复合钠基膨润土泥浆护壁机理及其工程应用
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Y ang Yong
( Shangha iT unnel Engineer ing Construction Co. L td. , Shanghai 200233, China) Abstract: Stability m ain taining m echanism of com pound sod ium based ben ton ite slurry is in terpreted. In reference to the exper ience of Shangha i T unne l Eng inee ring Construction Co. L td. in the applica tion o f compound sodium based ben ton ite slurry in diaphragm w a ll constructions of ra il transportation eng ineer ing in and around Shangha,i the rea l effect o f th is new slurry and its super ior ity over trad itiona l Ca lcium based bentonite slurry are br ie fly introduced here re lated to a prac tica l project. Several guiding suggestions are g iven fo r the propag ation of th is new type o f slurry in future practice. K eyword s: d iaphragm wa l;l compound; sodium based; bentonite; slurry; stability m ainta ining m echan ism
杨 勇: 复合钠基膨润土泥浆护壁机理及其工程应用
8 39
续墙槽壁失稳的模式归纳为如下两类: 2. 1. 1 整体失稳
在地下连续墙施工过程中, 导墙正下方土体可 能出现鼓出现象, 失稳破坏面沿槽长方向扩展, 多 成矩形或椭圆形分布。其中浅层失稳是整体失稳 的主要形式, 如图 1所示; 2. 1. 2 局部失稳
( 2) 提高泥浆分散性, 增大 泥浆的胶凝强度, 增强泥浆悬浮土渣能力, 提高泥浆重度
表 1的结果表明, 在相同配比条件下, 无论是 瞬时还是长期胶凝强度, 复合钠基膨润土泥浆均较 传统钙基膨润土浆液有了显著提高, 且随着膨润土 含量的增加, 这一差异更为明显, 当 每 350 g 蒸馏 水膨润土掺量为 22. 5 g 时, 复合钠基膨润土泥浆 的 10 s胶凝强度约为传统钙基膨润土浆液的 22 倍, 而 10 m in 胶凝强度则为传统钙基膨润土浆液 的 11. 75倍。如图 5所示, 复合钠基膨润土泥浆中
图 4 复合钠基膨润土及钙基膨润 土水化膨胀示意图
F ig. 4 H ydration expans ion o f com pound sod ium based benton ite slurry and ca lc ium based benton ite slurry
的链条形高分子聚合物在水中形成具有网状交联 结构的胶体溶液, 这种胶体系统分散度很高, 表面 积大, 吸附作用更为显著。复合钠基膨润土泥浆, 其膨润土加量比一般市场上的加量要小, 在水中的 分散性较好, 胶体率达到 96% 以上。较高的胶体 率有利于吸附钻渣, 因此复合钠基膨润土泥浆悬浮 携带土渣的能力较传统钙基膨润土泥浆有显著提 高。而随着泥浆中悬浮土渣量的增多, 泥浆的重度 得到了提高, 其维护槽壁土体稳定性的能力也由此 得到了增强。
2 泥浆护壁机理
2. 1 槽壁失稳模式 史世雍 [ 1] 通过对大量文献 的总结, 将地下连
* 收稿日期: 2010 01 11(修改稿 ) 作者简介: 杨勇 ( 1971 ), 男, 上海人, 工程师, 主要从事市政工程的相关研究。 E ma i:l yangyong75@ 126. com
