顶管施工中的泥浆技术解读

顶管施工中的泥浆技术(1)蒙脱土是一种层状结构的结晶氢化硅酸铝。

硅酸盐多层体是一种三层结构，其中包括一层SｉO4四面体、一层氢氧化铝八面体和一层SｉO4四面体。

蒙脱土晶体即由许多这样的硅酸盐叠层组成。

蒙脱土晶体遇水膨胀，与此同时水分子便渗入各个叠层之间。

于是两个蒙脱土叠层之间的距离就加大了一倍。

晶体内部膨胀现象的原因，则在于叠层内部电荷分布的不均匀。

我们可以设想，在静止下来的膨润上悬浮液中，薄片状的蒙脱上微粒形成一种纸牌房子式的结构，其中这些微粒以它们的角隅和棱缘彼此接触或互相支撑。

一旦静止状态被扰乱，例如由于搅拌、振动或泵送等等，于是大多数的“纸牌房子”坍塌下来，因而在静止状态下凝结起来的悬浮液就会变成溶胶。

当这种溶胶再次静止下来，薄片状的蒙脱上微粒又会彼此搭在一起形成纸牌房子式的结构，于是溶胶重新凝固。

悬浮液每当静止便结成凝胶，一旦运动起来又变成溶胶，这种从静止状态到运动状态以及从运动状态又回到静止状态的结构交替，可以永无止境地重复下去，这样的特性便叫作触变性。

作为顶管施工中的支撑-润滑介质，膨润土的重要特点即在于它的膨胀性能。

这一点须取决于薄片状蒙脱俄土微粒的大小和数量。

膨润土主要有两类，即钙膨润土和钠膨润土上。

它们的区别在于起决定作用的蒙脱土是钙蒙脱上还是钠蒙脱土。

在膨润土含量相同情况下，钠膨润土悬浮液中所含极薄的硅酸盐叠层片的数量，约为钙膨润上悬浮液中所含数量的15到20倍。

由于这种极薄的硅酸盐叠层片的数量大得多，便有利于蒙脱土微粒形成纸牌房子式的结构，因而亦有利于提高悬浮液的膨胀性能，这样既可改善悬浮液在溶胶状态下的流动性，也能改善悬浮液在凝胶状态下的固结性。

所以钠膨润土比钙膨润土更适用于顶管施工。

而巴伐利亚矿层却只含有膨胀性能较差的钙膨润土。

但钙蒙脱土有一个特性，亦即其中化合的钙离子可以用钠离子来置换。

通过这样的离子交换，钙膨润土的性能会有很大的变化，从而被赋予钠膨润上的优良特性。

由于销膨润土和通过钠离子置换而活化的钙膨润土——也叫作活性膨润土——能够最大程度地满足顶管施工中提出的要求，因而下面的讨论便以这两种膨润土为基础。

化学分析表明，膨润土中大约有56 ％的二氧化硅和20％的氧化铝，二者共同构成了蒙脱土上晶体的基本物质。

与此相对应，矿物组成中也有75％的蒙脱土。

筛分析也很值得注意，根据筛分析，膨润土中粒径小于0.025毫米的占55％。

膨润土加水搅拌即成悬浮液，这里对水质的要求和拌制混凝土时一样。

判断膨润土悬浮液是否适于用作支承一润滑介质的标准在于它的物理特性。

而对后者起决定作用的，主要是悬浮液中的膨润土含量。

表2中按照每立方米制成悬浮液中含有30、40、60和80公斤膨润上的四种情况，分别列出了各种悬浮液的主要参数。

首先从容重的数据中可以看出，膨润土含量对容重的影响不大。

在我们所考察的试样上，容重大致变化于1020到1050公斤/米3之间，因此只是稍高于纯水的容重。

所以膨润土悬浮液也可以在水下顶管施工中用作支承润滑介质，无需顾虑悬浮液因容重不同而流失，故而对膨润土悬浮液来说，容重并不是一个重要的判断标准。

反之，流变极限测量结果都表明，无论在运动状态或是静置状态下，悬浮液中的膨润土含量都对流变极限有很大的影响。

正如事先的考虑所预见到的，流限在运动状态下达到了下限值。

观察表2可以看出，膨润上含量从每立方米30公斤增加到60公斤时，亦即在膨润上含量增大一倍的情况下，运动流限从22.4克（力）／厘米2上升到204克（力）／厘米2，因此也就是提高到大约9倍，当膨润土含量从40公斤／米3 增加到80公斤／米3 时，同样也是在增大一倍的情况下，可以看到大致相同的比率。

