地下連續(xù)墻施工中泥漿配合比理論計(jì)算與配制方法

蔣荊洲

（上海遠(yuǎn)方基礎(chǔ)工程有限公司，上海 200436）

0 引言

確保地下連續(xù)墻施工過程中槽壁的穩(wěn)定性是地下連續(xù)墻施工的關(guān)鍵工作之一，其涉及整個(gè)圍護(hù)工程的安全、質(zhì)量和進(jìn)度。近年來(lái)由于地下連續(xù)墻槽壁塌方造成機(jī)械設(shè)備傾倒等安全事故，嚴(yán)重影響地下連續(xù)墻施工質(zhì)量和進(jìn)度。目前槽壁穩(wěn)定性的研究有很多成果，本文結(jié)合工程實(shí)踐，根據(jù)郎金土壓力理論總結(jié)出一套新的泥漿配合比設(shè)計(jì)方法。

1 護(hù)壁泥漿相對(duì)密度設(shè)計(jì)原理

泥漿在地下連續(xù)墻施工中最主要的作用是護(hù)壁，因此在槽段內(nèi)可把泥漿看作一種液態(tài)擋土墻，泥漿在支護(hù)槽壁時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定厚度的泥皮，泥皮與液態(tài)泥漿之間沒有摩擦力，因此可把液態(tài)擋土墻的墻背看做是光滑的，在成槽過程中僅有槽段內(nèi)的土被取出而其他部分的土仍處于未擾動(dòng)狀態(tài)，即擋土墻的背后是填平的。

基于泥漿的壓力有限，槽壁土僅有2種受力狀態(tài):靜止土壓力狀態(tài)和主動(dòng)土壓力狀態(tài)。當(dāng)泥漿相對(duì)密度較大時(shí)，土壓力為靜止土壓力狀態(tài)；當(dāng)泥漿相對(duì)密度較小時(shí)，土壓力為主動(dòng)土壓力狀態(tài)。按靜止土壓力計(jì)算出的泥漿相對(duì)密度為最大值，按主動(dòng)土壓力計(jì)算出的泥漿相對(duì)密度為最小值。

2 郎金土壓力理論的應(yīng)用

2.1 主動(dòng)土壓力下泥漿相對(duì)密度計(jì)算

根據(jù)土的強(qiáng)度理論，當(dāng)土體中某點(diǎn)處于極限平衡狀態(tài)時(shí)，大、小主動(dòng)應(yīng)力σ1和σ3應(yīng)滿足以下關(guān)系式:

當(dāng)槽壁發(fā)生“縮頸”現(xiàn)象時(shí)，槽壁內(nèi)的土體向槽段內(nèi)偏離，兩側(cè)土體中離地表任意深度Z處豎向應(yīng)力σz為大主應(yīng)力，σx為小主應(yīng)力，故可得郎金主動(dòng)土壓力強(qiáng)度σa為:

式中，γ為土的重度；Ka為土的主動(dòng)土壓力系數(shù)，Ka=tan2，c為土的黏聚力。

從上式可得砂性土的主動(dòng)土壓力強(qiáng)度與Z成正比，沿槽壁高度的壓力是呈三角形分布，取單位槽壁長(zhǎng)度計(jì)算，則總主動(dòng)土壓力為:

且Ea通過三角形形心，即作用在離墻底H/3處。

黏性土的主動(dòng)土壓力強(qiáng)度由2部分組成:一部分由土的自重引起的土壓力γzKa；另一部分是由黏聚力c引起的負(fù)側(cè)壓力組成。

設(shè)填土面的深度Z0為臨界深度，當(dāng)填土面無(wú)荷載時(shí)可令，故臨界深度，此臨界深度即為地下連續(xù)墻施工時(shí)的導(dǎo)墻深度。

槽段內(nèi)泥漿所產(chǎn)生的壓力為σn=γnH，則

2.2 靜止土壓力泥漿相對(duì)密度計(jì)算

土的任意深度Z處的靜止土壓力強(qiáng)度可按以下公式計(jì)算:

式中，K0為土的靜止土壓力系數(shù)，γ為土的重度。

K0的取值一般按以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算:K0=1-sinφ，所以土的靜止土壓力由可以推出γn=γK0。

由此可知，在靜止土壓力條件下的泥漿相對(duì)密度要大于主動(dòng)土壓力條件下的泥漿相對(duì)密度。在實(shí)際施工過程中，地下連續(xù)墻的成槽必須依靠設(shè)備，因此在成槽過程中局部地面是有附加荷載的。

3 泥漿配制方法

3.1 泥漿相關(guān)技術(shù)要求

工程泥漿一般由水、膨潤(rùn)土和添加劑按適當(dāng)配合比配制而成，其性能指標(biāo)如表1所示。

表1 泥漿相關(guān)性能指標(biāo)

