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      富水粉細(xì)砂地層中護(hù)壁泥漿材料配比的優(yōu)化

      2021-11-06 01:59:18胡新貴
      科學(xué)技術(shù)與工程 2021年29期
      關(guān)鍵詞:粉細(xì)砂護(hù)壁膨潤土

      胡新貴

      (中鐵十局集團(tuán)有限公司, 濟(jì)南 250101)

      地下連續(xù)墻(地連墻)是基坑圍護(hù)工程中普遍使用的圍護(hù)形式。在地連墻施工中,泥漿護(hù)壁成槽施工已經(jīng)成為最主要的成槽方式,泥漿質(zhì)量的優(yōu)劣是保證地連墻能否順利施工及成墻質(zhì)量的關(guān)鍵。地連墻護(hù)壁泥漿由膨潤土(或黏土)、增黏劑、純堿和水按一定比例混合而成。江浙滬等的地層具有砂含量多、地下水豐富等特點(diǎn),施工單位通常采取在泥漿中添加大量膨潤土和增黏劑等技術(shù)措施提高泥漿黏度,實(shí)現(xiàn)提升攜砂能力和阻止土層水交換的目標(biāo)。但是以上措施也會帶來不利影響,比如泥漿循環(huán)使用過程中廢漿率大、沉渣厚和循環(huán)泥漿性能衰減快,從而會嚴(yán)重影響地連墻的施工質(zhì)量。

      很多學(xué)者針對護(hù)壁泥漿的材料配比開展了系列研究。羅云峰[1]研究了護(hù)壁泥漿的功能與機(jī)理,結(jié)合上海中心大廈工程,分析了護(hù)壁泥漿的配比對性能指標(biāo)的影響。申毅[2]提出了水下旋挖鉆孔灌注樁化學(xué)泥漿護(hù)壁材料配比情況,結(jié)合現(xiàn)場使用情況,解決了清孔時間長的問題。孟仁帆等[3]通過試驗(yàn)探究鉆孔灌注樁沉渣厚度,優(yōu)化了泥漿護(hù)壁配比。還有一些學(xué)者依托實(shí)際工程,分析護(hù)壁泥漿配比情況。例如,龔振宇等[4]依托滇中引水龍泉倒虹吸盾構(gòu)接收井超深基坑工程;姜厚停等[5]依托北京地鐵16號線國家圖書館站明挖基坑工程;資曉魚等[6]依托昆明地鐵4號線火車北站基坑工程,分別研究了護(hù)壁泥漿不同材料配比下的性能,并給出配比建議。

      地下連續(xù)墻護(hù)壁泥漿的效果更多的是從成墻質(zhì)量角度去評價。因此很多學(xué)者聚焦地下連續(xù)墻成墻質(zhì)量與穩(wěn)定性的研究,黃茂松等[7]、夏元友等[8]、程習(xí)剛[9]結(jié)合工程實(shí)例提出了地下連續(xù)墻成墻質(zhì)量評價方法。王啟云等[10]考慮地層分層特性,提出了考慮復(fù)合土體抗剪強(qiáng)度的土體加固槽壁穩(wěn)定性計算方法。劉海卿等[11]根據(jù)深層地下連續(xù)墻槽壁穩(wěn)定性,給出了護(hù)壁泥漿的性能指標(biāo)。蔡兵華等[12]基于土拱效應(yīng),從地下連續(xù)墻穩(wěn)定性角度考慮,給出泥漿最小重度計算方法。孫聰?shù)萚13]提出了一種地下連續(xù)墻質(zhì)量的檢測方法。

      通過以上研究可知,很多學(xué)者聚焦在地下連續(xù)墻穩(wěn)定性評價方法與鉆孔灌注樁的護(hù)壁泥漿的研究。地下連續(xù)墻的護(hù)壁泥漿應(yīng)用比較廣泛,但是常規(guī)的地下連續(xù)墻護(hù)壁在富水粉細(xì)砂地層中存在攜砂能力弱、濾失率高、護(hù)壁泥漿使用次數(shù)偏低的情況,關(guān)于以上這方面的研究較少。現(xiàn)針對富水粉細(xì)砂地層中護(hù)壁泥漿材料,考慮護(hù)壁泥漿的濾失量、泥膜致密程度、攜砂能力,綜合評價護(hù)壁泥漿的循環(huán)次數(shù),進(jìn)而優(yōu)化現(xiàn)有護(hù)壁泥漿增黏組分、成膜粉體助劑和膨潤土等護(hù)壁泥漿原材料配比。通過以上研究,制備低固相情況下致密泥膜的護(hù)壁泥漿。旨在配制新護(hù)壁泥漿勻質(zhì)性好、濾失量低、泥膜致密和攜砂能力適中的工程用地下連續(xù)墻護(hù)壁泥漿,形成低固相地連墻護(hù)壁泥漿配制方法,為在富水粉細(xì)砂地層建造地下連續(xù)墻的高質(zhì)量、低風(fēng)險和文明施工提供有力技術(shù)保障。