2010年第 4期
G eorge M. F ilz[ 3] 等指出泥浆的护壁作用主要 可以归结于以下几个方面:
( 1)由泥浆提供的侧向静水压力 ( 2)泥浆在地连墙墙壁的抹面作用可防止土 体颗粒的移动和流失
( 3)膨润土泥浆形成的泥膜效应 ( 4)渗透入土体的泥浆的胶凝作用 ( 5)由泥浆渗透产生的电渗力 ( 6)沟槽中泥浆的被动抗力 ( 7)泥浆填充产生的三维效应 张厚 美 [ 4] ( 2000 ) , P avol[ 5] ( 2001 ) , 徐 伟 [ 6] ( 2003) , 王轩 [ 7] ( 2006) 等人在研究地下连续墙槽 壁稳定性的分析方法中 均发现, 护 壁泥浆的重度 s 是影响槽壁整体稳定性的重要因素, s 越大, 槽 壁整体稳定安全系数越高, 槽壁也越稳定。 姜朋明 [ 8] 则指出, 槽壁 的稳定性主 要由三部 分构成: ( 1)泥浆对于侧向应力的置换作用, 该部分是 由泥浆重度与水重度之差 s - w 以及土的有效内 摩擦角 两因素构成; ( 2)瞬时侧向卸荷引起负超孔隙水压力而造 成反向吸力增加的侧壁稳定性; ( 3)土的粘聚力 c , 事实上是土的抗拉强度。 其中, 负超孔隙水压力只对槽壁的瞬时稳定性 起作用, 槽壁的长期稳定性则主要受由泥浆置换产 生的侧向力以及侧壁土体的粘聚力控制, 而侧向力 是随着泥浆重度的增大而增加的。 F ilz[ 9] 等的研究表明槽壁 的局部稳 定主要与 泥浆向槽壁土体的渗入有关。抗槽壁塌落的局部 稳定安全系数可定义为由入渗方向 ( 即水平向 ) 渗 透力作用产生的槽壁面上 ( 即竖向 ) 土粒间的摩擦 力与土粒有效重量的比值。 国内外研究成果表明, 泥浆密度高低决定着槽 壁整体稳定性, 而且泥浆的渗透作用则对槽壁土体 的局部稳定性起着非常关键的作用。
2. 3 复合钠基膨润土泥浆护壁机理 传统泥浆组成主要是水、钙基膨润土、黏土以
及 CM C( 提粘剂 ) 等, 属细分散淡水泥浆体系。而 复合钠基膨润土泥浆组成主要是水、复合纳基膨润 土以及添加剂等, 属聚合物泥浆体系。新型复合钠 基膨润土泥浆的主要原料为钠基蒙脱石 ( ENa + /
EC 50% ) , 其 主 要 化学 成 分 为: 蒙 脱 石 ( N a + 0. 33 ( A l1. 67 M g0. 33 ) S i4 O10 ( OH ) 2 ! nH 2 O )、贝得石 N a+ 0. 33A l2 ( Si3. 67 A l0. 33 ) O 10 ( OH ) 2 ! nH 2 O、绿脱石 N a+ 0. 33 F e3+ 2 ( S i3. 67 A l0. 33 ) O 10 ( OH ) 2 ! nH 2 O。上 海隧道工程股份有限公司在实际工程应用中对美
泥浆类型
传统钙基膨润土泥浆
பைடு நூலகம்
复合钠基膨润土泥浆
350 g 水中膨润土含量 ( g)
7
10 14. 5 22. 5
7
10 14. 5 22. 5
表观粘度 ( s)
1
1
1
1. 5
5
10
16
42. 5
塑性粘度 ( s)
0. 5 0. 5 0. 5
1
3. 5 6
9
20
胶凝强度
10 s
1
1
1
10 m in
1
1
4
图 2 局部失稳示意图 (史世雍, 2006) F ig. 2 L oca l fa ilure of d iaphragm wa ll ( Sh i Shiyong, 2006)
整体失稳和局部失稳对于成槽的稳定性和地 下连续墙的施工质量均有重大影响。而地下连续 墙开挖稳定性的影响因素则, 包括泥浆性质、地基 土质条件、开挖槽段的 形状以及施工 机械和工艺 等 [ 2] 。其中, 泥浆性质 是影响地下连 续墙槽壁稳 定性和控制施工质量的最重要因素之一。 2. 2 泥浆对槽壁稳定性的影响
84 0
地下空间与工 程学报
第 6卷
国捷高公司生产的新型复合钠基膨润土泥浆与传 表 1所示。该泥浆对于维持地下连续墙沟槽稳定 统钙基膨润土泥浆的特性进行了比较 , [ 12] 结果如 性的作用主要体现在以下几个方面:
表 1 传统钙基膨润土泥浆与复合钠基膨润土泥浆性能比较
T ab le 1 Proper ty com par ison be tween trad itional calcium based ben ton ite slurry and com pound sod ium based ben ton ite slurry
