注浆减阻详解p

1、 HYPERLINK /new_page_45.htm 注浆减阻详解对于管外壁摩阻力，在很大程度上可以通过各种手段来施加影响。首先要注意管子表面的光洁平滑，以保持很低的摩擦系数。此外极为重要的是，管子要尽可能避免圆度误差，并保持直径的一致。在这方面，如果管子是用许多管模制造的，问题可能就出现在制管厂中，因为管模本来就有尺寸公差，而且磨损程度也不相同。此外，如果管子浇注之后脱模过早，或者由于蒸养而发生收缩，也会引起这类的偏差。管子尺寸的不准确在推顶时会导致产生夹紧力，这种力有时可能达到很高的数值。 若使刃脚比它相应于管子外径应有的尺寸稍大一点，就有可能降低管外壁摩阻力。这样能使上层不直接压在管体

2、上。只要土层足够坚硬，这种方法就会取到预期的效果。而如果向管子和土层之间形成的空隙内压人支承介质，这种方法的效力更可以大大提高，并能维持一定的时间，从而足以顶进一段相当长的管路，再则，支承介质在起支承作用的同时，也可以作为润滑剂起到减少摩阻力的作用。 对支承一润滑介质的要求 对支承一润滑介质的要求，可以根据摩擦定律推算出来。 摩擦定律概要 除了不在这里讨论的滚动摩擦之外，可将摩擦区分为： a）粘附摩擦（与静摩擦相同）； b）滑动摩擦。 在粘附摩擦和滑动摩擦的情况下都存在如下的关系： N式中 N法向力； T切向力； 摩擦系数； 摩擦系数是一个材料常数，与滑动面和滑动物体的表面性质有关，而却不以接

3、触面积F的大小为转移。 无量钢系数在粘附摩擦的情况下，一般大于滑动摩擦时的数值，因为在粘附摩擦的情况下，表面会由于经常存在的不平度而被“楔紧”。 滑动摩擦又可分为： b1 ）干摩擦； b2 ）液体摩擦。 在干摩擦时，滑动体和滑动面直接接触，在液体摩擦的情况下，滑动体和滑动面则被润滑介质隔开 在滑动摩擦的情况下。滑动体和滑动面之间存在相对速度。 在干滑动摩擦的情况下，摩擦系数与相对速度无关。 在液体滑动摩擦的情况下，视在摩擦系数则相随滑动体和滑动面之间液体的流动阻力而变化。流动阻力则取决于液体的运动粘滞度和流动速度。根据流体动力学可知，流动阻力与流动速度的平方成正比。在两个互相接触的物体之间，起

4、作用的是一个比压：P=N/F在液体摩擦的情况下，作用在润滑液体上的是一个流动压力： p=f（2） 若p= p，物体和润滑介质便处于平衡状态。这时运动的物体就“漂浮”在滑动面上。 如pp，润滑介质便会从运动物体和滑动面之间的缝隙中逐渐被挤压出去，直到液体摩擦转变为干滑动摩擦为止。液体摩擦的前提在于，无论物体和滑动面都必须是不透水的。如果润滑介质能够渗人物体或滑动面，而又不以同样的数量给予补充，那么液体摩擦就会变成干摩擦。 从摩擦定律得出的结论 按照摩擦定律来考虑，对于顶管施工可以得出完全明确的结论如下： a）为了保持较小的推顶力，干摩擦须以尽可能小的摩擦系数为前提。管子表面的光滑，能使摩擦系数降

5、低。管子表面的机械加工和涂抹减摩剂，同样都能起到减小值的作用。 b）在干摩擦的情况下，管子表面在推顶过程中会被周围上层磨毛，因而使摩擦系数增大。所以在项管距离较大时，一般多采取液体摩擦的方式。 C）液体摩擦须以管子和土层之间存在润滑介质为前提，也就是说，须将润滑介质压人其间。 d）润滑介质必须保持一定的厚度方能有效。 e）管子和土层间必须存在一定的空隙，也就是说，要留出一定的空隙，以便在压人润滑介质后能够形成所需厚度的一个液体层。 f）管子和土层之间充满润滑介质的空隙，在整个推顶过程中必须保持不变。要作到这一点，润滑介质必须能够阻止土层落到管壁上，亦即润滑介质必须承受着各种具体条件下起作用的上

