超深地下連續(xù)墻泥漿材料特性及配比試驗研究

龔振宇，徐前衛(wèi)，孫梓栗，賀 翔

(1.中鐵五局電務(wù)城通公司， 湖南 長沙 410205；2.同濟大學(xué) 道路與交通工程教育部重點實驗室， 上海 201804)

地下連續(xù)墻作為基坑圍護的一種重要形式，具有剛度大、整體性強以及可進行逆作法施工等優(yōu)點。但是在實際施工過程中常常發(fā)生槽壁坍塌現(xiàn)象。因此，地下連續(xù)墻成槽過程中常采用泥漿護壁，通過泥漿對槽壁產(chǎn)生的靜壓力，并在槽壁上形成泥皮，從而有效地防止基槽、孔壁坍塌[1]。曹豪榮等[2]研究發(fā)現(xiàn)槽壁失穩(wěn)表現(xiàn)為表層土體的整體失穩(wěn)以及軟弱夾層的局部失穩(wěn) 2 類破壞模式。地下連續(xù)墻成槽施工全過程中泥漿始終充滿槽段，作為保證槽壁穩(wěn)定的常用手段，對泥漿材料及配比的研究有著重要意義。

針對護壁泥漿的材料及性能，目前已有一些學(xué)者進行了相關(guān)的研究。其中，在泥漿配比方面，董宏波等[3]、張山等[4]分別分析了膨潤土以及各種添加劑對泥漿性能的影響，根據(jù)正交試驗測定泥漿性能優(yōu)化配比。在槽壁穩(wěn)定性力學(xué)分析方面，歐明喜等[5]提出槽壁開挖將導(dǎo)致地下連續(xù)墻黏性土夾砂層土體單元產(chǎn)生負(fù)孔隙水壓力，局部穩(wěn)定性系數(shù)將會隨負(fù)孔隙水壓力的消散逐漸降低。王世君等[6]研究發(fā)現(xiàn)，增大泥漿重度、泥漿面超高以及土體的抗剪強度指標(biāo)，可有效的提高槽壁穩(wěn)定性；而地面超載的增大，會降低槽壁穩(wěn)定性。在泥漿重度理論計算方面，崔根友等[7]和易岸峰[8]通過建立了地下連續(xù)墻成槽施工槽壁土體整體穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定性力學(xué)模型，推導(dǎo)得到保證地下連續(xù)墻槽壁穩(wěn)定的成槽施工泥漿臨界值公式，并在相應(yīng)工程應(yīng)用中加以論證。

由于泥漿材料種類繁多、性質(zhì)各異，目前對泥漿配制及各組分性能的研究一般缺少系統(tǒng)的試驗分析，而現(xiàn)場施工更多的則是依據(jù)施工人員的經(jīng)驗對泥漿配比進行調(diào)整。另外，雖然部分學(xué)者針對圓形基坑或超深基坑地下連續(xù)墻施工進行了相關(guān)研究[9-12]， 但本文研究的工程背景為超深圓形基坑，其槽壁穩(wěn)定性研究建立在試驗分析及實際施工效果兩方面，其結(jié)果更為典型。

綜上所述，本文采用取自施工現(xiàn)場的泥漿材料進行室內(nèi)配比實驗，分別研究鈉基膨潤土、CMC、Na2CO3等制漿材料對泥漿性質(zhì)的影響，為成槽施工過程中的槽壁穩(wěn)定性控制服務(wù)，并為今后類似工程提供一定的借鑒和參考。

1 工程概況

滇中引水工程龍泉倒虹吸接收井位于昆曲高速與灃源路交叉口西側(cè)綠化帶內(nèi)，基坑屬于超深基坑類型，周邊環(huán)境平面圖如圖1所示。

接收井基坑為R=10.0 m圓形圍護結(jié)構(gòu)，采用1.5 m厚地下連續(xù)墻，成槽深度96.6 m，共計14幅，分兩期施工。地墻接頭型式為銑接頭，墻頂設(shè)鎖口圈梁，連續(xù)墻嵌入基巖。基坑開挖深度77.3 m，內(nèi)襯墻厚度1.0 m。如圖2所示。

