頂管施工過(guò)程中膨潤(rùn)土潤(rùn)滑作用試驗(yàn)研究

郭 偉 謝 昊 武仁杰 周博文

（1.中鐵七局集團(tuán)第五工程有限公司，鄭州 河南 450016；2.鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院，鄭州 河南 450001）

膨潤(rùn)土的主要成份是蒙脫土（一種層狀結(jié)構(gòu)的結(jié)晶氫化硅酸鋁），具有吸濕膨脹性、低滲性、高吸附性及良好的自封閉性能。 膨潤(rùn)土觸變泥漿是目前頂管施工過(guò)程中應(yīng)用最多的潤(rùn)滑劑， 當(dāng)配比得當(dāng)并且保證足夠的穩(wěn)定厚度時(shí)，能在土（軟黏土、一般性黏土、粉沙和細(xì)砂、沙礫甚至卵礫石）中起支撐、潤(rùn)滑和防噴涌作用，并能對(duì)頂管起懸浮作用[1-2]。 當(dāng)以不同的比例將膨潤(rùn)土觸變泥漿和實(shí)際粘土調(diào)配成漿土混合物時(shí)， 混凝土面板與漿土混合物的摩擦系數(shù)也不相同。 對(duì)膨潤(rùn)土配比的研究是工程建設(shè)中的重要內(nèi)容。

1 混凝土與泥漿之間摩擦試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

頂管頂進(jìn)摩阻力主要有3 部分： 工具套外壁在無(wú)泥漿套情況下的摩阻力、 頂管兩側(cè)及頂部的摩阻力以及頂管底部的摩阻力[3]。 當(dāng)采用原型材料進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，只考慮漿液對(duì)頂管壁的面力作用， 頂管底面的應(yīng)力也是作為面力作用在頂管上。 因此， 模擬試驗(yàn)實(shí)際上是結(jié)構(gòu)模擬試驗(yàn)，模型的摩擦系數(shù)與原型相應(yīng)的摩擦系數(shù)相同。 也就是說(shuō)，原型與模型摩擦系數(shù)的換算關(guān)系為：側(cè)面摩擦系數(shù)，f原=f模；底面摩擦系數(shù)，μ原=μ模[4]。

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

將不同注漿壓力下漿土混合物與混凝土柱之間的摩擦作為主要控制條件， 考慮到原型頂管與泥漿套間有一定間距， 模型中將混凝土柱與試驗(yàn)箱地板間距取為10cm。 試驗(yàn)?zāi)Ｐ透髦饕O(shè)計(jì)尺寸如下： 試驗(yàn)箱凈尺寸為400mm（寬）×500mm（高）×500mm（長(zhǎng)），混凝土柱模型為200mm×200mm×1200mm。 用千斤頂頂進(jìn)混凝土柱， 千斤頂反力后座與試驗(yàn)箱間用鋼柱連接。 試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷氖疽鈭D如圖1 所示。

圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽鈭D

1.2 相似材料

模擬試驗(yàn)的對(duì)像為頂管的一段，用混凝土柱來(lái)模擬。模型土層材料與現(xiàn)場(chǎng)相同， 由現(xiàn)場(chǎng)4 層土的土樣重塑而成（確保物理力學(xué)性質(zhì)與原狀土的物理力學(xué)性質(zhì)符合相似條件）。 將制成的不同配比的膨潤(rùn)土觸變泥漿與重塑土再以不同比例混合，制成試驗(yàn)使用的漿土混合物。

1.3 注漿壓力的模擬

注漿土壓力的模擬可以通過(guò)在試驗(yàn)箱頂板中央對(duì)稱布設(shè)4 個(gè)千斤頂對(duì)稱施壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2 試驗(yàn)設(shè)備的設(shè)計(jì)