6、压力来托住土层。因此，在润滑介质中必须经常保持相当于土应力的液压。这样，润滑介质同时也起着支承介质的作用。交承压力的反作用力则由顶进管来承受。 g）为了形成管子和土层之间所需的空隙，刃脚直径的取值最好稍大于顶进管直径。 h）对粘性很小的土壤来说，推顶时在刃脚周围产生的松散地带便能形成管子和土层之间所需的空隙，因而不需要刃脚直径大于管径。 i）上层和管子之间既已形成空隙，就必须在土层落到管体一上以及土压力上升达到全值之前将支承-润滑介质充入其中。事后再来克服土压力将土层从管壁上推开是不可能的。一旦周围土壤的某些颗粒接触管壁并被土层压附在管壁上，立即便会发生于摩擦，即使随后压人润滑介质，情况仍然如

7、此。 k）可以把顶进管看作是不透水的。管子接头在整个推顶过程中应保持密闭。 l）土层总是多少有些透水的。因此，支承一润滑介质必须起到的另一作用，即在于封闭管子周围土层的空隙，以便在土层中造成一个不透水的环形地带，从而阻止支承-润滑介质渗入土层。 m）为了能够封闭土层的空隙而又不致流失到土层中去，支承-润滑介质必须具有足够高的运动粘滞度。 n）为了取得尽可能小的视在摩擦系数，又需要支承-润滑介质的运动粘滞度较低一些。 o）支承-润滑介质不得对顶进管材料（钢、钢筋混凝土、石棉水泥或塑料混凝土）和接头材料（钢和橡胶）造成侵蚀。 P）支承-润滑介质不得污染地下水。 膨润土矿物悬浮液能够最充分地满足对支

8、承-润滑介质提出的一切要求。 作为支撑-润滑介质的膨润土 1890年，美国的福特本顿首先发现了膨润上。它的主要成分和对于它作为支承一润滑介质的性能起着决定作用的，乃是其中叫作蒙脱土的一种粘土矿物，这种矿物以其位于法国南方的蒙脱英里翁矿床而得名。在德意志联邦共和国的巴伐利亚，则有着大约一千万年前作为风化产物形成的一些酸性火山质玻璃凝灰岩矿可供这方面的应用。 蒙脱土是一种层状结构的结晶氢化硅酸铝。硅酸盐多层体是一种三层结构，其中包括一层SO4四面体、一层氢氧化铝八面体和一层SO4四面体。蒙脱土晶体即由许多这样的硅酸盐叠层组成。蒙脱土晶体遇水膨胀，与此同时水分子便渗入各个叠层之间。于是两个蒙脱土叠层

9、之间的距离就加大了一倍。晶体内部膨胀现象的原因，则在于叠层内部电荷分布的不均匀。 我们可以设想，在静止下来的膨润上悬浮液中，薄片状的蒙脱上微粒形成一种纸牌房子式的结构，其中这些微粒以它们的角隅和棱缘彼此接触或互相支撑。一旦静止状态被扰乱，例如由于搅拌、振动或泵送等等，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会变成溶胶。当这种溶胶再次静止下来，薄片状的蒙脱上微粒又会彼此搭在一起形成纸牌房子式的结构，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，这种从静止状态到运动状态以及从运动状态又回到静止状态的结构交替，可以永无止境地重复下去，这样的特性便叫作