圖1 接收井基坑平面示意圖

圖2 接收井立面圖(顯示內(nèi)外墻)

2 泥漿配比試驗材料

2.1 膨潤土

膨潤土性能評價指標(biāo)包括可交換陽離子容量和膨脹性。其主要化學(xué)組分為蒙脫石，少量成分由伊利石、高嶺石等黏土礦物組成。其中蒙脫石含量約占整個膨潤土礦物的80%，決定了膨潤土主要的物理化學(xué)性質(zhì)。

2.2 CMC(羧甲基纖維素)

CMC(羧甲基纖維素)屬于纖維素醚類，廣泛應(yīng)用于石油、食品、醫(yī)藥、紡織和造紙等行業(yè)。CMC最大的特點是溶于水之后會迅速水解為透明的膠體溶液，具有增稠、成膜、黏接、水分保持、膠體保護、乳化及懸浮等作用，酸堿程度顯中性。其性狀為白色固體顆粒狀，在干燥環(huán)境中性質(zhì)穩(wěn)定，可以長時間保存。在本次泥漿配制試驗中采用CMC來快速提高泥漿的黏度，如圖3所示。

圖3 試驗用CMC顆粒

考慮到CMC具有高度親水性及高度增黏性，攪拌不充分會導(dǎo)致外部成膠體阻礙內(nèi)部溶解，不利于其性能發(fā)揮，同時也會導(dǎo)致試驗結(jié)果失準(zhǔn)。因此將CMC配制成0.2%的溶液后再添加，可以有效避免該問題。

2.3 Na2CO3(純堿)

在地下連續(xù)墻施工時，護壁泥漿的pH值要求處于7～10之間，總體偏堿性。因此，配制漿液過程中加入Na2CO3(純堿)可以滿足護壁泥漿的堿性要求，另外，Na2CO3(純堿)還可以提高漿液的穩(wěn)定性，使得泥漿內(nèi)部各組分分布均勻。

2.4 現(xiàn)場<2-2>粉質(zhì)黏土及試驗用砂

地下連續(xù)墻成槽過程中，周圍土體會一定程度溶解并懸浮于泥漿中，黏土層可能導(dǎo)致泥漿重度升高，砂土層可能導(dǎo)致泥漿含砂率增加。因此，試驗時配置一些碾碎的黏土粉末及砂礫，以研究其對泥漿性質(zhì)的影響，現(xiàn)場主要分布的<2-2>粉質(zhì)黏土如圖4所示，試驗用細(xì)砂如圖5所示。

圖4 現(xiàn)場<2-2>粉質(zhì)黏土

3 泥漿試驗流程及測定參數(shù)指標(biāo)

3.1 試驗流程

泥漿配比試驗是按照一定的材料配合比，將膨潤土、CMC、Na2CO3等制漿添加劑混合，然后利用JJ-1型電動攪拌器，以750 r/min的轉(zhuǎn)速將泥漿原料攪拌混合，如圖6所示。接下來，在室溫條件下水化膨脹一定的時間，而后參考相關(guān)規(guī)范給出的測量指標(biāo)及測量方法，主要測量的泥漿指標(biāo)有比重、黏度和pH值等，對比定量分析各種添加劑對泥漿自身主要特性的影響程度，最終使得各項指標(biāo)都滿足施工規(guī)范后，記錄試驗?zāi)酀{的具體配比。

圖5 試驗用細(xì)砂

圖6 泥漿攪拌過程

3.2 泥漿比重

泥漿比重代表漿液中固體顆粒含量的多少，是衡量泥漿與地層之間適應(yīng)性的一個主要指標(biāo)，也是泥漿最重要性能指標(biāo)之一。當(dāng)泥漿比重偏小，固體顆粒含量不足，不利于建立泥膜。當(dāng)泥漿比重偏大，會造成泥漿泵超負(fù)荷運轉(zhuǎn)，泥漿的攜渣能力減弱，固體顆粒會發(fā)生沉積。因此，在地下連續(xù)墻施工時，不僅要考慮槽壁的穩(wěn)定性，還要考慮相關(guān)輸送設(shè)備的承受能力。試驗采用NB-1002型泥漿比重計，所測泥漿的比重為泥漿的重量與4℃時同體積的純水重量之比。

