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第6卷第4期地下空间与工程学报Vo.l62010年8月ChineseJournalofUndergroundSpaceandEngineeringAug.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)04-0838-07StabilitymaintainingMechanismofCompoundSodiumbasedBentoniteSlurryandItsApplicationinPracticalEngineeringYangYong(ShanghaiTunnelEngineeringConstructionCo.Ltd.,Shanghai200233,China)Abstract:Stabilitymaintainingmechanismofcompoundsodiumbasedbentoniteslurryisinterpreted.InreferencetotheexperienceofShanghaiTunnelEngineeringConstructionCo.Ltd.intheapplicationofcompoundsodiumbasedbentoniteslurryindiaphragmwallconstructionsofrailtransportationengineeringinandaroundShangha,itherealeffectofthisnewslurryanditssuperiorityovertraditionalCalciumbasedbentoniteslurryarebrieflyintroducedhererelatedtoapracticalproject.Severalguidingsuggestionsaregivenforthepropagationofthisnewtypeofslurryinfuturepractice.Keywords:diaphragmwal;lcompound;sodiumbased;bentonite;slurry;stabilitymaintainingmechanism1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:20100111(修改稿)史世雍[1]通过对大量文献的总结,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究。Emai:lyangyong75@126.com(2000),PavolFilz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GeorgeM.Filz等指出泥浆的护壁作用主要il2010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)Fig.1Globalfailureofdiaphragmwall(ShiShiyong,2006)图2局部失稳示意图(史世雍,2006)Fig.2Localfailureofdiaphragmwall(ShiShiyong,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CMC(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+/EC50%),其主要化学成分为:蒙脱石(Na+0.33(Al1.67Mg0.33)Si4O10(OH)2!nH2O)、贝得石Na+0.33Al2(Si3.67Al0.33)O10(OH)2!nH2O、绿脱石Na+0.33Fe3+2(S3.67A0.33)O10(OH)2!nH2O。上海隧道工程股份有限公司在实际工程应用中对美840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],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Table1Propertycomparisonbetweentraditionalcalciumbasedbentoniteslurryandcompoundsodiumbasedbentoniteslurry泥浆类型传统钙基膨润土泥浆复合钠基膨润土泥浆350g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10s10min1111141222.5477122247(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350g蒸馏水中膨润土含量为22.5g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350g蒸馏水膨润土掺量为22.5g时,复合钠基膨润土泥浆的10s胶凝强度约为传统钙基膨润土浆液的22倍,而10min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Fig.4Hydrationexpansionofcompoundsodiumbasedbentoniteslurryandcalciumbasedbentoniteslurry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Fig.5Thecombinationofbentoniteplateswithmacromolecularpolymer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Fig.8Filtercakeformedbytheinterplaybetweencalciumbasedbentoniteslurryandfacesoil(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