泥漿壓濾處理技術理論分析及試驗研究

樓春暉，張忠苗，房 凱

（浙江大學 巖土工程研究所，杭州310058）

泥漿在鉆孔灌注樁施工過程中起著至關重要的作用，被稱之為鉆孔樁的“血液”。但是多余的泥漿以及廢棄泥漿的處理始終是困擾鉆孔樁施工的重要難題。近年來，隨著城市建設對環境的要求越來越高，產生了各種不同的泥漿處理方式［1－5］，壓濾技術作為一種新型的處理方式已被應用于廢棄泥漿處理當中，并取得了很好的處理效果［6］。

壓濾處理是一種固液分離方式，這種固液分離方式現已廣泛應用于選礦、冶金、化工、環保等部門，成功實現了各種污水、礦渣、鉆井泥漿等的處理［7－10］。目前關于壓濾技術的研究較少，李慶斌等人通過固結理論得出了濾餅內局部液壓在過濾壓密期間的分布規律［11］，但是沒有給出壓濾壓力、壓濾時間等參數的關系。Bolton和McKinley通過水泥漿的壓濾固結試驗對壓濾技術中的各項參數的關系作出了初步的分析總結［12］，為泥漿的壓濾作出了很好的參考。由于在壓濾技術方面的理論研究的不足，在其運用過程中仍然存在很多問題亟待解決，本文將通過模型分析對壓濾時間、壓濾壓力等參數的選取提供一定的依據。

1 壓濾機工作原理

壓濾機固液分離的基本原理是：混合液流經過濾介質（濾布），固體停留在濾布上，并逐漸在濾布上堆積形成過濾泥餅。而濾液部分則滲透過濾布，成為不含固體的清液。隨著過濾過程的進行，濾餅過濾開始，泥餅厚度逐漸增加，過濾阻力加大。過濾時間越長，分離效率越高［6］。

在壓濾過程中，壓濾壓力、壓濾時間等參數的選擇對壓濾的效果有著直接且重要的影響［13－14］。通過本文的試驗以及理論模型對壓濾機理進行研究，可以為鉆孔樁泥漿壓濾中參數的選擇提供一定的依據。

2 壓濾計算模型與假定

為了探究泥漿在壓濾機內受壓排水的具體過程以及與壓濾結果有關的各項參數之間的關系，本文對壓濾機內部進行了簡化模擬，建立了壓濾計算模型，如圖1所示，泥漿在壓力作用下進行一維壓縮，上部為不透水活塞，下部為過濾介質，允許水分自由排出。

圖1 泥漿壓濾計算模型

該理論模型的基本假定如下：

1）泥漿是均質的，由土顆粒和水構成的懸濁液。

2）泥漿中的土顆粒是不可壓縮的。

3）泥漿的壓縮和泥漿中水的滲流只沿豎向發生，是單向一維的。

4）泥漿中水的滲流服從達西定律。

5）外荷載是一次瞬時施加的。

6）在壓濾過程中，壁效應作用所引起的濾餅不均勻堆積部分可忽略。

對于壓濾的過程，本文假定其分為2個階段，第1階段為泥漿中多余水分的排出，第2階段在壓力作用下，泥漿孔隙比進一步減小。

第1階段如圖2所示，設此階段濾餅的厚度為Lc，濾餅內孔隙比由上至下呈線性變化，頂部孔隙比為eg，底部為ec（將第1階段濾餅稱作半濾餅），上層部分則為孔隙比為eg的均質泥漿層，隨著壓濾的進行，上層泥漿逐漸減少，半濾餅厚度逐漸增加，當泥漿通過壓濾均成為半濾餅后（即泥漿受壓達到孔隙比均小于eg的臨界狀態時），壓濾第1階段結束。

第2階段壓濾基本原理與第1階段相同，如圖3所示，但第2階段時假定最終濾餅為滲透系數為kc，孔隙比為ec的統一均勻層，上層部分為孔隙比為（eg－ec）／2的半濾餅層，當半濾餅全部成為最終濾餅后壓濾完全結束，df為最終濾餅厚度。

