地下連續墻施工中泥漿配合比理論計算與配制方法

蔣荊洲

（上海遠方基礎工程有限公司，上海 200436）

0 引言

確保地下連續墻施工過程中槽壁的穩定性是地下連續墻施工的關鍵工作之一，其涉及整個圍護工程的安全、質量和進度。近年來由于地下連續墻槽壁塌方造成機械設備傾倒等安全事故，嚴重影響地下連續墻施工質量和進度。目前槽壁穩定性的研究有很多成果，本文結合工程實踐，根據郎金土壓力理論總結出一套新的泥漿配合比設計方法。

1 護壁泥漿相對密度設計原理

泥漿在地下連續墻施工中最主要的作用是護壁，因此在槽段內可把泥漿看作一種液態擋土墻，泥漿在支護槽壁時會產生一定厚度的泥皮，泥皮與液態泥漿之間沒有摩擦力，因此可把液態擋土墻的墻背看做是光滑的，在成槽過程中僅有槽段內的土被取出而其他部分的土仍處于未擾動狀態，即擋土墻的背后是填平的。

基于泥漿的壓力有限，槽壁土僅有2種受力狀態:靜止土壓力狀態和主動土壓力狀態。當泥漿相對密度較大時，土壓力為靜止土壓力狀態；當泥漿相對密度較小時，土壓力為主動土壓力狀態。按靜止土壓力計算出的泥漿相對密度為最大值，按主動土壓力計算出的泥漿相對密度為最小值。

2 郎金土壓力理論的應用

2.1 主動土壓力下泥漿相對密度計算

根據土的強度理論，當土體中某點處于極限平衡狀態時，大、小主動應力σ1和σ3應滿足以下關系式:

當槽壁發生“縮頸”現象時，槽壁內的土體向槽段內偏離，兩側土體中離地表任意深度Z處豎向應力σz為大主應力，σx為小主應力，故可得郎金主動土壓力強度σa為:

式中，γ為土的重度；Ka為土的主動土壓力系數，Ka=tan2，c為土的黏聚力。

從上式可得砂性土的主動土壓力強度與Z成正比，沿槽壁高度的壓力是呈三角形分布，取單位槽壁長度計算，則總主動土壓力為:

且Ea通過三角形形心，即作用在離墻底H/3處。

黏性土的主動土壓力強度由2部分組成:一部分由土的自重引起的土壓力γzKa；另一部分是由黏聚力c引起的負側壓力組成。

設填土面的深度Z0為臨界深度，當填土面無荷載時可令，故臨界深度，此臨界深度即為地下連續墻施工時的導墻深度。

槽段內泥漿所產生的壓力為σn=γnH，則

2.2 靜止土壓力泥漿相對密度計算

土的任意深度Z處的靜止土壓力強度可按以下公式計算:

式中，K0為土的靜止土壓力系數，γ為土的重度。

K0的取值一般按以下經驗公式計算:K0=1-sinφ，所以土的靜止土壓力由可以推出γn=γK0。

由此可知，在靜止土壓力條件下的泥漿相對密度要大于主動土壓力條件下的泥漿相對密度。在實際施工過程中，地下連續墻的成槽必須依靠設備，因此在成槽過程中局部地面是有附加荷載的。

3 泥漿配制方法

3.1 泥漿相關技術要求

工程泥漿一般由水、膨潤土和添加劑按適當配合比配制而成，其性能指標如表1所示。

表1 泥漿相關性能指標

3.2 原材料選用

1）水 一般采用地下水或河水，自來水的成本相對較高。

2）優質膨潤土 膨潤土制漿有很好的膠體率，泥皮的形成能力較強，有很好的護壁效果。

3）CMC（羧甲基纖維素） 俗稱增黏劑，能夠很好地包裹土顆粒，可提高泥漿對土顆粒的懸浮力，增強泥皮的形成能力，防止泥漿中的水分流失。

4）FCI（鉻鐵木質素磺酸鈉鹽）為分散劑，在改善泥漿性能方面有很好的效果，能夠清除泥漿中懸浮的粒徑相對較小的土顆粒和砂粒，其主要功能是使顆粒聚集并快速沉淀，保證泥漿的護壁性能。

