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应用用途

膨润土在顶管施工中的应用

膨润土在顶管施工中的应用,膨润土的特性膨润土首次由美国人福特!本顿于 1890 年发现, 其主要成分是一种叫蒙脱土的粘土矿物。由于膨润土独特的物理、 化学性质, 恰恰满足了顶管施工中为减少顶进时的摩擦阻力的要求。膨润土的蒙脱土是一种层状结构的氢化硅酸钠结晶体, 此结晶体是一种三层结构, 其中包括一层 SiO4 四面体、 一层 Na2( HO)2八面体和一层SiO4四面体。膨润土具有两个主要特性: 一是遇水膨胀特性, 由于内部电荷分布的不均匀, 膨润土与水接触时, 水分子便渗入晶体各叠层之间空隙, 晶体体积急剧膨胀, 最大可膨胀到原来体积的 10 倍左右。另一个特性是膨润土悬浮液的触变性, 膨润土悬浮液静止时, 薄片状的蒙脱土微粒彼此间相互接触,相互支撑而形成一种象纸牌搭起的房子样的凝胶结构, 一旦这种静止状态被扰动, 如由于搅拌、 振动或泵送等, 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形成溶胶, 当这种溶胶再次静止下来蒙脱土微粒又会彼此搭在一起形成纸牌房子式结构, 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, 膨润土悬浮液这种从凝胶到溶胶及从溶胶到凝胶状态可以无限制地重复下去, 这就是膨润土悬浮液的触变性。3膨润土顶管施工中的作用机理在顶管施工时, 千斤顶推动管材前进需要克服机头前阻力和管材与周围土体间的摩阻力, 相对管外摩阻力来说, 机头前阻力( 一般 200 kN 左右) 要小得多, 故要降低千斤顶推力、 提高顶进距离, 关键是要降低管外摩阻力。由摩擦定律得: T = N ∀ u。式中: T ## # 切向力;N # ## 法向力;u# ## 摩擦系数。由上述公式可知要降低 T , 一方面可降低法向力, 另一方面可降低摩擦系数。由于机头外径比管材外径大, 即机头推进时形成的土洞与管材之间存在着一定的空隙, 在顶进过程中通过压浆泵向管材与周围土体间的空隙内注入膨润土悬浮液, 悬浮液在管外转变成凝胶并迅速形成浆套, 并转变成凝胶, 可阻止周围土体及地下水进入空隙内。浆套的形成一方面使管材与土体间的干摩擦转化管材与膨润土悬浮液间的液体摩擦, 根据物理学知识, 管材与土体间的摩擦形式为滑动摩擦, 滑动摩擦又分为干摩擦和液体摩擦, 如不注入膨润土悬浮液, 管材与土体直接摩擦为干摩擦, 摩擦系数大, 而且在顶进过程中由于管材表面不断被地层磨毛, 摩擦系数将持续增大。膨润土悬浮浆套的形成使管材与土体间的干摩擦转化管材与膨润土悬浮液间的液体摩擦, 摩擦系数 U 大大减少, 摩擦力相应降低。另一方面顶进管材整个圆周被包围, 浮力定律便对其有效, 可以计算出浮力大小, 假定管材管壁厚度 D = 0. 1D内, 而D外= 1. 2D内, 则:管材重量 G = {( 1. 2D内)= 0. 44/ D内2!!! L。浮力 A = ( 1. 2D内)2/4! ∃ ! L。由此可得出管重与浮力的比值:G/ A = (0. 44/4D内2! !!L )/ [( 1. 2D内)2/ 4! ∃!L ]。式中: # ## 钢筋混凝土容重, 2. 5 t/ m3; ∃# ## 膨润土悬浮液容重, 1. 45 t/m3。代入上式得 G/ A = 1/1. 4, 由此可知浮力为管重的 1. 4 倍,这样由于膨润土悬浮液的浮力作用使法向力 N 相应降低。由此可见, 膨润土悬浮液的重要作用: 1) 形成浆套使管材与土体间的干摩擦转化为液体摩擦, 降低摩擦系数 U; 2) 通过对管材的浮力降低法向力 N , 从而使管材顶进过程中的摩擦阻力减少, 进一步起到降低千斤顶推力和提高顶进长度的作用。4工程实例台州市路桥区由于历史原因未形成系统的污水管网, 各生活污水、 工业废水都直接排入河流, 造成运河水质严重污染, 市政府为改善河流水质, 特投资建设了污水干管和一号~ 四号污水次干管工程用于接纳污、 废水, 送入处理厂处理后再集中排放, 其中三号次干管工程主要用于接纳城东北区的污废水, 工程全长 5. 3 km,为避免混凝土路面大面积开挖和避开沿线的交通拥挤等问题全线采用顶管法施工。在顶进过程中采用膨润土进行注浆减摩, 发挥了极大的效应。现以其中的 W40~ W45 段进行说明。W40~ W45 段, 全长 258. 5 m, 管材穿越淤泥质粘土层, 覆土厚度平均为 3. 5 m, 管材采用 DN1200 钢筋混凝土 F 管, 管材允许最大顶力为 2 900 kN, 可按照 GB 50268