10、触变性。 作为顶管施工中的支撑-润滑介质，膨润土的重要特点即在于它的膨胀性能。这一点须取决于薄片状蒙脱俄土微粒的大小和数量。 膨润土主要有两类，即钙膨润土和钠膨润土上。 它们的区别在于起决定作用的蒙脱土是钙蒙脱上还是钠蒙脱土。 在膨润土含量相同情况下，钠膨润土悬浮液中所含极薄的硅酸盐叠层片的数量，约为钙膨润上悬浮液中所含数量的15到20倍。由于这种极薄的硅酸盐叠层片的数量大得多，便有利于蒙脱土微粒形成纸牌房子式的结构，因而亦有利于提高悬浮液的膨胀性能，这样既可改善悬浮液在溶胶状态下的流动性，也能改善悬浮液在凝胶状态下的固结性。所以钠膨润土比钙膨润土更适用于顶管施工。 而巴伐利亚矿层却只含有膨胀

11、性能较差的钙膨润土。 但钙蒙脱土有一个特性，亦即其中化合的钙离子可以用钠离子来置换。通过这样的离子交换，钙膨润土的性能会有很大的变化，从而被赋予钠膨润上的优良特性。 由于销膨润土和通过钠离子置换而活化的钙膨润土也叫作活性膨润土能够最大程度地满足顶管施工中提出的要求，因而下面的讨论便以这两种膨润土为基础。 化学分析表明，膨润土中大约有56 的二氧化硅和20的氧化铝，二者共同构成了蒙脱土上晶体的基本物质。与此相对应，矿物组成中也有75的蒙脱土。筛分析也很值得注意，根据筛分析，膨润土中粒径小于0.025毫米的占55。 膨润土加水搅拌即成悬浮液，这里对水质的要求和拌制混凝土时一样。判断膨润土悬浮液是否

12、适于用作支承一润滑介质的标准在于它的物理特性。而对后者起决定作用的，主要是悬浮液中的膨润土含量。表2中按照每立方米制成悬浮液中含有30、40、60和80公斤膨润上的四种情况，分别列出了各种悬浮液的主要参数。 首先从容重的数据中可以看出，膨润土含量对容重的影响不大。在我们所考察的试样上，容重大致变化于1020到1050公斤/米3之间，因此只是稍高于纯水的容重。所以膨润土悬浮液也可以在水下顶管施工中用作支承润滑介质，无需顾虑悬浮液因容重不同而流失，故而对膨润土悬浮液来说，容重并不是一个重要的判断标准。反之，流变极限测量结果都表明，无论在运动状态或是静置状态下，悬浮液中的膨润土含量都对流变极限有很大

13、的影响。正如事先的考虑所预见到的，流限在运动状态下达到了下限值。观察表2可以看出，膨润上含量从每立方米30公斤增加到60公斤时，亦即在膨润上含量增大一倍的情况下，运动流限从22.4克（力）厘米2上升到204克（力）厘米2，因此也就是提高到大约9倍，当膨润土含量从40公斤米3 增加到80公斤米3 时，同样也是在增大一倍的情况下，可以看到大致相同的比率。这时运动流限从44.6克（力）厘米2上升到439克（力)/厘米2，亦即增大到10倍左右。 静置一分钟后的比率也类似于流动状态下的情况。在这种条件下，当膨润土含量从30公斤米3 增加到60公斤米3 时，流限从42.8克（力）厘米2提高到320克（力）

14、厘米2，即增大到7.5倍。当膨润土含量从40公斤米3增加到80公斤米3时，流限则以100：6961：7的比例提高。 最后，在静置24小时的情况下，当膨润上含量从30公斤米3增加到6公斤米3时，流限比率为198：1265一1：6，80公斤米3含量的相应数值则限于现有的测量技术条件而无法测出。 因此得出的结论是，膨润土含量增加一倍，可使膨润上悬浮液的支承作用提高到7至10倍。但是这也意味着，若膨润土含量减少2，支承作用就可能降低到 110。所以，确定悬浮液中的膨润上含量，便有着如此重大的意义。 得到的另一个结论是，在从运动状态过渡到静止状态时，流限的增大须取决于悬浮液中的膨润土含量。 在每立方米悬