3.3 泥漿黏度

泥漿黏度，一般指塑性黏度，用來反應(yīng)流動的液體抵抗剪切變形能力的大小。過大或過小的泥漿黏度都不利于實際施工。黏度越大，則懸浮攜帶土顆粒的能力越大，泥沙不容易沉淀，沉渣厚度越小且泥皮越厚，可能會出現(xiàn)縮徑或者泥皮脫落的情況；反之，黏度過小會導(dǎo)致泥漿發(fā)生離析分離，成膜失效，泥漿攜渣能力大大降低。所以，漿液黏度是槽壁成膜與否的關(guān)鍵指標(biāo)，同時在施工過程中，黏度合理的漿液可以及時帶走泥沙，避免懸浮顆粒沉積，不會影響到后期混凝土澆筑和墻底質(zhì)量。本試驗采用漏斗黏度計測定。

3.4 pH值

泥漿的酸堿性對泥漿特性、水敏地層的穩(wěn)定、泥漿處理劑的應(yīng)用都有很大影響。本試驗采用pH計測定。

3.5 含砂率

泥漿含砂率是指泥漿中大于74 μm的非黏性土占泥漿總體積的百分含量。在地下連續(xù)墻成槽過程中，若泥漿中含砂率高，會對鉆桿和鉆頭的磨損嚴(yán)重，且會影響泥漿泵的正常工作。因此泥漿制備時需要控制含砂率指標(biāo)。試驗采用ANY-1型泥漿3件套測試儀中的含砂率測試儀進行測定。

3.6 泥漿參數(shù)控制指標(biāo)

結(jié)合地下連續(xù)墻施工經(jīng)驗，擬定的泥漿參數(shù)控制指標(biāo)如表1所示。比較可知，循環(huán)泥漿的比重和含砂率高于新制泥漿，但兩者的黏度相差不大。

表1 泥漿參數(shù)控制指標(biāo)表

4 單因素泥漿配比試驗結(jié)果

4.1 攪拌時間對泥漿性質(zhì)的影響

泥漿的攪拌時間對泥漿性質(zhì)有影響，攪拌時間過短會導(dǎo)致泥漿分散性較差，性質(zhì)不穩(wěn)定。因此，配置“膨潤土∶水=1∶20(即膨潤土50 g、水1 000 g)”的純膨潤土泥漿為基漿。攪拌速度為750 r/min，以攪拌時間0～90 min為變量進行試驗。泥漿性能結(jié)果變化如圖7所示。其中，考慮到實際施工中新漿配置時間不能與成槽施工脫節(jié)，即新漿靜置時間不應(yīng)過長。故試驗設(shè)定靜置時間為1 h。

可以看出，攪拌時間對泥漿比重影響很小，基本處于1.028～1.030范圍內(nèi)，而對泥漿黏度影響較大，在攪拌時間由15 min增至45 min過程中，泥漿黏度由17.5 s快速增至19.8 s，而后保持穩(wěn)定。在攪拌時間為15 min、30 min、45 min時，泥漿黏度測試時濾網(wǎng)濾得泥漿顆粒如圖8所示，當(dāng)攪拌時間為15 min時，泥漿分散效果差，殘余顆粒多；攪拌時間為30 min時，僅剩余少量殘余顆粒；當(dāng)攪拌時間為45 min時，可認(rèn)為已完全溶解。因此，綜合考慮泥漿黏度與分散性，后續(xù)實驗中攪拌時間為45 min。

圖7 攪拌時間對泥漿參數(shù)影響

圖8 不同攪拌時間下泥漿攪拌效果

4.2 靜置時間對泥漿性質(zhì)的影響

膨潤土作為泥漿最主要的組分之一，其膨脹水化的時間對泥漿性能存在影響。因此，設(shè)計試驗研究不同靜置時間下的泥漿性能。配置“膨潤土∶水=1∶20(即膨潤土50 g、水1 000 g)”的純膨潤土泥漿為基漿，以靜置時間0～24 h為變量進行試驗，泥漿性能結(jié)果變化如圖9所示。其中，根據(jù)前文試驗結(jié)果可知，攪拌時間為45 min時，膨潤土顆粒完全溶解。故試驗設(shè)定攪拌時間為45 min。

