頂管施工過程中膨潤土潤滑作用試驗研究

郭 偉 謝 昊 武仁杰 周博文

（1.中鐵七局集團第五工程有限公司，鄭州 河南 450016；2.鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院，鄭州 河南 450001）

膨潤土的主要成份是蒙脫土（一種層狀結(jié)構(gòu)的結(jié)晶氫化硅酸鋁），具有吸濕膨脹性、低滲性、高吸附性及良好的自封閉性能。 膨潤土觸變泥漿是目前頂管施工過程中應(yīng)用最多的潤滑劑， 當配比得當并且保證足夠的穩(wěn)定厚度時，能在土（軟黏土、一般性黏土、粉沙和細砂、沙礫甚至卵礫石）中起支撐、潤滑和防噴涌作用，并能對頂管起懸浮作用[1-2]。 當以不同的比例將膨潤土觸變泥漿和實際粘土調(diào)配成漿土混合物時， 混凝土面板與漿土混合物的摩擦系數(shù)也不相同。 對膨潤土配比的研究是工程建設(shè)中的重要內(nèi)容。

1 混凝土與泥漿之間摩擦試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計

頂管頂進摩阻力主要有3 部分： 工具套外壁在無泥漿套情況下的摩阻力、 頂管兩側(cè)及頂部的摩阻力以及頂管底部的摩阻力[3]。 當采用原型材料進行試驗時，只考慮漿液對頂管壁的面力作用， 頂管底面的應(yīng)力也是作為面力作用在頂管上。 因此， 模擬試驗實際上是結(jié)構(gòu)模擬試驗，模型的摩擦系數(shù)與原型相應(yīng)的摩擦系數(shù)相同。 也就是說，原型與模型摩擦系數(shù)的換算關(guān)系為：側(cè)面摩擦系數(shù)，f原=f模；底面摩擦系數(shù)，μ原=μ模[4]。

1.1 試驗?zāi)Ｐ?/h3>

將不同注漿壓力下漿土混合物與混凝土柱之間的摩擦作為主要控制條件， 考慮到原型頂管與泥漿套間有一定間距， 模型中將混凝土柱與試驗箱地板間距取為10cm。 試驗?zāi)Ｐ透髦饕O(shè)計尺寸如下： 試驗箱凈尺寸為400mm（寬）×500mm（高）×500mm（長），混凝土柱模型為200mm×200mm×1200mm。 用千斤頂頂進混凝土柱， 千斤頂反力后座與試驗箱間用鋼柱連接。 試驗?zāi)Ｐ偷氖疽鈭D如圖1 所示。

圖1 試驗?zāi)Ｐ褪疽鈭D

1.2 相似材料

模擬試驗的對像為頂管的一段，用混凝土柱來模擬。模型土層材料與現(xiàn)場相同， 由現(xiàn)場4 層土的土樣重塑而成（確保物理力學(xué)性質(zhì)與原狀土的物理力學(xué)性質(zhì)符合相似條件）。 將制成的不同配比的膨潤土觸變泥漿與重塑土再以不同比例混合，制成試驗使用的漿土混合物。

1.3 注漿壓力的模擬

注漿土壓力的模擬可以通過在試驗箱頂板中央對稱布設(shè)4 個千斤頂對稱施壓來實現(xiàn)。

2 試驗設(shè)備的設(shè)計

2.1 加載系統(tǒng)和設(shè)備

下面對試驗中可能出現(xiàn)對摩阻力最不利的情況進行模擬。

2.1.1 混凝土柱兩側(cè)及頂?shù)撞康哪ψ枇Γ?/p>

式中，A 為兩側(cè)及頂?shù)撞康拿娣e（cm2）；f 為摩阻面集度（T/m2），估取2.0T/m2（預(yù)留一定的安全儲備）。

2.1.2 混凝土柱與試驗箱接口處的摩阻力：

2.1.3 設(shè)計總推力：

根據(jù)計算結(jié)果，同時考慮到上覆壓力加大時，所需推力也要增大，頂推設(shè)備選用1 個5T 的液壓千斤頂（置于混凝土柱后端）。

頂部采用4 個量程為10T 的千斤頂施加頂部壓力來模擬不同的注漿壓力[5]。

2.2 測試系統(tǒng)