5）碳酸鈉（Na2CO3） 碳酸鈉的功能是調整泥漿中的pH值，當泥漿pH值相對較低時，黏土顆粒難以分解，黏度降低，失水量增加，流動性降低；當泥漿中pH值相對較高時，則泥漿所形成的泥皮滲透率加大，泥漿中大量的水分滲入槽壁土顆粒空隙中，從而造成孔壁表面軟化，黏土顆粒之間黏聚力減弱，造成大量槽壁上附著的土坍塌，增加了成槽設備的安全隱患。泥漿的pH值宜保持在8～10，這時可增加水化膜厚度，提高泥漿膠體率和穩定性，降低失水量。

6）PHP（聚丙烯酰胺絮凝劑） 主要作用是清理泥漿循環中的劣質土屑，保持泥漿中膨潤土的含量。

7）重晶石細粉（BaSO4） 主要作用是調整泥漿相對密度，隨著泥漿的循環使用，泥漿中的膨潤土顆粒等損失過多，造成泥漿相對密度下降較多，護壁功能下降，因此可采用增加外加劑的方式，將泥漿相對密度提高到設計值。

8）干鋸末、石棉等纖維物質 主要作用是防止泥漿滲水并提高泥漿循環效果。

4 泥漿配合比設計

根據《基坑工程手冊》及各種參料的基本物理性質，考慮工程地質條件后，確定泥漿的目標相對密度參數，初步配合比如表2所示。

表2 泥漿配合比取值

5 泥漿配合比試驗

5.1 設備

試驗所用設備采用自制小型攪拌機和攪拌桶進行，測量儀器采用泥漿三件套和失水量儀。

5.2 基漿配制（不含外加劑）

基漿是將水和膨潤土按一定比例攪拌而成，其配置比例按摻量范圍并根據工程地質條件的初步計算和膨潤土的相關參數確定。先將水與膨潤土在攪拌桶中充分攪拌混合，靜置24h后形成膠體。配置好的基漿性能指標如表3所示。

表3 基漿性能指標

5.3 外加劑配制泥漿

根據上述測量的泥漿指標，再加入相關功能的外加劑。外加劑使用如下所述。

1）先將增黏劑在特制的容器中用水進行充分攪拌和膨化，此時黏度可達60s，根據具體泥漿指標要求，逐步適量向泥漿中加入，同時也要不斷測量泥漿指標，至合適為止。

2）FCI分散劑 分散劑主要使用在循環泥漿中，分散劑不用水攪拌，可直接加入大泥漿池中或加入槽段里。

3）Na2CO3調整泥漿的pH值時需用水攪拌后，測量Na2CO3溶液的pH值，再根據測量值加入循環漿池中，加入池中后要采用空壓機等方法進行攪拌，靜置一段時間后方可使用。

4）PHP泥漿配制在實施施工中可用專用罐存放，在施工時可隨時摻用到不同泥漿中。一般PHP摻用劑量約為泥漿體積的0.003%。最合理的比例應通過現場測量決定。配置好的新漿性能指標如表4所示。

表4 新漿性能指標

6 結語

1）針對不同地層可依據郎金土壓力理論進行初步泥漿相對密度計算，對泥漿配制有了理論指導。

2）隨著成孔進行到不同地層，一方面要求的泥漿各種性能指標不同；另一方面泥漿各種摻量的實際含量也發生了變化，需要在施工過程中對成孔泥漿的各種性能指標進行經常性測定，然后對摻量比例進行及時調整。

3）泥漿的配制一定要結合外加劑，單純使用膨潤土難以達到需要的指標。