可以看出，靜置時間對泥漿比重影響很小，比重基本處于1.030附近波動，但靜置時間對泥漿黏度影響較大，靜置時間由0 h增至1 h時，泥漿黏度由17.5 s增至18.5 s，增長速度較快，而后緩慢增加，直至靜置12 h時，泥漿黏度增至19.5 s，靜置24 h時，泥漿黏度為19.9 s。綜合考慮試驗便捷性以及泥漿膨化特性，說明前節(jié)攪拌時間對泥漿性質(zhì)的影響試驗中，泥漿靜置時間定為1 h是可行的。

圖9 靜置時間對泥漿參數(shù)影響

4.3 膨潤土含量對泥漿性質(zhì)的影響

膨潤土造漿率高且易調(diào)節(jié)泥漿性能，因此膨潤土含量對泥漿性質(zhì)也有著重要影響。配置1 000 ml泥漿，設(shè)定攪拌速度為750 r/min、攪拌時間為45 min、靜置時間為1 h，以膨潤土含量為變量進行試驗，泥漿性能結(jié)果變化如圖10所示。

圖10 膨潤土含量對泥漿參數(shù)影響

可以看出，膨潤土量對泥漿的比重、黏度均有一定程度的影響。隨著膨潤土質(zhì)量分?jǐn)?shù)由4.7%增至9.9%，泥漿比重由1.03均勻增至1.07，膨潤土含量每增加1%，泥漿比重約增加0.008。隨著膨潤土含量增加，泥漿黏度呈現(xiàn)指數(shù)型增加，當(dāng)膨潤土含量超過9%時，泥漿黏度增至100 s以上。

4.4 CMC含量對泥漿性質(zhì)的影響

分別配置“膨潤土∶水=1.0∶20.0、1.0∶12.5和1.0∶10.0(即膨潤土50/80/100 g、水1 000 g)”三種“膨水比”的純膨潤土泥漿為基漿，設(shè)定攪拌速度為750 r/min、攪拌時間為45 min、靜置時間為1 h，以CMC含量為變量進行試驗，泥漿性能結(jié)果變化如圖11所示。

可以看出，CMC含量對泥漿比重、pH值影響不大，比重基本處于1.028～1.033范圍內(nèi)，pH值基本處于10.45左右。而CMC含量對泥漿黏度有明顯的提升效果，隨著CMC質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0‰增至0.95‰，1.0∶20.0基漿黏度由19.8 s增至72.2 s，亦即平均0.1‰的CMC即可使1.0∶20.0基漿黏度增加5.5 s。

圖11 CMC含量對泥漿參數(shù)影響

CMC對不同基漿的泥漿的增黏效果有所不同，當(dāng)基漿中膨潤土含量為1.0∶20.0時，加入0.2‰的CMC可使基漿黏度由19.8 s提升至24.8 s，當(dāng)基漿中膨潤土含量為1.0∶12.5時，加入0.2‰的CMC可使基漿黏度由30.1 s提升至48.9 s，基漿中膨潤土含量為1.0∶10.0時，加入0.2‰CMC可使基漿黏度由52.8 s提升至213.4 s。CMC對不同基漿的黏度影響差異與泥漿中的固體顆粒含量有關(guān)，因為泥漿中的黏土顆粒一般呈不規(guī)則狀，泥漿顆粒的表面性質(zhì)也非常不均勻，泥漿顆粒之間通過分子間作用力互相連接，構(gòu)成網(wǎng)狀絮凝結(jié)構(gòu)。當(dāng)泥漿中的黏土顆粒濃度增大，形成連續(xù)空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的效果也越明顯，會導(dǎo)致泥漿黏度變得更大。所以，在添加CMC添加量應(yīng)有效控制，當(dāng)需要泥漿黏度快速提高到一個較高的施工水平時，可以考慮添加CMC。