采用油壓表（橫向推力一個，豎向壓力合為一個）來測量千斤頂?shù)捻斄?，進而通過換算得到摩擦系數(shù)。

3 試驗內(nèi)容

3.1 漿液配比

在空箱狀態(tài)下頂進混凝土柱， 記錄千斤頂在一次推進加載過程中出現(xiàn)的最大推力及混凝土滑動后的穩(wěn)定推力。 在不同的注漿壓力下模擬實際工程的膨潤土泥漿進行注漿，500mm 的頂進距離可以讀取20 組數(shù)據(jù)。 控制試驗條件為：加壓且不排水。 本試驗配制的膨潤土觸變泥漿的各成分間的質(zhì)量比例為膨潤土：純堿：CMC（增粘劑）：水＝1：0.087：0.011：7.065[6]。以不同的比例將該觸變泥漿與實際的粘土配制成漿土混合物。 同時，在不同的漿土混合物條件下， 測量混凝土面板與各漿土混合物間的摩擦系數(shù)，測量混凝土面板與鋼管間的摩擦系數(shù)[7]。試驗采用了5種不同的比例配制成漿土混合物。 設(shè)漿土混合物中觸變泥漿的質(zhì)量為mG，粘土質(zhì)量為mC，令比例系數(shù)ξ＝mG/mC，則5 種漿土混合物成分間的質(zhì)量比例以及混合物密度ρ、重度γ 等參數(shù)如下[8]。

3.1.1 I 號－漿土混合物膨潤土

純堿：CMC：水：粘土＝0.92kg：0.08kg：0.01kg：6.50kg：52.20kg；ξ=0.1439， 密 度ρ ＝1.659g/cm3， 重 度γ ＝16.258 kN/m3。

3.1.2 II 號－漿土混合物

膨潤土：純堿：CMC：水：粘土＝1.84kg：0.16kg：0.02kg：13.00kg：78.30kg；ξ=0.1918， 密度ρ＝1.623g/cm3， 重度γ＝15.905kN/m3。

3.1.3 III 號－漿土混合物

膨潤土：純堿：CMC：水：粘土＝2.76kg：0.24kg：0.03kg：19.50kg：78.30kg；ξ=0.2877， 密度ρ＝1.563g/cm3， 重度γ＝15.317kN/m3。

3.1.4 IV 號－純泥漿

膨潤土：純堿：CMC：水：粘土＝0.92kg：0.08kg：0.01kg：6.50kg：0.00kg；ξ=∞， 密度ρ＝1.073g/cm3， 重度γ＝10.515 kN/m3。

3.1.5 V 號－純粘土

膨潤土：純堿：CMC：水：粘土＝0.00kg：0.00kg：0.00kg：0.00kg：52.20kg；ξ=0，密度ρ＝1.8g/cm3，重度γ＝17.64kN/m3，含水量w=37.24%。

3.2 試驗步驟

具體試驗步驟如下：

3.2.1 將混凝土柱置于安放好的試驗箱中， 確保接口處是密閉的。 在一次推進加載的過程中讀取各油壓表讀數(shù)，混凝土柱滑動后再讀取各油壓表讀數(shù)。

3.2.2 將混凝土柱復(fù)位。

3.2.3 往試驗箱內(nèi)適當填入一種漿土混合物， 同時變化頂部4 個千斤頂?shù)膲毫σ阅M不同的注漿壓力。

3.2.4 在一次推進加載的過程中讀取各油壓表讀數(shù)，混凝土柱滑動后再讀取各油壓表讀數(shù)。

3.2.5 復(fù)原后進行重復(fù)試驗， 或更換漿土混合物進行試驗。

4 試驗結(jié)果及分析

圖2 混凝土面板與I 號漿土混合物間的摩擦系數(shù)