1 引言
自 1950年意大利开始在水库大坝中采用地下 连续墙至今, 这一技术已取得了突飞猛进的发展。 现今, 在建筑空间极其狭小的城市中, 地下连续墙 在基坑工程及地下结构物的施作中起着不可替代 的作用。
地下连续墙成槽稳定性是地下连续墙施工质 量的重要保证, 而用于沟槽护壁的泥浆则是维系地 下连续墙成槽稳定的血液。目前国内使用的地下 墙护壁泥浆多为普通钙基膨润土泥浆, 该泥浆在实 际使用中的损耗较大, 且其成分中缺乏有如抑制槽 壁壁面土层坍塌的、利于挖掘土悬浮并抑制其分散
关键词: 地下连续墙; 复合钠基膨润土; 泥浆; 护壁机理
中图分类号: TU457 文献标识码: A
文章编号: 1673- 0836( 2010) 04- 0838- 07
Stability maintaining M echanism of Compound Sodium based Bentonite Slurry and Its Application in Practical Engineering
第 6卷 第 4期 2010年 8月
地下空间与工程学 报 Chinese Journal o fU nderground Space and Eng ineering
V o.l 6 A ug. 2010
复合钠基膨润土泥浆护壁机理及其工程应用*
杨勇
(上海隧道工程股份有限公司, 上海 200233)
摘 要: 对复合钠基膨润土泥浆的护壁机理进行阐述, 根据近年来隧道股份引进新型钠基 膨润土泥浆在上海及周边地区轨道交通施工地下连续墙工程中应用的相关经验, 结合一工程 实例对复合钠基膨润土泥浆的实际应用效果及相对传统钙基膨润土泥浆的优势进行简单介 绍, 并对该泥浆在实际应用中的推广提出几点指导性的建议。
1
2
4
7
22
2
2. 5 7
12
47
( 1) 增大泥浆的保水性和流变性, 提高泥浆的 粘度和浆液稳定性
如图 4所示, 微观环境下看, 复合钠基膨润土 由许多叠的小平板组成, 较传统钙基膨润土有更高 的膨胀率, 其水化后的 膨胀倍数为钙 基膨润土的 10倍以上。复合钠基膨润土是高膨 胀性粘土, 有 强大的吸水能力, 能在水中高度分散搭接成网络结 构, 并使更多的自由水 转变为网络结 构中的束缚 水, 从而形成具有更高灵敏度的非牛顿液体类型的 触变性凝胶。在静止的时候, 泥浆结构稳定, 可有 效悬浮钻屑, 支撑槽壁, 而一旦对其进行充分扰动, 其流动性又变的非常好, 可轻易泵送, 不会对其它 工序产生不利影响。复合钠基膨润土的这一特性 使其与水混合后形成的膨润土浆液较传统钙基膨 润土浆液具有更高的粘滞性。如表 1所示, 在相同 配比条件下, 复合钠基膨润土浆液的粘度均为传统 钙基膨润土浆液粘度的 5倍以上, 且随着膨润土含 量的增加这一差异更为明显, 当每 350 g 蒸馏水中 膨润土含量为 22. 5 g 时, 复合钠基膨润土浆液的 表观粘度约为传统钙基膨润土浆液的 44倍, 而复 合钠基膨润土浆液的塑性粘度约为传统钙基膨润 土浆液的 20倍。
的、防止浆液受污染而破坏分子结构的等不同类型不 同作用的复合材料, 不利于回收泥浆的分离处理和固 化废弃以满足周边环境保护要求的。此外, 随着我国 轨道交通的蓬勃发展, 地下连续墙施工技术在未来的 应用也将遇到越来越多的挑战, 如不断加大的施工深 度, 愈加复杂的施工条件及地质条件, 传统的钙基膨 润土泥浆已经很难满足施工要求。因此, 对于新型护 壁泥浆的研发或引进和使用刻不容缓。
在泥皮形成前, 新鲜开挖面即槽壁土体的稳定 主要是由泥浆渗透产生的渗透力来维持的。当渗 透力无法与槽壁土压力平衡时, 局部失稳发生, 如 图 2所示。
图 1 整体失稳示意图 (史世雍, 2006) F ig. 1 G lobal failure of d iaphragm wa ll
( Sh i Shiyong, 2006)
