氣舉反循環(huán)清理地下連續(xù)墻槽底沉渣數(shù)值分析

曾紀文， 胡福洪， 閤 超， 陳 鋒， 王潤甜

(武漢地質(zhì)勘察基礎工程有限公司，湖北 武漢 430070)

0 引言

在地下連續(xù)墻施工成墻后，墻身混凝土澆灌前，利用氣舉反循環(huán)鉆進工藝原理[1]，先將氣液混合器放入灌漿導管內(nèi)一定深度，再將壓縮空氣通過送風管送至其內(nèi)，使壓縮空氣與導管內(nèi)的泥漿混合，形成密度比導管外泥漿密度小的泥漿空氣混合漿液。在管內(nèi)外壓差的作用下，沿導管內(nèi)腔上升，經(jīng)排渣管排至沉淀池，沉淀后的泥漿又以自流方式連續(xù)不斷地流回槽段內(nèi)，從而達到清除槽底沉渣的目的。具體過程如圖1所示。

氣舉反循環(huán)清渣在工程上雖然有一定應用[2-5]，但尚無確定的理論依據(jù)和設計方法用于指導工程方案設計及實施。本項目擬通過設計制作氣舉反循環(huán)清渣模擬實驗裝置，模擬實際工程清渣過程，結(jié)合有限元方法建立模型分析，尋找各技術參數(shù)與工程情況相對應的規(guī)律，以期對氣舉反循環(huán)技術用于不同深度的地下連續(xù)墻清孔施工起到指導作用。

圖1 氣舉反循環(huán)清渣原理

1 研究方法

1.1 主要研究內(nèi)容

(1)工程實物模型概化，優(yōu)化并建立合理的氣舉反循環(huán)超深地下連續(xù)墻清孔施工試驗模型；

(2)確定流體屬性及基本參數(shù)；

(3)通過有限元分析軟件Fluent模擬得出不同沉渣厚度所需的清孔壓力；

(4)利用Fluent計算分析清渣效果。

1.2 工程試驗概化模型

1.2.1 工程要求

該工程為地下50 m深處氣舉反循環(huán)情況，根據(jù)氣舉反循環(huán)清孔過程的相關要求，出水管(導管)下放深度以沉渣面深度控制，距沉渣300～400 mm為宜。隨著泥渣的排出，基坑底部的沉渣厚度減少，出水管(導管)應同步跟進，保持管口與沉渣面的距離。混合器安放深度是影響氣舉反循環(huán)清孔效率的關鍵參數(shù)，如果安放深度太淺，導管內(nèi)無法形成穩(wěn)定液流，導致氣舉反循環(huán)清渣失敗；如果太深，排漿量過大，泥漿補給達不到要求，會使孔內(nèi)泥漿面迅速下降，嚴重影響孔壁穩(wěn)定，容易引起孔壁坍塌。根據(jù)工程經(jīng)驗，風管的插入深度可控制在0.6倍的孔深，允許小范圍波動。

1.2.2 模型概化

由于工程實際情況為地下50 m，地下連續(xù)墻的厚度按槽機的規(guī)格而定，一般槽機規(guī)格為600、800、1000、1200 mm，基坑的寬度相對其深度較小，若按實際情況1∶1建立足尺模型，則模型表現(xiàn)為“細長”形狀。若以混合器的安放深度為參考點a(0.6倍孔深)，取混合器以下部分建立試驗模型，仍然表現(xiàn)為“細長”形狀，整體看起來不直觀，不易突出氣舉反循環(huán)的特征，也不易觀察流動形態(tài)。所以本試驗模型直接截取基坑底部以上3 m，以該段建立試驗模型，基坑寬度W和深度H比例合適，易于突出和觀察氣舉反循環(huán)的效果以及泥漿的流動形態(tài)。