 A1工程概况工程区内广泛分布着厚度较大的新近沉积土层, 总厚度约12 m, 其中软塑粘性土层厚度约 6 m~ 7 m。区内自然地面高程约 719. 40 m, 地下水埋深 1. 77 m。拟建的主要建筑物包括烟囱( H = 40 m) 、 水塔( H = 38 m) 、锅炉房及加压泵站。设计要求天然地基承载力设计值 f0 达到150 kPa, 而实际天然地基承载力特征值 fa仅达到 60 kPa, 故需进行地基加固处理。2地基加固处理方案采用连续螺旋钻成孔后制桩, 使之在自然软弱土层中形成柱状加固体, 由这些柱状加固体和自然土层共同构成建筑物基础的持力层, 达到提高地基承载力和减小地基变形的目的。1)桩孔布置: 桩管直径 325 mm, 桩靴直径 340 mm, 平面上在基础范围内呈三角形满堂分布, 桩距 1. 30 m, 桩长 9. 0 m。2)灌注材料配比: 经过试验比较, 选定灌注材料由碎石、 石屑、 425 号普通硅酸盐水泥和粉煤灰组成, 有调节桩体强度、 减少算式求出在不进行任何注浆减摩情况下顶进所需总顶力:P= f! r!D1[(2H + D1) tg2( 45%- /2)+ W/ r!D1]!L + PN。式中: r # ## 管道所处土层的重力密度为 17. 5 kN/m3;D1# ## 管道外径 1. 44 m;H # ## 管顶覆土厚度 3. 52 m;# ## 土层内摩擦角, 根据地质勘察报告取 8%;W ## # 管道单位长度自重 12. 2 kN/ m;L # ## 管道计算顶进长度 258. 5 m;f ## # 管道与土层间摩擦系数, 按规范附表取 0. 2;PN## # 机头迎面阻力按经验取 200 kN。代入各值计算得:P= 18 247. 2 kN。而管材允许顶力只有 2 900 kN, P/ P允= 18 247. 2/ 2 900= 6. 3,显然如果不采取措施盲目顶进, 管材势必破裂, 工程将报废。可采取的措施一是增加中继间, 由计算结果可知至少要增加六个中继间, 另一措施就是注入
膨润土悬浮液。如增设中继间, 成本加大, 顶进速度将极大降低, 工程工期不允许。根据以往的实践经验及现场地质报告和经过缜密的计算, 大胆决定采用只进行压注膨润土浆液进行减摩而一次性顶完全程方案。这段顶进的具体设备、 工艺条件如下:顶管机头: 采用 D1200 土压平衡机头;千斤顶: 为四个各 200TR 的活塞式液压千斤顶;膨润土: 浙江安吉勤立膨润土矿生产的 AP1C2 型膨润土;膨润土悬浮液浓度: 75 kg/ m3;注浆压力: 0. 1 MPa~ 0. 6 MPa;膨润土悬浮输送设备: 上海市三星水泵厂 I IB1. 5寸螺杆泵;注浆孔布置: 机头后三节每节安装注浆管, 其后 18 节每三节安装注浆管, 再其后 65 节每四节安装浆管。这一段顶管时间为 2004. 12. 23~ 2005. 1. 15, 共延时 24 d, 平均顶进 10. 75 m, 顶管千斤顶的油压从最初进洞时的 2 M Pa, 缓慢增长到顶完全程最后一节的 7. 5 MPa, 由此可以计算出压注膨润土悬浮液后, 顶管的实际最大顶力:P实= P千斤顶油压∀ F千斤顶活塞面积= 7. 5∀ 103( 4∀ ∀ 0. 252/ 4)= 1 472. 5 kN(管材的允许顶力为 2 900 kN)。再将注浆后的实际顶力与前面按规范计算的未注浆的理论顶力相比较:P实/ P= 1 472. 5/ 20 894. 5= 1/14。由此可以看出, 膨润土顶管施工中大大减少顶进阻力。5结语由于膨润土在减摩上显著的功效性及相对于新兴的高分子润滑浆液而言的经济易得性, 使其在顶管施工中得到了广泛应用, 并进一步推动了顶管技术的发展, 为更长距离顶管的实现提供了理论与实践依据。
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