圖3 混凝土面板與II 號漿土混合物間的摩擦系數(shù)（第1、2 組）

圖4 混凝土面板與II 號漿土混合物間的摩擦系數(shù)（第3、4 組）

圖5 混凝土面板與II 號漿土混合物間的摩擦系數(shù)）（第5、6 組）

圖6 混凝土面板與II 號漿土混合物間的摩擦系數(shù)（第7、8 組）

圖7 混凝土面板與III 號漿土混合物間的摩擦系數(shù)（第1、2 組）

圖2～圖10 給出了混凝土面板與漿土混合物間摩擦系數(shù)的試驗結(jié)果。表1 進一步給出了圖2～圖10 中試驗結(jié)果的均值。 從圖中可以看出，最大靜摩擦系數(shù)以及滑動摩擦系數(shù)（混凝土面板與各漿土混合物間）基本呈隨質(zhì)量比ξ 的增大而逐漸減小的變化趨勢 （在ξ=0 純粘土?xí)r最大，在ξ=∞純觸變泥漿時最?。?。同時，在各種質(zhì)量比下，最大靜摩擦系數(shù)均比滑動摩擦系數(shù)略大一點， 但差別并不十分明顯。

圖8 混凝土面板與III 號漿土混合物間的摩擦系數(shù)（第3、4 組）

圖9 混凝土面板與Ⅳ號純泥漿間的摩擦系數(shù)

圖10 混凝土面板與V 號純粘土間的摩擦系數(shù)

表1 混凝土面板與各漿土混合物間的摩擦系數(shù)（平均數(shù)）匯總表

由表1 可以看出， 相比混凝土面板與純粘土之間的摩擦系數(shù)， 混凝土面板與漿土混合物之間的摩擦系數(shù)有所減小。 從試驗數(shù)據(jù)可以看出，控制漿土混合物的質(zhì)量比在0.2～0.3 為宜， 頂管頂進過程中摩擦系數(shù)會顯著降低，可降低到原來的0.28 倍左右。

5 結(jié)論

本文介紹了室內(nèi)膨潤土摻量配比試驗和室內(nèi)模型試驗， 以不同比例將膨潤土觸變泥漿與實際粘土組成漿土混合物， 在不同漿土混合物的作用下測量混凝土面板與各漿土混合物間的摩擦系數(shù)。 通過試驗結(jié)果分析膨潤土摻量對潤滑作用的影響，初步得出如下研究結(jié)論。

5.1 在沒有排水固結(jié)的條件下， 最大靜摩擦系數(shù)以及滑動摩擦系數(shù)（混凝土面板與各漿土混合物間）基本呈隨質(zhì)量比ξ 的增大而逐漸減小的變化趨勢 （在ξ=0 即純粘土?xí)r最大，在ξ=∞即純觸變泥漿時最?。?。

5.2 在沒有排水固結(jié)的條件下， 注入觸變泥漿可以降低頂管與周圍土體的摩擦系數(shù)。 根據(jù)試驗結(jié)果，建議控制漿土混合物的質(zhì)量比不小于0.2～0.3， 頂管與土體間摩擦系數(shù)可降低到原來的0.28 倍左右， 即由0.038 降到0.010 左右。

［1] 紀鵬. 超長管道頂管用潤滑減阻護壁泥漿系統(tǒng)的研究［D］.湖南:中南大學(xué)，2005.

［2］張立新. 大直徑超長距離頂管觸變泥漿減阻技術(shù)的應(yīng)用［J］.特種結(jié)構(gòu)，2013，30（2）:100-102.

［3］邱躍然，李曉明.頂管過程中觸變泥漿減阻的原理及應(yīng)用［J］.管線工程，2012，30（1）:82-84.

［4］李博，許燁霜，馬磊，等.平行頂管近接施工的室內(nèi)試驗研究［J］.地下空間與工程學(xué)報，2014，10（1）:67-71.

［5］羅云峰. 長距離大直徑混凝土頂管中的減阻泥漿研究與應(yīng)用［J］.建筑施工，2014，36（2）:186-188.

［6］王春婷，隆威.大口徑長距離頂管工程泥漿配方試驗研究［J］.鐵道科學(xué)與工程學(xué)報，2014，11（1）:106-111.

［7］丁文其，袁森林，高小慶，等.電力隧道超大直徑頂管施工擾動特性研究［J］.巖土力學(xué)，2010，31（9）:2901-2904.

［8］海寧，溫曉貴，魏綱，等.頂管施工對土體影響的現(xiàn)場試驗研究［J］.巖土力學(xué)，2003，24（5）:781-785.