泥漿壓濾處理技術(shù)理論分析及試驗(yàn)研究

樓春暉，張忠苗，房 凱

（浙江大學(xué) 巖土工程研究所，杭州310058）

泥漿在鉆孔灌注樁施工過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用，被稱之為鉆孔樁的“血液”。但是多余的泥漿以及廢棄泥漿的處理始終是困擾鉆孔樁施工的重要難題。近年來(lái)，隨著城市建設(shè)對(duì)環(huán)境的要求越來(lái)越高，產(chǎn)生了各種不同的泥漿處理方式［1－5］，壓濾技術(shù)作為一種新型的處理方式已被應(yīng)用于廢棄泥漿處理當(dāng)中，并取得了很好的處理效果［6］。

壓濾處理是一種固液分離方式，這種固液分離方式現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于選礦、冶金、化工、環(huán)保等部門，成功實(shí)現(xiàn)了各種污水、礦渣、鉆井泥漿等的處理［7－10］。目前關(guān)于壓濾技術(shù)的研究較少，李慶斌等人通過(guò)固結(jié)理論得出了濾餅內(nèi)局部液壓在過(guò)濾壓密期間的分布規(guī)律［11］，但是沒有給出壓濾壓力、壓濾時(shí)間等參數(shù)的關(guān)系。Bolton和McKinley通過(guò)水泥漿的壓濾固結(jié)試驗(yàn)對(duì)壓濾技術(shù)中的各項(xiàng)參數(shù)的關(guān)系作出了初步的分析總結(jié)［12］，為泥漿的壓濾作出了很好的參考。由于在壓濾技術(shù)方面的理論研究的不足，在其運(yùn)用過(guò)程中仍然存在很多問題亟待解決，本文將通過(guò)模型分析對(duì)壓濾時(shí)間、壓濾壓力等參數(shù)的選取提供一定的依據(jù)。

1 壓濾機(jī)工作原理

壓濾機(jī)固液分離的基本原理是：混合液流經(jīng)過(guò)濾介質(zhì)（濾布），固體停留在濾布上，并逐漸在濾布上堆積形成過(guò)濾泥餅。而濾液部分則滲透過(guò)濾布，成為不含固體的清液。隨著過(guò)濾過(guò)程的進(jìn)行，濾餅過(guò)濾開始，泥餅厚度逐漸增加，過(guò)濾阻力加大。過(guò)濾時(shí)間越長(zhǎng)，分離效率越高［6］。

在壓濾過(guò)程中，壓濾壓力、壓濾時(shí)間等參數(shù)的選擇對(duì)壓濾的效果有著直接且重要的影響［13－14］。通過(guò)本文的試驗(yàn)以及理論模型對(duì)壓濾機(jī)理進(jìn)行研究，可以為鉆孔樁泥漿壓濾中參數(shù)的選擇提供一定的依據(jù)。

2 壓濾計(jì)算模型與假定

為了探究泥漿在壓濾機(jī)內(nèi)受壓排水的具體過(guò)程以及與壓濾結(jié)果有關(guān)的各項(xiàng)參數(shù)之間的關(guān)系，本文對(duì)壓濾機(jī)內(nèi)部進(jìn)行了簡(jiǎn)化模擬，建立了壓濾計(jì)算模型，如圖1所示，泥漿在壓力作用下進(jìn)行一維壓縮，上部為不透水活塞，下部為過(guò)濾介質(zhì)，允許水分自由排出。

圖1 泥漿壓濾計(jì)算模型

該理論模型的基本假定如下：

1）泥漿是均質(zhì)的，由土顆粒和水構(gòu)成的懸濁液。

2）泥漿中的土顆粒是不可壓縮的。

3）泥漿的壓縮和泥漿中水的滲流只沿豎向發(fā)生，是單向一維的。

4）泥漿中水的滲流服從達(dá)西定律。

5）外荷載是一次瞬時(shí)施加的。

6）在壓濾過(guò)程中，壁效應(yīng)作用所引起的濾餅不均勻堆積部分可忽略。

對(duì)于壓濾的過(guò)程，本文假定其分為2個(gè)階段，第1階段為泥漿中多余水分的排出，第2階段在壓力作用下，泥漿孔隙比進(jìn)一步減小。

第1階段如圖2所示，設(shè)此階段濾餅的厚度為L(zhǎng)c，濾餅內(nèi)孔隙比由上至下呈線性變化，頂部孔隙比為eg，底部為ec（將第1階段濾餅稱作半濾餅），上層部分則為孔隙比為eg的均質(zhì)泥漿層，隨著壓濾的進(jìn)行，上層泥漿逐漸減少，半濾餅厚度逐漸增加，當(dāng)泥漿通過(guò)壓濾均成為半濾餅后（即泥漿受壓達(dá)到孔隙比均小于eg的臨界狀態(tài)時(shí)），壓濾第1階段結(jié)束。