4.5 Na2CO3含量對泥漿性質(zhì)的影響

分別配置“膨潤土∶水=1.00∶6.25、1.00∶7.70、1.00∶9.10、1.00∶10.00、1.00∶12.50(即膨潤土160/130/110/100/80 g、水1 000 g)”的純膨潤土泥漿，設(shè)定攪拌速度為750 r/min、攪拌時間為45 min、靜置時間為1 h，以Na2CO3含量為變量進行試驗，泥漿性能結(jié)果變化如圖12所示。

圖12 純堿含量對泥漿參數(shù)影響

可以看出，純堿含量對泥漿比重影響不大，其中1.00∶10.00的基漿比重基本處于1.06～1.07范圍內(nèi)，但是純堿含量對泥漿的黏度有明顯的降低效果，對泥漿pH值有一定的提升效果。隨著純堿質(zhì)量百分比由0增至1%，各組泥漿黏度均大幅度下降，基漿“膨水比”越大，黏度降低越明顯。例如，1.00∶10.00的基漿黏度由52.8 s降至23.57 s，降低達(dá)29.2 s；1.0∶7.7的基漿黏度由122.02 s降至27.33 s，降低達(dá)94.7 s；當(dāng)純堿含量達(dá)到1%后，泥漿黏度均處于30 s左右的較低水平。因此，在施工應(yīng)加入適量的純堿，從而避免泥漿黏度過高影響流動性，同時提高泥漿的穩(wěn)定性。

此外，pH值隨著純堿含量增加亦有所提高，如對于1.00∶10.00的基漿，加入0.7%的純堿可使得其pH值從10.5升至10.8。需要注意的是，在水中加入膨潤土之前就應(yīng)加入純堿，使之形成Na2CO3溶液，這對膨潤土的分散效果影響更為明顯。

4.6 細(xì)砂含量對泥漿性質(zhì)的影響

由于施工中地下連續(xù)墻成槽不可避免地會穿越砂層或夾砂層，因此泥漿中可能會夾雜細(xì)砂，為研究這些細(xì)砂對泥漿性能影響，配置“膨潤土∶水=1.0∶20.0、1.0∶12.5和1.0∶10.0(即膨潤土50/80/100 g、水1 000 g)”的三種純膨潤土泥漿為基漿，設(shè)定攪拌速度為750 r/min、攪拌時間為45 min、靜置時間為1 h，以細(xì)砂含量為變量進行試驗，泥漿性能結(jié)果變化如圖13所示。

圖13 細(xì)砂含量對泥漿參數(shù)影響

可以看出，砂含量主要對泥漿的含砂率影響較大，但對其比重、黏度、pH值影響很小。隨著細(xì)砂添加量由0增至2‰，各組泥漿含砂率均明顯增加，但細(xì)砂添加量由2‰增至6‰時，各組泥漿含砂率并未有明顯提高，而是處于波動狀態(tài)，即存在上限值。根據(jù)上文分析可知，不同配比的泥漿，其黏度與重度差距較大，其中黏度越大，泥漿懸浮顆粒能力越強，因此含砂率上限也越高。因此，在施工中可通過控制黏度來一定程度上控制含砂率。

4.7 黏土含量對泥漿性質(zhì)的影響

由于施工中地連墻成槽不可避免經(jīng)過黏土層，因此泥漿中不可避免會夾雜些許黏土，為研究這些黏土顆粒對泥漿性能影響，配置膨潤土∶水為1∶20(即膨潤土50 g、水1 000 g)的純膨潤土泥漿為基漿，設(shè)定攪拌速度為750 r/min、攪拌時間為45 min、靜置時間為1 h，以黏土含量為變量進行試驗，其中黏土取施工現(xiàn)場<2-2>粉質(zhì)黏土，碾至成粉方可為實驗所用，實驗所得泥漿性能結(jié)果變化如圖14所示。

圖14 黏土含量對泥漿參數(shù)影響

可以看出，黏土含量對泥漿比重、含砂率影響較大，對其黏度、pH值影響較小。隨著黏土含量增多，比重得到明顯上升，當(dāng)黏土含量由0%增至15%時，泥漿比重由1.04增至1.14，平均每1%的黏土，可使泥漿比重增加0.006 7。同時，由于現(xiàn)場所取黏土中含有少量細(xì)砂，因此隨著黏土添加量增加，含砂率亦有所上升，但當(dāng)黏土含量達(dá)到11%之后，含砂率穩(wěn)定在3.2%～3.5%，并未繼續(xù)上升，與前文研究規(guī)律相符。同時由于黏土中存在黏性顆粒，因此泥漿黏度有少量上升，pH有少量下降，但幅度均很小，可忽略不計。