      1 制漿料組分優(yōu)化研究

      地連墻護(hù)壁泥漿主要由水、成膜助劑、純堿、增黏組分和其他功能化組分組成。其中,增黏組分和功能化組分相對成膜助劑摻量較小(約為成膜助劑的1/40),但對泥漿的勻質(zhì)性、穩(wěn)定性、泥膜致密性和攜砂能力影響顯著,故將增黏組分和功能化組分作為優(yōu)化泥漿配比研究的主要對象。

      泥漿的成膜助劑采用鈉化且每噸添加5 kg膨化劑的膨潤土,增黏組分采用中黏型植物膠,泥膜致密組分采用聚磺酸酯(主要起橋聯(lián)作用)和PN-K顆粒(主要起填充泥膜空隙作用,80~100目和150~200目兩種粒徑按3∶4混合使用)。為分析植物膠、聚磺酸酯和PN-K顆粒對于泥漿性能的影響,設(shè)計了15組配比試驗(yàn);另外,嚴(yán)格按照建筑樁基技術(shù)規(guī)范[14]要求對泥漿的各項評價指標(biāo)進(jìn)行了測試,所得試驗(yàn)結(jié)果及試驗(yàn)基本配比如表1所示。

      由表1可知:當(dāng)膨潤土摻量為4 000 kg時,植物膠、聚磺酸酯和PN-K顆粒的摻量分別為10 kg、50 kg和2.5 kg,制備出的地連墻泥漿1d黏度為38.7 s、濾失量為13.0 mL、泥膜厚度為2.0 mm,泥漿的各方面性能均滿足研發(fā)設(shè)計要求。泥膜的致密性均優(yōu)于單摻PN-K和聚磺酸酯,說明PN-K和聚磺酸酯復(fù)合使用時,在降濾失量和減小泥膜厚度方面起到了協(xié)同作用,橋聯(lián)高分子聚合物聚磺酸酯有效的阻礙了相鄰區(qū)域內(nèi)膨潤土顆粒的移動,促使各膨潤土顆粒聯(lián)系及聯(lián)結(jié)更為緊密,同時有效地減小了顆粒間的空隙,從而需要較少的水溶性高分子PN-K顆粒即可密實(shí)填充泥膜內(nèi)部空隙。表1顯示出低摻量PN-K顆粒和聚磺酸酯即可發(fā)揮出較好的降濾失量特性。

      表1 制漿料組分配方優(yōu)選方案及試驗(yàn)結(jié)果

      為驗(yàn)證護(hù)壁泥漿在淤泥質(zhì)和細(xì)粉砂層復(fù)雜地質(zhì)條件下的循環(huán)利用情況,以循環(huán)利用后泥漿黏度、相對密度、含砂量和濾失量為評價指標(biāo),對比分析了試驗(yàn)編號分別為PF-4、PF-14和PF-15的護(hù)壁泥漿,以便觀察1、2和3倍制漿料摻量情況下泥漿的循環(huán)利用次數(shù)。試驗(yàn)過程如圖1所示,試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

      由圖2可知,以循環(huán)利用次數(shù)為主要評價標(biāo)準(zhǔn)時,試驗(yàn)組PF-4在淤泥質(zhì)和細(xì)粉砂層地質(zhì)條件下,體現(xiàn)出較明顯的循環(huán)利用優(yōu)勢,其循環(huán)利用5次后泥漿才因黏度超過50 s而判為廢漿,相同工況下PF-14和PF-15的循環(huán)利用次數(shù)分別為4次和3次,上述3種漿液配比均優(yōu)于市場常見地連墻泥漿(市場常見地連墻泥漿的循環(huán)利用次數(shù)為2~3次)。另外,圖2(b)和圖2(c)顯示,PF-4的泥漿相對密度和含砂量隨循環(huán)利用次數(shù)增多均緩慢上升,說明此時泥漿攜渣能力適中,特別是攜砂能力適中,對粉細(xì)砂中的極小顆粒吸附作用明顯,此特性保證了循環(huán)利用率的同時,可有效減少沉渣量。

      利用驗(yàn)證試驗(yàn)確定了低固相地連墻護(hù)壁泥漿制漿料基礎(chǔ)配方為植物膠10 kg、聚磺酸酯50 kg、PN-K顆粒2.5 kg,即植物膠∶聚磺酸酯∶PN-K顆?!昧蛩徜^粉=4∶20∶1(質(zhì)量比)。