2.1 加載系統(tǒng)和設(shè)備

下面對(duì)試驗(yàn)中可能出現(xiàn)對(duì)摩阻力最不利的情況進(jìn)行模擬。

2.1.1 混凝土柱兩側(cè)及頂?shù)撞康哪ψ枇Γ?/p>

式中，A 為兩側(cè)及頂?shù)撞康拿娣e（cm2）；f 為摩阻面集度（T/m2），估取2.0T/m2（預(yù)留一定的安全儲(chǔ)備）。

2.1.2 混凝土柱與試驗(yàn)箱接口處的摩阻力：

2.1.3 設(shè)計(jì)總推力：

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，同時(shí)考慮到上覆壓力加大時(shí)，所需推力也要增大，頂推設(shè)備選用1 個(gè)5T 的液壓千斤頂（置于混凝土柱后端）。

頂部采用4 個(gè)量程為10T 的千斤頂施加頂部壓力來(lái)模擬不同的注漿壓力[5]。

2.2 測(cè)試系統(tǒng)

采用油壓表（橫向推力一個(gè)，豎向壓力合為一個(gè)）來(lái)測(cè)量千斤頂?shù)捻斄ΓM(jìn)而通過(guò)換算得到摩擦系數(shù)。

3 試驗(yàn)內(nèi)容

3.1 漿液配比

在空箱狀態(tài)下頂進(jìn)混凝土柱， 記錄千斤頂在一次推進(jìn)加載過(guò)程中出現(xiàn)的最大推力及混凝土滑動(dòng)后的穩(wěn)定推力。 在不同的注漿壓力下模擬實(shí)際工程的膨潤(rùn)土泥漿進(jìn)行注漿，500mm 的頂進(jìn)距離可以讀取20 組數(shù)據(jù)。 控制試驗(yàn)條件為：加壓且不排水。 本試驗(yàn)配制的膨潤(rùn)土觸變泥漿的各成分間的質(zhì)量比例為膨潤(rùn)土：純堿：CMC（增粘劑）：水＝1：0.087：0.011：7.065[6]。以不同的比例將該觸變泥漿與實(shí)際的粘土配制成漿土混合物。 同時(shí)，在不同的漿土混合物條件下， 測(cè)量混凝土面板與各漿土混合物間的摩擦系數(shù)，測(cè)量混凝土面板與鋼管間的摩擦系數(shù)[7]。試驗(yàn)采用了5種不同的比例配制成漿土混合物。 設(shè)漿土混合物中觸變泥漿的質(zhì)量為mG，粘土質(zhì)量為mC，令比例系數(shù)ξ＝mG/mC，則5 種漿土混合物成分間的質(zhì)量比例以及混合物密度ρ、重度γ 等參數(shù)如下[8]。

3.1.1 I 號(hào)－漿土混合物膨潤(rùn)土

純堿：CMC：水：粘土＝0.92kg：0.08kg：0.01kg：6.50kg：52.20kg；ξ=0.1439， 密 度ρ ＝1.659g/cm3， 重 度γ ＝16.258 kN/m3。

3.1.2 II 號(hào)－漿土混合物

膨潤(rùn)土：純堿：CMC：水：粘土＝1.84kg：0.16kg：0.02kg：13.00kg：78.30kg；ξ=0.1918， 密度ρ＝1.623g/cm3， 重度γ＝15.905kN/m3。

3.1.3 III 號(hào)－漿土混合物

膨潤(rùn)土：純堿：CMC：水：粘土＝2.76kg：0.24kg：0.03kg：19.50kg：78.30kg；ξ=0.2877， 密度ρ＝1.563g/cm3， 重度γ＝15.317kN/m3。

3.1.4 IV 號(hào)－純泥漿

膨潤(rùn)土：純堿：CMC：水：粘土＝0.92kg：0.08kg：0.01kg：6.50kg：0.00kg；ξ=∞， 密度ρ＝1.073g/cm3， 重度γ＝10.515 kN/m3。

3.1.5 V 號(hào)－純粘土

膨潤(rùn)土：純堿：CMC：水：粘土＝0.00kg：0.00kg：0.00kg：0.00kg：52.20kg；ξ=0，密度ρ＝1.8g/cm3，重度γ＝17.64kN/m3，含水量w=37.24%。

3.2 試驗(yàn)步驟

具體試驗(yàn)步驟如下：

3.2.1 將混凝土柱置于安放好的試驗(yàn)箱中， 確保接口處是密閉的。 在一次推進(jìn)加載的過(guò)程中讀取各油壓表讀數(shù)，混凝土柱滑動(dòng)后再讀取各油壓表讀數(shù)。