( Shangha iT unnel Engineer ing Construction Co. L td. , Shanghai 200233, China) Abstract: Stability m ain taining m echanism of com pound sod ium based ben ton ite slurry is in terpreted. In reference to the exper ience of Shangha i T unne l Eng inee ring Construction Co. L td. in the applica tion o f compound sodium based ben ton ite slurry in diaphragm w a ll constructions of ra il transportation eng ineer ing in and around Shangha,i the rea l effect o f th is new slurry and its super ior ity over trad itiona l Ca lcium based bentonite slurry are br ie fly introduced here re lated to a prac tica l project. Several guiding suggestions are g iven fo r the propag ation of th is new type o f slurry in future practice. K eyword s: d iaphragm wa l;l compound; sodium based; bentonite; slurry; stability m ainta ining m echan ism
杨 勇: 复合钠基膨润土泥浆护壁机理及其工程应用
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续墙槽壁失稳的模式归纳为如下两类: 2. 1. 1 整体失稳
在地下连续墙施工过程中, 导墙正下方土体可 能出现鼓出现象, 失稳破坏面沿槽长方向扩展, 多 成矩形或椭圆形分布。其中浅层失稳是整体失稳 的主要形式, 如图 1所示; 2. 1. 2 局部失稳
( 2) 提高泥浆分散性, 增大 泥浆的胶凝强度, 增强泥浆悬浮土渣能力, 提高泥浆重度
表 1的结果表明, 在相同配比条件下, 无论是 瞬时还是长期胶凝强度, 复合钠基膨润土泥浆均较 传统钙基膨润土浆液有了显著提高, 且随着膨润土 含量的增加, 这一差异更为明显, 当 每 350 g 蒸馏 水膨润土掺量为 22. 5 g 时, 复合钠基膨润土泥浆 的 10 s胶凝强度约为传统钙基膨润土浆液的 22 倍, 而 10 m in 胶凝强度则为传统钙基膨润土浆液 的 11. 75倍。如图 5所示, 复合钠基膨润土泥浆中
图 4 复合钠基膨润土及钙基膨润 土水化膨胀示意图
F ig. 4 H ydration expans ion o f com pound sod ium based benton ite slurry and ca lc ium based benton ite slurry
的链条形高分子聚合物在水中形成具有网状交联 结构的胶体溶液, 这种胶体系统分散度很高, 表面 积大, 吸附作用更为显著。复合钠基膨润土泥浆, 其膨润土加量比一般市场上的加量要小, 在水中的 分散性较好, 胶体率达到 96% 以上。较高的胶体 率有利于吸附钻渣, 因此复合钠基膨润土泥浆悬浮 携带土渣的能力较传统钙基膨润土泥浆有显著提 高。而随着泥浆中悬浮土渣量的增多, 泥浆的重度 得到了提高, 其维护槽壁土体稳定性的能力也由此 得到了增强。
2 泥浆护壁机理
2. 1 槽壁失稳模式 史世雍 [ 1] 通过对大量文献 的总结, 将地下连
* 收稿日期: 2010 01 11(修改稿 ) 作者简介: 杨勇 ( 1971 ), 男, 上海人, 工程师, 主要从事市政工程的相关研究。 E ma i:l yangyong75@ 126. com
2010年第 4期
G eorge M. F ilz[ 3] 等指出泥浆的护壁作用主要 可以归结于以下几个方面:
( 1)由泥浆提供的侧向静水压力 ( 2)泥浆在地连墙墙壁的抹面作用可防止土 体颗粒的移动和流失