      2 泥漿配比優(yōu)化研究

      以上研究確定了地連墻護(hù)壁泥漿制漿料的基礎(chǔ)配方,考慮到地連墻護(hù)壁泥漿主要由成膜助劑和制漿料兩大組分組成,基于現(xiàn)場的工程應(yīng)用實(shí)際情況,膨潤土和制漿料應(yīng)具備適宜的摻量區(qū)間。針對該問題開展相關(guān)試驗(yàn)研究,依據(jù)實(shí)際工程中地連墻新拌泥漿相對密度通常要求為1.02~1.10的經(jīng)驗(yàn),試驗(yàn)中設(shè)計膨潤土摻量的質(zhì)量在100 m3的泥漿中分別為2 000、4 000和8 000 kg,試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。另外,考慮到泥漿在實(shí)際應(yīng)用中將承受不同的壓力,在室內(nèi)同時開展了泥漿在不同壓力情況下所形成泥膜的致密性對比試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

      圖1 試驗(yàn)測試過程Fig.1 Experimental process

      圖2 試驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Experimental results

      表2 膨潤土和制漿料摻量變化對泥漿性能的影響Table 2 The influence of bentonite and slurry content change on slurry performance

      圖3 不同壓強(qiáng)下泥漿泥膜情況Fig.3 Slurry film conditions under different pressures

      針對粉細(xì)砂及淤泥層地質(zhì),通常要求泥漿性能指標(biāo)為:相對密度1.03左右,黏度25~50 s,濾失量≤20.0 mL,泥膜厚度≤3 mm。根據(jù)表2試驗(yàn)結(jié)果,為保證地連墻泥漿在粉細(xì)砂層具有較大的循環(huán)使用次數(shù),配制參數(shù)最終確定為:膨潤土4 000 kg,制漿料130 kg,純堿120 kg。

      由于研制的低固相地連墻護(hù)壁泥漿制備料形態(tài)及分散特性同傳統(tǒng)護(hù)壁泥漿相似,故制備工藝借鑒常用工藝。具體工藝為:水中加入膨潤土高速攪拌1~2 min,再加入純堿及制漿料持續(xù)攪拌5 min,將泥漿抽入泥漿儲備池靜置發(fā)酵(期間可間隔3~6 h利用空壓機(jī)鼓氣勻攪拌1次)24 h,使用前再次利用空壓機(jī)鼓氣攪拌10 min,保證發(fā)酵后的泥漿體系均勻一致。

      3 工程應(yīng)用

      低固相地連墻護(hù)壁泥漿主要適用于淤泥及粉細(xì)砂地質(zhì),為了驗(yàn)證研制的護(hù)壁泥漿在實(shí)際工程中的使用效果,該泥漿在蘇州地鐵地連墻的施工中進(jìn)行了應(yīng)用驗(yàn)證。

      3.1 工程概況

      蘇州地鐵8號線八標(biāo)段右岸站為地下兩層島式車站。車站外包長度305 m,標(biāo)準(zhǔn)段寬度20.7 m,站臺寬度12 m,采用兩層雙跨框架結(jié)構(gòu)。右岸街站圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用800 mm厚地下連續(xù)墻,地連墻深度為30.9~34.3 m,插入比為0.8。地下連續(xù)墻采用工字鋼接頭,采用C35P6水下混凝土澆筑,鋼筋保護(hù)層厚度70 mm。

      右岸街站地連墻自上而下地層為雜填土、素填土、黏土、黏質(zhì)粉土、粉砂、粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土夾淤泥、粉質(zhì)黏土,主要穿越地層為粉砂層。

      3.2 現(xiàn)場試拌試驗(yàn)

      2020年8月中下旬在右岸街站施工現(xiàn)場進(jìn)行了3次低固相護(hù)壁泥漿試配制試驗(yàn),每次試配100 m3,并于1 d后進(jìn)行性能測試,制備泥漿配比和性能如表3所示。

      表3數(shù)據(jù)顯示,配比SP1、SP2和SP3泥漿靜置1 d后未分層,勻質(zhì)性較好。SP2和SP3泥漿性能滿足淤泥層及粉細(xì)砂層用地連墻護(hù)壁泥漿的性能要求,從經(jīng)濟(jì)性角度選擇SP3配比用于現(xiàn)場地連墻施工,制得護(hù)壁泥漿的泥膜和靜置穩(wěn)定性如圖4所示。

      表3 試配制試驗(yàn)的泥漿配比及對應(yīng)的性能

      圖4 試配制試驗(yàn)?zāi)酀{靜置情況Fig.4 Static state of test slurry

      3.3 現(xiàn)場應(yīng)用效果

      右岸街站采用SP3配比進(jìn)行地連墻護(hù)壁施工,在完成的62幅地連墻中涵蓋首開、閉合和異形幅,連續(xù)對其中5幅地連墻的施工和應(yīng)用效果進(jìn)行跟蹤,各項指標(biāo)數(shù)據(jù)如表4和表5所示。