第2階段壓濾基本原理與第1階段相同，如圖3所示，但第2階段時(shí)假定最終濾餅為滲透系數(shù)為kc，孔隙比為ec的統(tǒng)一均勻?qū)?，上層部分為孔隙比為（eg－ec）／2的半濾餅層，當(dāng)半濾餅全部成為最終濾餅后壓濾完全結(jié)束，df為最終濾餅厚度。

圖2 壓濾第1階段示意圖

圖3 壓濾第2階段示意圖

3 壓濾公式推導(dǎo)

第一階段時(shí)，活塞位移

式中：ec為濾餅的孔隙比；eg為水泥漿的孔隙比；Lc為固結(jié)測(cè)試的濾餅厚度。

由于假定半濾餅孔隙比線性變化（如圖4），則距離液面x處的孔隙比為：

大量實(shí)驗(yàn)得出滲透系數(shù)與孔隙比存在對(duì)數(shù)關(guān)系，據(jù)研究［15］得此對(duì)數(shù)關(guān)系可用式（3）表示。

則由式（2）、（3）得：

圖4 壓濾第1階段孔隙比假定示意圖

式中kc為濾餅滲透系數(shù)

由垂直滲流等效滲透系數(shù)公式得濾餅處

當(dāng)?shù)?階段結(jié)束時(shí)，Lc＝df1。

由達(dá)西定律關(guān)聯(lián)沉降量與壓出的水分得出第1階段壓濾時(shí)間

式中γw為水的容重。

而第1階段結(jié)束時(shí)的濾餅厚度

第2階段活塞位移

圖5 壓濾第2階段孔隙比假定示意圖

根據(jù)第2階段假定（如圖5），同理由達(dá)西定律得出第2階段壓濾時(shí)間

綜合式（5）、（6）、（7）、（9）得出總壓濾時(shí)間

4 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文建立的理論模型與公式的正確性，引用Bolton和McKinley對(duì)水泥漿的壓濾試驗(yàn)數(shù)據(jù)［12］。其試驗(yàn)為水泥漿的單向壓濾試驗(yàn)，采用單面排水模型（實(shí)驗(yàn)水泥漿的ds為2.71），可見建立的模型與壓濾公式即公式（10）仍然適用于此試驗(yàn)，具體數(shù)據(jù)見表1。其中ck的取值是由其試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)公式（3）反推得到的平均值，ck＝1.2。

表1 水泥漿壓濾試驗(yàn)數(shù)據(jù)

此試驗(yàn)數(shù)據(jù)中的wc在0.30至0.46之間，取平均值0.41，kc在0.43至1.47×10－6m／s之間，取平均值0.72×10－6m／s，然后將數(shù)據(jù)代入本文的壓濾公式（式（10））后，得出預(yù)測(cè)的壓濾時(shí)間tf，然后與實(shí)測(cè)tf進(jìn)行比較得出結(jié)果如圖6所示。

由圖6可見，試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)大部分落在1∶1線附近，但在壓濾時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，預(yù)測(cè)結(jié)果普遍小于實(shí)測(cè)結(jié)果。從理論上分析，隨著時(shí)間的增加，濾餅的孔隙比逐漸減小，由于泥漿實(shí)際狀態(tài)與假設(shè)的橫觀均一穩(wěn)定有一定差別，在小型試驗(yàn)的情況下，泥漿中的凝塊、少量雜質(zhì)以及壁效應(yīng)對(duì)滲流的影響累加增大，導(dǎo)致實(shí)際壓濾速度無(wú)法達(dá)到在假定下的理論速度，測(cè)試時(shí)間越長(zhǎng)，其影響越顯著，故造成了如上結(jié)果的差異。若當(dāng)試驗(yàn)設(shè)備尺寸以及濾過(guò)壓能增大到接近于實(shí)際工程機(jī)械時(shí)，壓濾時(shí)間會(huì)進(jìn)一步縮短，且其他因素的影響也會(huì)減小，使得結(jié)果更為接近實(shí)際。可見所建立的模型能夠?qū)簽V進(jìn)行較好的模擬。