混合器安裝在0.6倍孔深處，導管內(nèi)混合器安裝位置以上的泥漿，由于氣體與泥漿的混合而密度變小，而混合器安裝位置以下部分的泥漿密度仍然保持著與導管外循環(huán)相泥漿的密度一致。由于模型選取的為基坑底部以上3 m，該段處于混合器以下部分，所以導管內(nèi)外的泥漿密度不變。

從基坑截面方向觀察,導管距離基坑兩邊的距離相等,即在豎直方向表現(xiàn)為對稱形態(tài),所以簡化模型,取一半為研究對象(注:試驗計算后可通過對稱原理補全另一半結(jié)果,對試驗精度無影響)。

試驗模型參數(shù)為：基坑寬度W=0.8 m；計算截取段深度H=3 m；導管距離沉渣面的距離h=0.35 m；導管內(nèi)徑d=0.22 m，外徑D=0.24 m，壁厚0.01 m。

1.3 試驗模擬參數(shù)

由氣舉反循環(huán)原理可知，循環(huán)流動的原因在于導管內(nèi)外存在壓強差，而壓強差可以通過導管內(nèi)外泥漿的密度以及混合器的深度計算出來。氣舉反循環(huán)清孔工藝實施的關鍵在于基坑深度，且基坑越深，壓力差越大，流速流量也就越大，清孔效果就越好。反之，基坑越淺，壓力差越小，流速流量過小，就難以形成流動反循環(huán)。本試驗模擬的深度為50 m深處的氣舉反循環(huán)情況。

循環(huán)相泥漿要有一定的密度和粘度，工程上所用泥漿的密度≯1500 kg/m3，泥漿的密度越大，則粘度越大；但過大的粘度不利于泥漿的流動，通過查閱相關文獻可知，工程上用于氣舉反循環(huán)清渣的泥漿參數(shù)如表1所示[6-7]。由于試驗變量較多，為了更好的研究和反映出氣舉反循環(huán)清渣的效果，故在最大壓強差的情況下(泥漿、沉渣和氣體混合物相密度為700 kg/m3)，進行氣舉反循環(huán)模擬試驗，通過控制變量的方法，將試驗的固定參數(shù)列于表2。變量參數(shù)為沉渣固體土顆粒粒徑和沉渣厚度，列于表3。通過計算得出導管內(nèi)外壓強差，如表4所示。

表1 氣舉反循環(huán)清渣的泥漿參數(shù)

注：泥漿流動速度要達到1.5～2 m/s，此時排漿液效果最好。

表2 試驗固定參數(shù)

表3 變量參數(shù)

表4 管內(nèi)外壓強差

1.4 沉渣參數(shù)確定

氣舉反循環(huán)的流體為泥漿，由勘察報告顯示，此項目地質(zhì)下臥層有著厚度在27～35 m的砂質(zhì)粉土，粉質(zhì)砂土、粉砂、中粗砂，這些成分極易產(chǎn)生沉渣。由土粒粒組劃分可以確定沉渣中各組分顆粒的粒徑種類[8]，如表5所示。

表5 土粒粒組的劃分

由于沉渣中的土顆粒種類繁多且直徑大小不一，為了便于研究不同粒徑的沉渣顆粒的循環(huán)清除效果，根據(jù)粒徑劃分等級，取粘粒、粉粒、粗砂和圓粒角粒4種顆粒為研究對象，對應顆粒的粒徑分別為各個粒徑組的最大值。沉渣的厚度選取0.3、0.6、0.9 m三個厚度為研究對象，分別對應薄、中、厚三個等級。

2 計算結(jié)果

2.1 計算云圖

圖2～7主要為沉渣厚度為0.3 m時，泥漿和沉渣最終相速度、初始體積分數(shù)、最終體積分數(shù)云圖。

圖2 泥漿最終相速度云圖

2.2 計算結(jié)果分析

由試驗結(jié)果可以看出，粘粒、粉粒、砂粒以及圓?；蚪橇＞芡ㄟ^氣舉反循環(huán)技術從基坑槽底部清理出來。由沉渣出口處的最大速度以及顆粒追蹤結(jié)果可以看出，所有粒徑的沉渣顆粒，在出口處均能夠逃逸出去，都有一定的逃逸速度，粘粒的逃逸速度比其它粒徑的逃逸速度大。沉渣厚度越大，沉渣出口的速度呈減小趨勢。