3.2 原材料選用

1）水 一般采用地下水或河水，自來(lái)水的成本相對(duì)較高。

2）優(yōu)質(zhì)膨潤(rùn)土 膨潤(rùn)土制漿有很好的膠體率，泥皮的形成能力較強(qiáng)，有很好的護(hù)壁效果。

3）CMC（羧甲基纖維素） 俗稱增黏劑，能夠很好地包裹土顆粒，可提高泥漿對(duì)土顆粒的懸浮力，增強(qiáng)泥皮的形成能力，防止泥漿中的水分流失。

4）FCI（鉻鐵木質(zhì)素磺酸鈉鹽）為分散劑，在改善泥漿性能方面有很好的效果，能夠清除泥漿中懸浮的粒徑相對(duì)較小的土顆粒和砂粒，其主要功能是使顆粒聚集并快速沉淀，保證泥漿的護(hù)壁性能。

5）碳酸鈉（Na2CO3） 碳酸鈉的功能是調(diào)整泥漿中的pH值，當(dāng)泥漿pH值相對(duì)較低時(shí)，黏土顆粒難以分解，黏度降低，失水量增加，流動(dòng)性降低；當(dāng)泥漿中pH值相對(duì)較高時(shí)，則泥漿所形成的泥皮滲透率加大，泥漿中大量的水分滲入槽壁土顆?？障吨?，從而造成孔壁表面軟化，黏土顆粒之間黏聚力減弱，造成大量槽壁上附著的土坍塌，增加了成槽設(shè)備的安全隱患。泥漿的pH值宜保持在8～10，這時(shí)可增加水化膜厚度，提高泥漿膠體率和穩(wěn)定性，降低失水量。

6）PHP（聚丙烯酰胺絮凝劑） 主要作用是清理泥漿循環(huán)中的劣質(zhì)土屑，保持泥漿中膨潤(rùn)土的含量。

7）重晶石細(xì)粉（BaSO4） 主要作用是調(diào)整泥漿相對(duì)密度，隨著泥漿的循環(huán)使用，泥漿中的膨潤(rùn)土顆粒等損失過多，造成泥漿相對(duì)密度下降較多，護(hù)壁功能下降，因此可采用增加外加劑的方式，將泥漿相對(duì)密度提高到設(shè)計(jì)值。

8）干鋸末、石棉等纖維物質(zhì) 主要作用是防止泥漿滲水并提高泥漿循環(huán)效果。

4 泥漿配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)《基坑工程手冊(cè)》及各種參料的基本物理性質(zhì)，考慮工程地質(zhì)條件后，確定泥漿的目標(biāo)相對(duì)密度參數(shù)，初步配合比如表2所示。

表2 泥漿配合比取值

5 泥漿配合比試驗(yàn)

5.1 設(shè)備

試驗(yàn)所用設(shè)備采用自制小型攪拌機(jī)和攪拌桶進(jìn)行，測(cè)量?jī)x器采用泥漿三件套和失水量?jī)x。

5.2 基漿配制（不含外加劑）

基漿是將水和膨潤(rùn)土按一定比例攪拌而成，其配置比例按摻量范圍并根據(jù)工程地質(zhì)條件的初步計(jì)算和膨潤(rùn)土的相關(guān)參數(shù)確定。先將水與膨潤(rùn)土在攪拌桶中充分?jǐn)嚢杌旌?，靜置24h后形成膠體。配置好的基漿性能指標(biāo)如表3所示。

表3 基漿性能指標(biāo)

5.3 外加劑配制泥漿

根據(jù)上述測(cè)量的泥漿指標(biāo)，再加入相關(guān)功能的外加劑。外加劑使用如下所述。

1）先將增黏劑在特制的容器中用水進(jìn)行充分?jǐn)嚢韬团蚧?，此時(shí)黏度可達(dá)60s，根據(jù)具體泥漿指標(biāo)要求，逐步適量向泥漿中加入，同時(shí)也要不斷測(cè)量泥漿指標(biāo)，至合適為止。

2）FCI分散劑 分散劑主要使用在循環(huán)泥漿中，分散劑不用水?dāng)嚢?，可直接加入大泥漿池中或加入槽段里。

3）Na2CO3調(diào)整泥漿的pH值時(shí)需用水?dāng)嚢韬?，測(cè)量Na2CO3溶液的pH值，再根據(jù)測(cè)量值加入循環(huán)漿池中，加入池中后要采用空壓機(jī)等方法進(jìn)行攪拌，靜置一段時(shí)間后方可使用。

4）PHP泥漿配制在實(shí)施施工中可用專用罐存放，在施工時(shí)可隨時(shí)摻用到不同泥漿中。一般PHP摻用劑量約為泥漿體積的0.003%。最合理的比例應(yīng)通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量決定。配置好的新漿性能指標(biāo)如表4所示。

表4 新漿性能指標(biāo)

6 結(jié)語(yǔ)

1）針對(duì)不同地層可依據(jù)郎金土壓力理論進(jìn)行初步泥漿相對(duì)密度計(jì)算，對(duì)泥漿配制有了理論指導(dǎo)。

2）隨著成孔進(jìn)行到不同地層，一方面要求的泥漿各種性能指標(biāo)不同；另一方面泥漿各種摻量的實(shí)際含量也發(fā)生了變化，需要在施工過程中對(duì)成孔泥漿的各種性能指標(biāo)進(jìn)行經(jīng)常性測(cè)定，然后對(duì)摻量比例進(jìn)行及時(shí)調(diào)整。

3）泥漿的配制一定要結(jié)合外加劑，單純使用膨潤(rùn)土難以達(dá)到需要的指標(biāo)。