圖6 預(yù)測(cè)壓濾時(shí)間與實(shí)測(cè)壓濾時(shí)間比較圖

5 參數(shù)分析

為了研究影響壓濾過(guò)程的一些因素，本文選取了壓濾公式中的幾個(gè)重要參數(shù)進(jìn)行了參數(shù)分析。圖7給出了壓濾壓力與壓濾時(shí)間的關(guān)系圖，由圖7可見，壓濾時(shí)間隨壓濾壓力的增大而減小，但減小的幅度逐漸降低。從原理分析，當(dāng)壓濾壓力增大，泥漿排水速度增加，孔隙比降低速度加快，故壓濾時(shí)間減?。煌瑫r(shí)當(dāng)壓濾壓力增大時(shí)，孔隙比減小到最終濾餅的孔隙比的時(shí)間越來(lái)越短，故壓濾時(shí)間減小的幅度也會(huì)隨之降低。因此，增加壓力有利于壓濾的快速完成，但當(dāng)壓力超過(guò)一定值以后，對(duì)壓濾時(shí)間的影響很小。

圖8給出了不同ck取值時(shí)，壓濾壓力對(duì)最終泥餅滲透系數(shù)的影響。由圖可見，ck越大，在相同壓力下最終泥餅達(dá)到的滲透系數(shù)越大；壓濾壓力越大，最終泥餅的滲透系數(shù)越小，說(shuō)明壓力越大，最終壓濾效果越好。

圖7 壓濾壓力和壓濾時(shí)間關(guān)系圖

圖8 不同ck取值下滲透系數(shù)關(guān)于壓濾壓力的曲線

6 壓濾試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模型的實(shí)用性，本文對(duì)泥漿進(jìn)行了室內(nèi)壓濾試驗(yàn)，試驗(yàn)配置泥漿所使用的土樣來(lái)自于杭州地區(qū)，屬于粘質(zhì)粉土，試驗(yàn)所用的土顆粒經(jīng)測(cè)定得到顆粒級(jí)配曲線如圖9所示。

圖9 試驗(yàn)土的標(biāo)準(zhǔn)顆粒級(jí)配曲線

壓濾試驗(yàn)所配置泥漿的初始含水率在0.66－0.83之間，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)得到關(guān)系式中ck以及kc的取值（其中ck為3.0，kc值見表2）。試驗(yàn)過(guò)程中濾過(guò)壓在21.51～65.53kPa之間，具體數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 室內(nèi)壓濾試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表2數(shù)據(jù)可見，在給定壓濾時(shí)間情況下，由公式推算得到的濾餅孔隙比與實(shí)測(cè)值之間較接近，進(jìn)一步驗(yàn)證了公式的實(shí)用性。

對(duì)于實(shí)際工程所關(guān)心的壓濾壓力、壓濾時(shí)間以及壓濾效果之間的關(guān)系可以通過(guò)本文的模型很好的給出。本文的研究對(duì)泥漿壓濾技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展應(yīng)用提供了依據(jù)。

7 結(jié) 論

1）通過(guò)研究壓濾機(jī)原理，建立了合理的計(jì)算模型，推導(dǎo)出了壓濾時(shí)間、壓濾壓力等重要參數(shù)之間的關(guān)系式。

2）通過(guò)水泥漿的壓濾試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了本文壓濾公式的合理性。

3）通過(guò)對(duì)公式中的參數(shù)以及變量的分析，可以看出在同等條件下，增加壓力有利于壓濾的快速完成，但當(dāng)壓力超過(guò)一定值以后，對(duì)壓濾時(shí)間的影響很小。同時(shí)壓濾壓力越大，最終泥餅的滲透系數(shù)越小，說(shuō)明壓力越大，最終壓濾效果越好。

4）通過(guò)室內(nèi)泥漿壓濾試驗(yàn)得出在給定壓濾時(shí)間情況下，可以由公式推算得到較為準(zhǔn)確的濾餅孔隙比，驗(yàn)證了公式在實(shí)際工程中的實(shí)用性。

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