圖2 壓濾第1階段示意圖

圖3 壓濾第2階段示意圖

3 壓濾公式推導

第一階段時，活塞位移

式中：ec為濾餅的孔隙比；eg為水泥漿的孔隙比；Lc為固結測試的濾餅厚度。

由于假定半濾餅孔隙比線性變化（如圖4），則距離液面x處的孔隙比為：

大量實驗得出滲透系數與孔隙比存在對數關系，據研究［15］得此對數關系可用式（3）表示。

則由式（2）、（3）得：

圖4 壓濾第1階段孔隙比假定示意圖

式中kc為濾餅滲透系數

由垂直滲流等效滲透系數公式得濾餅處

當第1階段結束時，Lc＝df1。

由達西定律關聯沉降量與壓出的水分得出第1階段壓濾時間

式中γw為水的容重。

而第1階段結束時的濾餅厚度

第2階段活塞位移

圖5 壓濾第2階段孔隙比假定示意圖

根據第2階段假定（如圖5），同理由達西定律得出第2階段壓濾時間

綜合式（5）、（6）、（7）、（9）得出總壓濾時間

4 模型驗證

為了驗證本文建立的理論模型與公式的正確性，引用Bolton和McKinley對水泥漿的壓濾試驗數據［12］。其試驗為水泥漿的單向壓濾試驗，采用單面排水模型（實驗水泥漿的ds為2.71），可見建立的模型與壓濾公式即公式（10）仍然適用于此試驗，具體數據見表1。其中ck的取值是由其試驗數據通過公式（3）反推得到的平均值，ck＝1.2。

表1 水泥漿壓濾試驗數據

此試驗數據中的wc在0.30至0.46之間，取平均值0.41，kc在0.43至1.47×10－6m／s之間，取平均值0.72×10－6m／s，然后將數據代入本文的壓濾公式（式（10））后，得出預測的壓濾時間tf，然后與實測tf進行比較得出結果如圖6所示。

由圖6可見，試驗數據點大部分落在1∶1線附近，但在壓濾時間較長時，預測結果普遍小于實測結果。從理論上分析，隨著時間的增加，濾餅的孔隙比逐漸減小，由于泥漿實際狀態與假設的橫觀均一穩定有一定差別，在小型試驗的情況下，泥漿中的凝塊、少量雜質以及壁效應對滲流的影響累加增大，導致實際壓濾速度無法達到在假定下的理論速度，測試時間越長，其影響越顯著，故造成了如上結果的差異。若當試驗設備尺寸以及濾過壓能增大到接近于實際工程機械時，壓濾時間會進一步縮短，且其他因素的影響也會減小，使得結果更為接近實際?？梢娝⒌哪Ｐ湍軌驅簽V進行較好的模擬。

圖6 預測壓濾時間與實測壓濾時間比較圖

5 參數分析

為了研究影響壓濾過程的一些因素，本文選取了壓濾公式中的幾個重要參數進行了參數分析。圖7給出了壓濾壓力與壓濾時間的關系圖，由圖7可見，壓濾時間隨壓濾壓力的增大而減小，但減小的幅度逐漸降低。從原理分析，當壓濾壓力增大，泥漿排水速度增加，孔隙比降低速度加快，故壓濾時間減?。煌瑫r當壓濾壓力增大時，孔隙比減小到最終濾餅的孔隙比的時間越來越短，故壓濾時間減小的幅度也會隨之降低。因此，增加壓力有利于壓濾的快速完成，但當壓力超過一定值以后，對壓濾時間的影響很小。

圖8給出了不同ck取值時，壓濾壓力對最終泥餅滲透系數的影響。由圖可見，ck越大，在相同壓力下最終泥餅達到的滲透系數越大；壓濾壓力越大，最終泥餅的滲透系數越小，說明壓力越大，最終壓濾效果越好。

圖7 壓濾壓力和壓濾時間關系圖

圖8 不同ck取值下滲透系數關于壓濾壓力的曲線

6 壓濾試驗驗證

為了驗證模型的實用性，本文對泥漿進行了室內壓濾試驗，試驗配置泥漿所使用的土樣來自于杭州地區，屬于粘質粉土，試驗所用的土顆粒經測定得到顆粒級配曲線如圖9所示。

圖9 試驗土的標準顆粒級配曲線

壓濾試驗所配置泥漿的初始含水率在0.66－0.83之間，通過室內試驗得到關系式中ck以及kc的取值（其中ck為3.0，kc值見表2）。試驗過程中濾過壓在21.51～65.53kPa之間，具體數據如表2所示。

表2 室內壓濾試驗數據

由表2數據可見，在給定壓濾時間情況下，由公式推算得到的濾餅孔隙比與實測值之間較接近，進一步驗證了公式的實用性。

對于實際工程所關心的壓濾壓力、壓濾時間以及壓濾效果之間的關系可以通過本文的模型很好的給出。本文的研究對泥漿壓濾技術的進一步發展應用提供了依據。

7 結 論

1）通過研究壓濾機原理，建立了合理的計算模型，推導出了壓濾時間、壓濾壓力等重要參數之間的關系式。

2）通過水泥漿的壓濾試驗數據驗證了本文壓濾公式的合理性。

3）通過對公式中的參數以及變量的分析，可以看出在同等條件下，增加壓力有利于壓濾的快速完成，但當壓力超過一定值以后，對壓濾時間的影響很小。同時壓濾壓力越大，最終泥餅的滲透系數越小，說明壓力越大，最終壓濾效果越好。

4）通過室內泥漿壓濾試驗得出在給定壓濾時間情況下，可以由公式推算得到較為準確的濾餅孔隙比，驗證了公式在實際工程中的實用性。

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