复合钠基膨润土护壁机理及工程应用

1、.：.；第 6卷第 4期地下空间与工程学 报V o.l 62021年 8月Chinese Journal o fU nderground Space and Eng ineeringA ug. 2021复合钠基膨润土泥浆护壁机理及其工程运用*杨勇(上海隧道工程股份, 上海200233)摘要: 对复合钠基膨润土泥浆的护壁机理进展论述, 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域轨道交通施工地下延续墙工程中运用的相关阅历, 结合一工程实例对复合钠基膨润土泥浆的实践运用效果及相对传统钙基膨润土泥浆的优势进展简单介绍, 并对该泥浆在实践运用中的推行提出几点指点性的建议。关键词: 地下延续

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 ( 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年意大利开场在水库大坝中采用地下延续墙至今, 这一技术已获得了突飞猛进的开展。现今, 在建筑空间极其狭小的城市中, 地下延续墙在基坑工程及地下构造物的施作中起着不可替代的作用。地下延续墙成槽稳定性是地下延续墙施工质量的重要保证, 而用于沟槽护壁的泥浆那么是维系地下延续墙成槽稳定的血液。目前国内运用的地下墙护壁泥浆

6、多为普通钙基膨润土泥浆, 该泥浆在实际运用中的损耗较大, 且其成分中缺乏有如抑制槽壁壁面土层坍塌的、利于发掘土悬浮并抑制其分散的、防止浆液受污染而破坏分子构造的等不同类型不同作用的复合资料, 不利于回收泥浆的分别处置和固化废弃以满足周边环境维护要求的。此外, 随着我国轨道交通的蓬勃开展, 地下延续墙施工技术在未来的运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曾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运用刻不容缓。2 泥浆护壁机理2. 1 槽壁失稳方式*收稿日期: 2021 01 11 (修正稿 )史世雍 1经过对大

7、量文献 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讨。 E ma i:l yangyong75 126. com2021年第 4期杨勇: 复合钠基膨润土泥浆护壁机理及其工程运用839续墙槽壁失稳的方式归纳为如下两类:2. 1. 1 整体失稳在地下延续墙施工过程中, 导墙正下方土体可能出现鼓出景象, 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方式, 如图 1所示;2. 1. 2 部分失稳在泥皮构成前, 新颖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

8、止土体颗粒的挪动和流失( 3)膨润土泥浆构成的泥膜效应( 4)浸透入土体的泥浆的胶凝作用( 5)由泥浆浸透产生的电渗力( 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浸透产生的浸透力来维持的。当渗张厚 美 4 5( 2001 ) , 徐 伟 6透力无法与槽壁土压力平衡时, 部分失稳发生, 如( 2003) , 王轩 7( 2006) 等人在研讨地下延续墙槽图 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要素,s 越大, 槽壁整体稳定平安系数越高, 槽壁也越稳定。姜朋明 8那么指出, 槽壁 的稳定性主 要由三部分构成:( 1)泥浆对于

9、侧向应力的置换作用, 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要素构成;( 2)瞬时侧向卸荷引起负超孔隙水压力而造成反向吸力添加的侧壁稳定性;图 1 整体失稳表示图 (史世雍, 2006)F ig. 1 G lobal failure of d iaphragm wa ll( Sh i Shiyong, 2006)图 2 部分失稳表示图 (史世雍, 2006)F ig. 2 L oca l fa ilure of d iaphragm wa ll( Sh i Shiyong, 2006)整体失稳和部分失稳对于成槽的稳定性和地下延续墙的施工质量均有艰苦影响。而地下延续墙

10、开挖稳定性的影响要素那么, 包括泥浆性质、地基土质条件、开挖槽段的 外形以及施工 机械和工艺 2定性和控制施工质量的最重要要素之一。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 , 现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, 槽壁的长期稳定性那么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添加的。 9泥浆向槽壁土体的渗入有关。抗槽壁塌落的部分稳定平安系数可定义为由入渗方向 (即程度向 ) 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分量的比值。国内外研讨成果阐明,

11、泥浆密度高低决议着槽壁整体稳定性, 而且泥浆的浸透作用那么对槽壁土体的部分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

12、 ( Si3. 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。上海隧道工程股份在实践工程运用中对美( 2000 ) , P avolF ilz 等的研讨阐明槽壁 的部分稳 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 l( 2000 ) , P avolF ilz 等的研讨阐明槽壁 的部分稳 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 il