      表4數(shù)據(jù)表明,低固相泥漿在循環(huán)利用過程中在循環(huán)利用和護(hù)壁方面優(yōu)勢明顯,主要表現(xiàn)為:泥漿相對密度和含砂量上升緩慢,泥漿攜砂能力適中。經(jīng)過5次循環(huán)(每次入槽前添加15%新漿)泥漿的相對密度和含砂量僅為1.15%和3.5%,5次循環(huán)后泥漿的濾失量仍未超過15.0 mL,泥漿攜砂能力適合粉細(xì)砂地層地連墻護(hù)壁施工。由表5可知,二次清孔后槽深25 m處的泥漿相對密度和含砂量均滿足泥漿性能設(shè)計要求。

      圖5為連續(xù)施工的地連墻成槽后超聲檢測結(jié)果,圖6為施工后基坑開挖暴露出的地連墻墻面,其中,鋼管內(nèi)支撐直徑為609 mm。由圖5可知,地連墻基槽在施工過程中無明顯塌孔和縮孔現(xiàn)象,說明配制的低固相地連墻護(hù)壁泥漿適用于粉細(xì)砂地質(zhì),有助于提升粉細(xì)砂地質(zhì)地連墻成槽質(zhì)量。

      在右岸街站所有地下連續(xù)墻的施工中,采用傳統(tǒng)護(hù)壁泥漿和低固相護(hù)壁泥漿施工地連墻數(shù)分別為36幅和62幅,應(yīng)用效果對比情況列于表6。

      由表6可知,在粉細(xì)砂地質(zhì)應(yīng)用低固相護(hù)壁泥漿,相較于傳統(tǒng)泥漿,呈現(xiàn)出以下技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保和質(zhì)量優(yōu)勢:

      (1)廢漿率由33%降低至16%,增加了地連墻泥漿循環(huán)使用次數(shù),極大地降低了廢棄泥漿產(chǎn)生量,展現(xiàn)出極好的環(huán)保性。

      (2)二次清孔時間大大縮短,有助于提升地連墻施工效率。

      (3)沉渣厚度由110 mm縮小為40 mm,平均超灌率由負(fù)值-1.1%提升為正值1.4%,避免了地連墻基槽縮孔和坍塌等質(zhì)量問題,明顯提升了地連墻施工質(zhì)量。

      表5 二次清孔后槽深25 m處泥漿性能Table 5 Slurry performance at 25 m depth after secondary hole cleaning

      表6 應(yīng)用效果對比Table 6 Application effect comparison

      表4 右岸街5幅連續(xù)施工地連墻情況統(tǒng)計Table 4 Statistics of 5 continuous construction diaphragm walls in right bank street

      圖5 連續(xù)成槽地連墻的成孔質(zhì)量超聲檢測結(jié)果Fig.5 Ultrasonic testing results of pore-forming quality of continuous slotted diaphragm wall

      圖6 開挖后地連墻墻面情況Fig.6 Surface condition of diaphragm wall after excavation

      4 結(jié)論

      江浙滬地區(qū)為典型的淤泥、粉細(xì)砂層地質(zhì),地下水豐富。地連墻施工時,傳統(tǒng)護(hù)壁泥漿因攜砂能力過剩,給實(shí)際工程的施工帶來廢漿率大、沉渣厚和成墻質(zhì)量差等問題。針對以上問題,在傳統(tǒng)護(hù)壁泥漿配比的情況下,開展室內(nèi)優(yōu)化試驗(yàn)研究了護(hù)壁泥漿材料配比,研究結(jié)果在蘇州地鐵8號線八標(biāo)段右岸站地連墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工中得到驗(yàn)證。研究結(jié)論具體如下。

      (1)針對地下水豐富的粉細(xì)砂層地質(zhì),得到最優(yōu)護(hù)壁泥漿制漿料組分配比,植物膠、聚磺酸酯、PN-K顆粒質(zhì)量比為4∶20∶1,以該配比制備的護(hù)壁泥漿可循環(huán)使用5次。

      (2)確定了地連墻護(hù)壁泥漿的配制參數(shù)為:100 m3的泥漿中,膨潤土4 000 kg,制漿料130 kg,純堿120 kg,該護(hù)壁泥漿力學(xué)性能良好,在壓強(qiáng)0.21 MPa與0.69 MPa情況下,形成的泥膜致密。

      (3)現(xiàn)場應(yīng)用效果好,優(yōu)化后的護(hù)壁泥漿相對密度和含砂量均滿足施工設(shè)計要求。廢漿率由33%降低至16%,提高了循環(huán)使用次數(shù),縮短二次清孔時間;沉渣厚度由110 mm縮小為40 mm,平均超灌率由-1.1%提升為1.4%,地連墻基槽未見明顯塌孔和縮孔現(xiàn)象。

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