这时运动流限从44.6克（力）／厘米2上升到439克（力)/厘米2，亦即增大到10倍左右。

静置一分钟后的比率也类似于流动状态下的情况。

在这种条件下，当膨润土含量从30公斤／米3 增加到60公斤／米3 时，流限从42.8克（力）／厘米2提高到320克（力）／厘米2，即增大到7.5倍。

当膨润土含量从40公斤／米3增加到80公斤／米3时，流限则以100：696—1：7的比例提高。

最后，在静置24小时的情况下，当膨润上含量从30公斤／米3增加到6０公斤／米3时，流限比率为198：1265一1：6，80公斤／米3含量的相应数值则限于现有的测量技术条件而无法测出。

因此得出的结论是，膨润土含量增加一倍，可使膨润上悬浮液的支承作用提高到7至10倍。

但是这也意味着，若膨润土含量减少１／2，支承作用就可能降低到 1／10。

所以，确定悬浮液中的膨润上含量，便有着如此重大的意义。

得到的另一个结论是，在从运动状态过渡到静止状态时，流限的增大须取决于悬浮液中的膨润土含量。

在每立方米悬浮液中含30公斤膨润土的情况下。

静置1分钟后的流限以42.8：22.4=1.9：1的比率增大。

在膨润土含量为40公斤／米3的情况下，静置1分钟后的增大比率已达100：44.6=2.2：1。

然而在膨润土含量为60公斤／米3情况下，这一比值却降低到320：204＝1．6：1，以及在膨润土含量为80公斤／米3的情况下，比率仍为696：439=1.6：1。

静置24小时后的流限与运动状态下的比率，在悬浮液中的膨润上含量为30公斤／米3时是22.4：198=1：8.8，在40公斤／米3的情况下是44.6：584=1：13.3，在60公斤／米3的情况下是204:1265=1:6.2，而对于80公斤／米3的含量，则已无法取得测量值。

在将膨润上悬浮液用作支承-润滑介质的情况下，静止状态的流限值与运动状态的流限同样具有重要意义：静止状态下的流限值决定着悬浮液是否适于用作支承介质，运动状态下的流限值则决定着悬浮液是否适于用作润滑介质。

当运动流限与静止流限之比为1：6到1：10（最大1：15）时。

膨润上悬浮液便完全能满足这两个方面的要求。

流限值适用于膨胀过程业已最后完结的悬浮液。

这种膨胀过程的性质，在于水已渗入了构成蒙脱土晶体的硅酸盐叠片的晶层中。

致使层间距离增大起来。

水对微小蒙脱土晶体的渗透过程以及水渗入更小得多的晶层之中都需要时间。

这就是膨胀时间，搅拌越充分．膨胀时间就越短，否则在水和膨润土的混合料未获充分搅拌的情况下，膨胀时间就会延长许多倍。

搅拌取得良好效果的前提，是要有足够长的搅拌时间，至少要有半个小时，有时甚至可能需要若干小时。

另一个前提是要求膨润土不留余渣地充分溶解在水中，尽可能使每一个膨润土颗粒都被水包围着。

最后，在搅拌时不要让空气进入水和膨润土的混合料中，因为空气会妨碍水渗入蒙脱土晶体。

再则，膨胀时间也会受到混合料温度的影响。

高温（夏季温度）可使膨胀时间缩短，低温（冬季温度）则使膨胀时间延长。

当温度低于零度时，膨胀过程即告中止，但混合料并不会遭到破坏。

解冻后膨胀过程又会重新继续下去，在这种情况下，须将冻结的时间计入膨胀时间之内。

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在搅拌效果良好的情况下，搅拌过程结束后即已能够达到80％左右的最终流限，而在搅拌效果不良的情况下，这一比值则降低到大约35％。