13、z 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卷国捷高公司消费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延续墙沟槽稳定统钙基膨润土泥浆的特性进展了比较 12, 结果如性的作用主要表达在以下几个方面: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3

14、50 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. 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, 有强大的吸水才干, 能在水中高度分散搭接成网络结构, 并使更多的自在水 转变为网

15、络结 构中的束缚水, 从而构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, 泥浆构造稳定, 可有效悬浮钻屑, 支撑槽壁, 而一旦对其进展充分扰动,其流动性又变的非常好, 可随便泵送, 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构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, 在一样配比条件下, 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添加这一差别更为明显, 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

16、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,加强泥浆悬浮土渣才干, 提高泥浆重度表 1的结果阐明, 在一样配比条件下, 无论是瞬时还是长期胶凝强度, 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添加, 这一差别更为明显, 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 胶凝强度那么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 土水化膨胀表示

17、图F ig. 4 H ydration expans ion o f com poundsod ium based benton ite slurry andca lc ium based benton ite slurry的链条形高分子聚合物在水中构成具有网状交联构造的胶体溶液, 这种胶体系统分散度很高, 外表积大, 吸附作用更为显著。复合钠基膨润土泥浆,其膨润土加量比普通市场上的加量要小, 在水中的分散性较好, 胶体率到达 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才干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

18、, 其维护槽壁土体稳定性的才干也由此得到了加强。( 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构成泥膜。复合钠基膨润土泥浆中的聚合物分子能在槽壁的外表吸附胶结泥浆中的膨润土颗粒及悬浮颗粒, 共同构成泥膜。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, 防塌性能加强。这一点对于砂土地层, 效果尤为明显。图 7和图 8分别为砂性土土层运用复合钠基膨润土泥浆和钙基膨润土泥浆2021年第 4期杨勇: 复合钠基膨润土泥浆护壁机理及其工程运用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

19、 latesw ith macrom o lecu lar po lym er地下延续墙槽壁外表土体在显微镜下的察看图像。对比图 7和图 8, 可以发现运用复合钠基膨润土泥浆的地下延续墙槽壁土体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浸透滤失、使泥浆压力能有效均匀地作用于槽壁, 极大地加强了复合钠基膨润土泥浆维护槽壁的稳定性的才干。图 8 钙基膨润土泥浆与槽壁土体构成的泥膜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)改良槽壁土体: 如 ( 2)所述, 在到达一样重度要求的情况下, 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泥浆悬浮沉渣的才干。而泥浆中悬浮颗粒的添加那么为泥浆向槽壁土体的浸透发明了条件, 使得更多的悬浮颗粒可以随着泥浆的浸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浸透能改善土体的微观构造, 减少土体中的散体构造, 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

21、土泥浆流变性能好, 与槽壁土体构成的胶凝体强度高, 构造致密。因此新型钠基膨润土泥浆可以起到改善槽壁土体微观构造, 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 泥膜构成表示图F ig. 6 F orm ation of filter cake下延续墙沟槽部分坍塌, 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率先引进了美国捷高公司消费的新型复合钠基膨润土泥浆, 并胜利运用于上海轨道交通地下延续墙施工并积累了一些新型钠基泥浆的施工运用阅历 12。表 2为近年来该泥浆在隧道股份参与的轨道交通工程中运用的实测性能目的。结合上海轨道交通

22、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构成的泥膜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新型复合钠基膨润土泥浆在地下延续墙施工中的运用进展详细阐明。842地下空间与工 程学报第 6卷表 2 上海、南京轨道交通地下延续墙施工中复合钠基膨润土泥浆实测目的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

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

25、过程中不稳定, 易发生塌孔情况。同时, 地下延续墙在部分穿越 # 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。在运用过程中发现, 该泥浆抵抗有害离子才干较差,出现较多的絮凝状物质, 在成槽过程中, 泥浆漏失量较大, 护壁才干下降, 多处出现塌孔景象。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, 获得了很好的效果。3. 2 复合钠基膨润土泥浆的设计泥浆配比初步设计为: 每立方泥浆参与 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 运用 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, 其他泥浆粘度 30 s 35 s。按设计配比试配 后, 泥浆粘 度到达马 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