15、浮液中含30公斤膨润土的情况下。静置1分钟后的流限以42.8：22.4=1.9：1的比率增大。在膨润土含量为40公斤米3的情况下，静置1分钟后的增大比率已达100：44.6=2.2：1。然而在膨润土含量为60公斤米3情况下，这一比值却降低到320：20416：1，以及在膨润土含量为80公斤米3的情况下，比率仍为696：439=1.6：1。 静置24小时后的流限与运动状态下的比率，在悬浮液中的膨润上含量为30公斤米3时是22.4：198=1：8.8，在40公斤米3的情况下是44.6：584=1：13.3，在60公斤米3的情况下是204:1265=1:6.2，而对于80公斤米3的含量，则已无法取得

16、测量值。 在将膨润上悬浮液用作支承-润滑介质的情况下，静止状态的流限值与运动状态的流限同样具有重要意义： 静止状态下的流限值决定着悬浮液是否适于用作支承介质，运动状态下的流限值则决定着悬浮液是否适于用作润滑介质。 当运动流限与静止流限之比为1：6到1：10（最大1：15）时。膨润上悬浮液便完全能满足这两个方面的要求。 流限值适用于膨胀过程业已最后完结的悬浮液。这种膨胀过程的性质，在于水已渗入了构成蒙脱土晶体的硅酸盐叠片的晶层中。致使层间距离增大起来。水对微小蒙脱土晶体的渗透过程以及水渗入更小得多的晶层之中都需要时间。这就是膨胀时间，搅拌越充分膨胀时间就越短，否则在水和膨润土的混合料未获充分搅拌

17、的情况下，膨胀时间就会延长许多倍。搅拌取得良好效果的前提，是要有足够长的搅拌时间，至少要有半个小时，有时甚至可能需要若干小时。另一个前提是要求膨润土不留余渣地充分溶解在水中，尽可能使每一个膨润土颗粒都被水包围着。最后，在搅拌时不要让空气进入水和膨润土的混合料中，因为空气会妨碍水渗入蒙脱土晶体。再则，膨胀时间也会受到混合料温度的影响。高温（夏季温度）可使膨胀时间缩短，低温（冬季温度）则使膨胀时间延长。当温度低于零度时，膨胀过程即告中止，但混合料并不会遭到破坏。解冻后膨胀过程又会重新继续下去，在这种情况下，须将冻结的时间计入膨胀时间之内。 在搅拌效果良好的情况下，搅拌过程结束后即已能够达到80左右

18、的最终流限，而在搅拌效果不良的情况下，这一比值则降低到大约35。由此可见，在搅拌效果良好和高温条件下，经过5个小时的膨胀时间后即已达到最终流限。反之，在搅拌效果不良和低温条件下，则需要24小时方能达到最终流限。 对于膨胀过程是否已经结束，需要仔细地进行观察，因为膨胀不充分的悬浮液一方面起不到支承作用，另方面也会由于随后的膨胀而引起膨润土管路的堵塞，并且引起顶进管与周围土层之间表观摩擦系数的上升，从而可能导致提高顶进阻力。 对充分膨胀的膨润上悬浮液来说，流限在静止状态下可达到上限值。如悬浮液变为运动状态，例如由于摇动、振动或泵送等等，立刻又出现流限的下限值，这便是流动状态下的流限，或者也可以说是