由此可见，在搅拌效果良好和高温条件下，经过5个小时的膨胀时间后即已达到最终流限。

反之，在搅拌效果不良和低温条件下，则需要24小时方能达到最终流限。

对于膨胀过程是否已经结束，需要仔细地进行观察，因为膨胀不充分的悬浮液一方面起不到支承作用，另方面也会由于随后的膨胀而引起膨润土管路的堵塞，并且引起顶进管与周围土层之间表观摩擦系数的上升，从而可能导致提高顶进阻力。

对充分膨胀的膨润上悬浮液来说，流限在静止状态下可达到上限值。

如悬浮液变为运动状态，例如由于摇动、振动或泵送等等，立刻又出现流限的下限值，这便是流动状态下的流限，或者也可以说是运动流限。

一且再次静止下来，流限又会升高，经过一定时间之后再次达到其上限值。

悬浮液经每次静止之后都可以达到流限的上限值。

然而在达到最终流限之前，如果悬浮液又变为运动状态，那么流限的升高过程便也可能中断。

蒙脱土微粒在纸牌房子式结构上的变化，用我们的肉眼是看不见的，但却可以通过流限的变化测量出来，因此一种悬浮液的触变性也是可以为我们的感官所觉察的，而这种触变性作为悬浮波物相任意多次的转变，我们可以将它表示为凝胶→←溶胶膨润土悬浮液在疏松土层中的应用在无粘性的疏松土层中以及在粘性很小的土壤中，例如在砂砾土中，若不采取其它辅助措施，土层由于本身极不稳定，以致在刃脚推进之后立刻就会坍落在管壁上。

所以对这类土壤来说，膨润土悬浮液的支承作用尤其具有重要意义。

为了起到这种支承作用，先决条件是要尽可能准确地掌握膨润土悬浮液在砂砾上中的特性。

膨润上悬浮液将渗入土层的孔隙内，充满孔隙，并继续在其中流动。

流速取决于孔隙的横断面与悬浮液的流变特性，同时也取决于压浆压力。

因此为了在同样的压浆压力下达到相同的渗入深度，在孔隙横断面很小的细粒土层中便需要低流限的悬浮液，面孔隙横断面较大的粒粒土层则需要高流限的悬浮液。

在克服流动阻力的过程中，压浆压力随着渗人深度的增加而成比例地衰减，所以相应每一种压浆压力，都有一个完全确定的渗人深度。

为了便于了解渗入过程，可以把上层看作是一条条许多毛细管的总和。

图7显示了一条圆形横断面的毛细管中的流动过程。

这样的一条毛细管必然会对其中穿流的流动介质、在这里即是对膨润上悬浮液产生一个阻力W。

W=τ·U·l=τ·2·r·π·l为了克服这一阻力便需要一个压力：P＝p·F＝p·r2·π只要 P＞W，毛细管中的介质便向前流动。

一当流动阻力大到与作用于介质的压力P相等，即。

W=P流动过程即停止。

由此可知平衡条件为τ·2·r·π·l=P·r2·π或(τ·2·l)/r=p根据这一关系式可以算出流动长度，换言之亦即渗入深度l=(r·p)/(2·τ)由此可见，渗入深度与毛细管的直径和压浆压力成正比，与悬浮液的流限成反比。

只要悬浮液在毛细管中流动，它便处于流动状态，因而对悬浮液起作用的便是运动流限。

这时悬浮液便具有溶胶的稠度。

但一当悬浮液达到可能的渗入深度之后静止下来，只须经过一个很短的时间，它的流限便达到静止数值。

于是悬浮液就变成了凝胶。

由于静止状态下的流限高达流动状态下的10倍，因而在这种情况下膨润土悬浮液便象泥浆那样地充满着土层的孔隙。

这样在管体四周的土层中就形成了一层密实而有承载能力的环套，其厚度即相当于悬浮液的渗入深度现在，如果在这一环套和顶进管之间保持一个相当于土压力的悬浮液压力，于是悬浮液使承受着全部的土压力，致使土压力不再直接地，而是经由悬浮液间接地加荷于管壁。