5 施工泥漿優(yōu)選配比與實測變形情況

根據(jù)單因素泥漿配比試驗研究結(jié)果，施工新制泥漿按表2進行配置。經(jīng)計算，滿足擬定的泥漿參數(shù)控制指標(biāo)，研究泥漿配比是否滿足施工變形控制要求。

表2 施工新制泥漿配比表

接收井地下連續(xù)墻施工前，在其周邊布設(shè)相應(yīng)監(jiān)測點，如圖15所示。

以第一幅槽壁施工為起點，直至全部槽壁施工完成，共81 d。根據(jù)實測變形數(shù)據(jù)繪制地表沉降曲線，分析槽壁施工質(zhì)量，如圖16所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，槽壁外部(JC3、JC6—JC10)地表沉降一直很小，槽壁內(nèi)部(JC11、JC12)地表沉降在前期(0～56 d)也得到了良好的控制。但在后期(56 d～81 d)，由于使用旋挖機對復(fù)銑混凝土進行引孔時偏孔情況嚴(yán)重，修孔花費較長時間且效果不明顯，旋挖機偏孔后銑槽機因糾偏板受限等原因，導(dǎo)致槽壁內(nèi)部(JC11、JC12)地表沉降產(chǎn)生了比較明顯的變形，最大累計沉降達(dá)到-13.81 mm?？紤]到本身施工機械受限的緣故，在該不利因素下槽壁穩(wěn)定性雖然受到一定影響，但其施工質(zhì)量總體可控，說明根據(jù)試驗結(jié)果調(diào)整各組分用量配置的泥漿滿足工程需要，其配比選用較為合理。

圖15 地下連續(xù)墻周邊地表沉降監(jiān)測點布置圖

圖16 地下連續(xù)墻施工全過程周邊地表沉降變化曲線

6 結(jié) 論

本文以滇中引水龍泉倒虹吸盾構(gòu)接收井超深地下連續(xù)墻施工為工程背景，首先介紹了泥漿的配制材料和主要參數(shù)，而后通過泥漿配比試驗，分別研究了鈉基膨潤土、CMC、Na2CO3等制漿材料對泥漿性質(zhì)的影響，并得到以下結(jié)論：

(1) 泥漿配比試驗的攪拌時間與靜置時間對泥漿性質(zhì)的影響不容忽視。隨著靜置時間增加，泥漿黏度先增加后穩(wěn)定，隨著攪拌時間的增加，泥漿比重先增大后穩(wěn)定，因此在施工中應(yīng)重視制漿過程，保證泥漿參數(shù)處于合理范圍。

(2) 增加膨潤土含量可以一定程度上提高泥漿的比重、黏度。膨潤土含量每增加1%，泥漿比重約增加0.008。隨著膨潤土含量增加，泥漿黏度呈現(xiàn)指數(shù)型增加，當(dāng)膨潤土含量超過9%時，泥漿黏度增至100 s以上。

(3) CMC含量對泥漿黏度有明顯的提升效果，平均0.1‰ CMC即可使1.0∶20.0基漿黏度增加5.5 s。且隨著泥漿膨水比的增大，CMC對泥漿的增黏效果逐漸增強。

(4) 純堿含量對泥漿的黏度有明顯的降低效果，對泥漿pH值有一定的提升效果，基漿膨水比越大黏度降低越明顯。

(5) 隨著細(xì)砂含量的增加，泥漿含砂率先增加后穩(wěn)定，存在上限值，其上限值取決于泥漿懸浮顆粒能力越強，根據(jù)試驗結(jié)果泥漿懸浮能力可能與黏度有關(guān)。

(6) 黏土含量對泥漿比重、含砂率影響較大，對其黏度、pH值影響較小。平均每1%的黏土可使泥漿比重增加0.006 7。且由于現(xiàn)場所取黏土難免夾雜細(xì)砂，因此隨著黏土添加量增加，含砂率亦會有所上升。