( 3)膨润土泥浆形成的泥膜效应 ( 4)渗透入土体的泥浆的胶凝作用 ( 5)由泥浆渗透产生的电渗力 ( 6)沟槽中泥浆的被动抗力 ( 7)泥浆填充产生的三维效应 张厚 美 [ 4] ( 2000 ) , P avol[ 5] ( 2001 ) , 徐 伟 [ 6] ( 2003) , 王轩 [ 7] ( 2006) 等人在研究地下连续墙槽 壁稳定性的分析方法中 均发现, 护 壁泥浆的重度 s 是影响槽壁整体稳定性的重要因素, s 越大, 槽 壁整体稳定安全系数越高, 槽壁也越稳定。 姜朋明 [ 8] 则指出, 槽壁 的稳定性主 要由三部 分构成: ( 1)泥浆对于侧向应力的置换作用, 该部分是 由泥浆重度与水重度之差 s - w 以及土的有效内 摩擦角 两因素构成; ( 2)瞬时侧向卸荷引起负超孔隙水压力而造 成反向吸力增加的侧壁稳定性; ( 3)土的粘聚力 c , 事实上是土的抗拉强度。 其中, 负超孔隙水压力只对槽壁的瞬时稳定性 起作用, 槽壁的长期稳定性则主要受由泥浆置换产 生的侧向力以及侧壁土体的粘聚力控制, 而侧向力 是随着泥浆重度的增大而增加的。 F ilz[ 9] 等的研究表明槽壁 的局部稳 定主要与 泥浆向槽壁土体的渗入有关。抗槽壁塌落的局部 稳定安全系数可定义为由入渗方向 ( 即水平向 ) 渗 透力作用产生的槽壁面上 ( 即竖向 ) 土粒间的摩擦 力与土粒有效重量的比值。 国内外研究成果表明, 泥浆密度高低决定着槽 壁整体稳定性, 而且泥浆的渗透作用则对槽壁土体 的局部稳定性起着非常关键的作用。
2. 3 复合钠基膨润土泥浆护壁机理 传统泥浆组成主要是水、钙基膨润土、黏土以
及 CM C( 提粘剂 ) 等, 属细分散淡水泥浆体系。而 复合钠基膨润土泥浆组成主要是水、复合纳基膨润 土以及添加剂等, 属聚合物泥浆体系。新型复合钠 基膨润土泥浆的主要原料为钠基蒙脱石 ( ENa + /
EC 50% ) , 其 主 要 化学 成 分 为: 蒙 脱 石 ( N a + 0. 33 ( A l1. 67 M g0. 33 ) S i4 O10 ( OH ) 2 ! nH 2 O )、贝得石 N a+ 0. 33A l2 ( Si3. 67 A l0. 33 ) O 10 ( OH ) 2 ! nH 2 O、绿脱石 N a+ 0. 33 F e3+ 2 ( S i3. 67 A l0. 33 ) O 10 ( OH ) 2 ! nH 2 O。上 海隧道工程股份有限公司在实际工程应用中对美
泥浆类型
传统钙基膨润土泥浆
பைடு நூலகம்
复合钠基膨润土泥浆
350 g 水中膨润土含量 ( g)
7
10 14. 5 22. 5
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10 14. 5 22. 5
表观粘度 ( s)
1
1
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塑性粘度 ( s)
0. 5 0. 5 0. 5
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胶凝强度
10 s
1
1
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10 m in
1
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图 2 局部失稳示意图 (史世雍, 2006) F ig. 2 L oca l fa ilure of d iaphragm wa ll ( Sh i Shiyong, 2006)
整体失稳和局部失稳对于成槽的稳定性和地 下连续墙的施工质量均有重大影响。而地下连续 墙开挖稳定性的影响因素则, 包括泥浆性质、地基 土质条件、开挖槽段的 形状以及施工 机械和工艺 等 [ 2] 。其中, 泥浆性质 是影响地下连 续墙槽壁稳 定性和控制施工质量的最重要因素之一。 2. 2 泥浆对槽壁稳定性的影响
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地下空间与工 程学报
第 6卷
国捷高公司生产的新型复合钠基膨润土泥浆与传 表 1所示。该泥浆对于维持地下连续墙沟槽稳定 统钙基膨润土泥浆的特性进行了比较 , [ 12] 结果如 性的作用主要体现在以下几个方面:
表 1 传统钙基膨润土泥浆与复合钠基膨润土泥浆性能比较
T ab le 1 Proper ty com par ison be tween trad itional calcium based ben ton ite slurry and com pound sod ium based ben ton ite slurry
1 引言
自 1950年意大利开始在水库大坝中采用地下 连续墙至今, 这一技术已取得了突飞猛进的发展。 现今, 在建筑空间极其狭小的城市中, 地下连续墙 在基坑工程及地下结构物的施作中起着不可替代 的作用。
地下连续墙成槽稳定性是地下连续墙施工质 量的重要保证, 而用于沟槽护壁的泥浆则是维系地 下连续墙成槽稳定的血液。目前国内使用的地下 墙护壁泥浆多为普通钙基膨润土泥浆, 该泥浆在实 际使用中的损耗较大, 且其成分中缺乏有如抑制槽 壁壁面土层坍塌的、利于挖掘土悬浮并抑制其分散
关键词: 地下连续墙; 复合钠基膨润土; 泥浆; 护壁机理
中图分类号: TU457 文献标识码: A
文章编号: 1673- 0836( 2010) 04- 0838- 07
Stability maintaining M echanism of Compound Sodium based Bentonite Slurry and Its Application in Practical Engineering
第 6卷 第 4期 2010年 8月
地下空间与工程学 报 Chinese Journal o fU nderground Space and Eng ineering
V o.l 6 A ug. 2010
复合钠基膨润土泥浆护壁机理及其工程应用*
杨勇
(上海隧道工程股份有限公司, 上海 200233)
摘 要: 对复合钠基膨润土泥浆的护壁机理进行阐述, 根据近年来隧道股份引进新型钠基 膨润土泥浆在上海及周边地区轨道交通施工地下连续墙工程中应用的相关经验, 结合一工程 实例对复合钠基膨润土泥浆的实际应用效果及相对传统钙基膨润土泥浆的优势进行简单介 绍, 并对该泥浆在实际应用中的推广提出几点指导性的建议。
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( 1) 增大泥浆的保水性和流变性, 提高泥浆的 粘度和浆液稳定性
如图 4所示, 微观环境下看, 复合钠基膨润土 由许多叠的小平板组成, 较传统钙基膨润土有更高 的膨胀率, 其水化后的 膨胀倍数为钙 基膨润土的 10倍以上。复合钠基膨润土是高膨 胀性粘土, 有 强大的吸水能力, 能在水中高度分散搭接成网络结 构, 并使更多的自由水 转变为网络结 构中的束缚 水, 从而形成具有更高灵敏度的非牛顿液体类型的 触变性凝胶。在静止的时候, 泥浆结构稳定, 可有 效悬浮钻屑, 支撑槽壁, 而一旦对其进行充分扰动, 其流动性又变的非常好, 可轻易泵送, 不会对其它 工序产生不利影响。复合钠基膨润土的这一特性 使其与水混合后形成的膨润土浆液较传统钙基膨 润土浆液具有更高的粘滞性。如表 1所示, 在相同 配比条件下, 复合钠基膨润土浆液的粘度均为传统 钙基膨润土浆液粘度的 5倍以上, 且随着膨润土含 量的增加这一差异更为明显, 当每 350 g 蒸馏水中 膨润土含量为 22. 5 g 时, 复合钠基膨润土浆液的 表观粘度约为传统钙基膨润土浆液的 44倍, 而复 合钠基膨润土浆液的塑性粘度约为传统钙基膨润 土浆液的 20倍。
的、防止浆液受污染而破坏分子结构的等不同类型不 同作用的复合材料, 不利于回收泥浆的分离处理和固 化废弃以满足周边环境保护要求的。此外, 随着我国 轨道交通的蓬勃发展, 地下连续墙施工技术在未来的 应用也将遇到越来越多的挑战, 如不断加大的施工深 度, 愈加复杂的施工条件及地质条件, 传统的钙基膨 润土泥浆已经很难满足施工要求。因此, 对于新型护 壁泥浆的研发或引进和使用刻不容缓。
在泥皮形成前, 新鲜开挖面即槽壁土体的稳定 主要是由泥浆渗透产生的渗透力来维持的。当渗 透力无法与槽壁土压力平衡时, 局部失稳发生, 如 图 2所示。
图 1 整体失稳示意图 (史世雍, 2006) F ig. 1 G lobal failure of d iaphragm wa ll
( Sh i Shiyong, 2006)