圖3 沉渣最終相速度云圖

圖4 泥漿初始體積分數(shù)散點圖

圖5 沉渣初始體積分數(shù)散點圖

圖6 泥漿最終體積分數(shù)散點圖

圖7 沉渣最終體積分數(shù)散點圖

從圖8可以看出，當沉渣顆粒粒徑一定時，沉渣殘余體積分數(shù)隨著沉渣厚度的增大而增大；當沉渣厚度一定時，局部殘余沉渣體積分數(shù)隨著粒徑的增大而增大；沉渣厚度≤0.6 m時，氣舉反循環(huán)對粘粒、粉粒、砂粒以及圓?；蚪橇＞苓_到較好的清除效果，而當沉渣厚度達到0.9 m時，氣舉反循環(huán)對于砂礫(2 mm)、圓礫或角礫(20 mm)的清除效果減弱,需要更長的循環(huán)時間才能清除干凈，對于粒徑較小的沉渣顆粒(粒徑<2 mm)，氣舉反循環(huán)的清除效果較好。

圖8 局部殘余沉渣體積分數(shù)隨粒徑、沉渣厚度變化關系圖

從圖9可以看出，當沉渣顆粒粒徑一定時，最終沉渣相出口最大速度隨著沉渣厚度的增大而減?。划敵猎穸纫欢〞r，沉渣相出口最大速度隨著沉渣粒徑的增大而呈現(xiàn)減小趨勢；對于粒徑更小的粘粒，其出口最大速度相比其它粒徑的沉渣更大。在導管的出口處沉渣的出口速度在0.014～1.098 m/s范圍，粘粒的逃逸速度比其它粒徑的逃逸速度大。

圖9 最終殘余沉渣出口最大速度隨粒徑、沉渣厚度變化關系圖

3 結(jié)論

(1)采用氣舉反循環(huán)技術可有效的將粘土、粉土、砂土以及圓礫或者角礫形成的沉渣，從50 m深的槽段底部中循環(huán)帶出。

(2)沉渣從連續(xù)墻基坑槽底部帶出時，在導管的出口處沉渣的出口速度在0.014～1.098 m/s范圍，粘粒的逃逸速度比其它粒徑的逃逸速度大。

(3)隨著沉渣厚度的增大，基坑槽底部的沉渣越難通過氣舉反循環(huán)帶出。

[1] 周俊然.氣舉反循環(huán)沖砂技術研究[D].陜西西安：西安石油大學,2007.

[2] 熊亮,張小連,熊菊秋,等.大口徑工程井氣舉反循環(huán)鉆進效率影響因素初探[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2014,41(5):42-45,49.

[3] 倪俊，原海霞.氣舉反循環(huán)清渣方法的應用[J].探礦工程,2000，(6):28-28,30.

[4] 唱偉.氣舉反循環(huán)技術在上海長春藤名品商廈地下連續(xù)墻施工中的應用[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2004,31(3):17-19.

[5] 陳怡,段德培.氣舉反循環(huán)鉆進技術在地熱深井施工中的應用[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2009,36(4):23-24,28.

[6] 舒明記.氣舉反循環(huán)工藝在溫州地質(zhì)條件下鉆孔灌注樁施工中的應用[J].科學與財富,2013，(11):175-176.

[7] 余志文,邱杰.沖(鉆)孔灌注樁氣舉反循環(huán)清孔工藝[J].福建建設科技,2009，(1):37-39.

[8] 石振明,孔憲立.工程地質(zhì)學(第2版)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2011.