根據(jù)分段地層情況的不同, 采用不同的泥