3.2.2 將混凝土柱復(fù)位。

3.2.3 往試驗(yàn)箱內(nèi)適當(dāng)填入一種漿土混合物， 同時(shí)變化頂部4 個(gè)千斤頂?shù)膲毫σ阅M不同的注漿壓力。

3.2.4 在一次推進(jìn)加載的過(guò)程中讀取各油壓表讀數(shù)，混凝土柱滑動(dòng)后再讀取各油壓表讀數(shù)。

3.2.5 復(fù)原后進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)， 或更換漿土混合物進(jìn)行試驗(yàn)。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖2 混凝土面板與I 號(hào)漿土混合物間的摩擦系數(shù)

圖3 混凝土面板與II 號(hào)漿土混合物間的摩擦系數(shù)（第1、2 組）

圖4 混凝土面板與II 號(hào)漿土混合物間的摩擦系數(shù)（第3、4 組）

圖5 混凝土面板與II 號(hào)漿土混合物間的摩擦系數(shù)）（第5、6 組）

圖6 混凝土面板與II 號(hào)漿土混合物間的摩擦系數(shù)（第7、8 組）

圖7 混凝土面板與III 號(hào)漿土混合物間的摩擦系數(shù)（第1、2 組）

圖2～圖10 給出了混凝土面板與漿土混合物間摩擦系數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果。表1 進(jìn)一步給出了圖2～圖10 中試驗(yàn)結(jié)果的均值。 從圖中可以看出，最大靜摩擦系數(shù)以及滑動(dòng)摩擦系數(shù)（混凝土面板與各漿土混合物間）基本呈隨質(zhì)量比ξ 的增大而逐漸減小的變化趨勢(shì) （在ξ=0 純粘土?xí)r最大，在ξ=∞純觸變泥漿時(shí)最小）。同時(shí)，在各種質(zhì)量比下，最大靜摩擦系數(shù)均比滑動(dòng)摩擦系數(shù)略大一點(diǎn)， 但差別并不十分明顯。

圖8 混凝土面板與III 號(hào)漿土混合物間的摩擦系數(shù)（第3、4 組）

圖9 混凝土面板與Ⅳ號(hào)純泥漿間的摩擦系數(shù)

圖10 混凝土面板與V 號(hào)純粘土間的摩擦系數(shù)

表1 混凝土面板與各漿土混合物間的摩擦系數(shù)（平均數(shù)）匯總表

由表1 可以看出， 相比混凝土面板與純粘土之間的摩擦系數(shù)， 混凝土面板與漿土混合物之間的摩擦系數(shù)有所減小。 從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，控制漿土混合物的質(zhì)量比在0.2～0.3 為宜， 頂管頂進(jìn)過(guò)程中摩擦系數(shù)會(huì)顯著降低，可降低到原來(lái)的0.28 倍左右。

5 結(jié)論

本文介紹了室內(nèi)膨潤(rùn)土摻量配比試驗(yàn)和室內(nèi)模型試驗(yàn)， 以不同比例將膨潤(rùn)土觸變泥漿與實(shí)際粘土組成漿土混合物， 在不同漿土混合物的作用下測(cè)量混凝土面板與各漿土混合物間的摩擦系數(shù)。 通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果分析膨潤(rùn)土摻量對(duì)潤(rùn)滑作用的影響，初步得出如下研究結(jié)論。

5.1 在沒(méi)有排水固結(jié)的條件下， 最大靜摩擦系數(shù)以及滑動(dòng)摩擦系數(shù)（混凝土面板與各漿土混合物間）基本呈隨質(zhì)量比ξ 的增大而逐漸減小的變化趨勢(shì) （在ξ=0 即純粘土?xí)r最大，在ξ=∞即純觸變泥漿時(shí)最小）。

5.2 在沒(méi)有排水固結(jié)的條件下， 注入觸變泥漿可以降低頂管與周圍土體的摩擦系數(shù)。 根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，建議控制漿土混合物的質(zhì)量比不小于0.2～0.3， 頂管與土體間摩擦系數(shù)可降低到原來(lái)的0.28 倍左右， 即由0.038 降到0.010 左右。

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