19、运动流限。一且再次静止下来，流限又会升高，经过一定时间之后再次达到其上限值。 悬浮液经每次静止之后都可以达到流限的上限值。然而在达到最终流限之前，如果悬浮液又变为运动状态，那么流限的升高过程便也可能中断。 蒙脱土微粒在纸牌房子式结构上的变化，用我们的肉眼是看不见的，但却可以通过流限的变化测量出来，因此一种悬浮液的触变性也是可以为我们的感官所觉察的，而这种触变性作为悬浮波物相任意多次的转变，我们可以将它表示为 凝胶溶胶 膨润土悬浮液在疏松土层中的应用 在无粘性的疏松土层中以及在粘性很小的土壤中，例如在砂砾土中，若不采取其它辅助措施，土层由于本身极不稳定，以致在刃脚推进之后立刻就会坍落在管壁上。所

20、以对这类土壤来说，膨润土悬浮液的支承作用尤其具有重要意义。为了起到这种支承作用，先决条件是要尽可能准确地掌握膨润土悬浮液在砂砾上中的特性。膨润上悬浮液将渗入土层的孔隙内，充满孔隙，并继续在其中流动。流速取决于孔隙的横断面与悬浮液的流变特性，同时也取决于压浆压力。因此为了在同样的压浆压力下达到相同的渗入深度，在孔隙横断面很小的细粒土层中便需要低流限的悬浮液，面孔隙横断面较大的粒粒土层则需要高流限的悬浮液。在克服流动阻力的过程中，压浆压力随着渗人深度的增加而成比例地衰减，所以相应每一种压浆压力，都有一个完全确定的渗人深度。 为了便于了解渗入过程，可以把上层看作是一条条许多毛细管的总和。图7显示了一

21、条圆形横断面的毛细管中的流动过程。 这样的一条毛细管必然会对其中穿流的流动介质、在这里即是对膨润上悬浮液产生一个阻力W。 W=Ul=2rl 为了克服这一阻力便需要一个压力： PpF pr2 只要 PW，毛细管中的介质便向前流动。一当流动阻力大到与作用于介质的压力P相等，即。 W=P流动过程即停止。由此可知平衡条件为 2rl=Pr2或 (2l)/r=p 根据这一关系式可以算出流动长度，换言之亦即渗入深度l=(rp)/(2) 由此可见，渗入深度与毛细管的直径和压浆压力成正比，与悬浮液的流限成反比。只要悬浮液在毛细管中流动，它便处于流动状态，因而对悬浮液起作用的便是运动流限。这时悬浮液便具有溶胶的稠

22、度。 但一当悬浮液达到可能的渗入深度之后静止下来，只须经过一个很短的时间，它的流限便达到静止数值。于是悬浮液就变成了凝胶。 由于静止状态下的流限高达流动状态下的10倍，因而在这种情况下膨润土悬浮液便象泥浆那样地充满着土层的孔隙。 这样在管体四周的土层中就形成了一层密实而有承载能力的环套，其厚度即相当于悬浮液的渗入深度 现在，如果在这一环套和顶进管之间保持一个相当于土压力的悬浮液压力，于是悬浮液使承受着全部的土压力，致使土压力不再直接地，而是经由悬浮液间接地加荷于管壁。 作为使摩阻力降低到最小限度的先决条件，最佳支承作用的取得须具备下列前提： 1在设计时以及在推顶过程中准确地查明土层情况，并根据

23、筛分曲线详尽地掌握土层的颗粒分布； 2计算出土压力，从而确定膨润上悬浮液的压人压力； 3按基本粒径确定膨润土悬浮液的混合比，并经常进行检验， 4正确地制备膨润土悬浮液; 5保证在全部顶进管路上和全部顶进时间内都有膨润上悬浮液压入。 其中最重要的一点，是必须求得正确的混合比。 此外必须注意，悬浮液稳定极限大约是每立方米悬浮液至少含40公斤膨润上。这一理论计算结果在实际施工中须仔细加以核验。必须特别指出的是，膨润土含量过低、因而也就是流限过低的悬浮液起不到支承和润滑作用，因为这样的悬浮液会毫无阻力地或只受到很小阻力地流散到土层中去，因而不可能在管体周围形成一个支承环带。 在基本粒径为10毫米的情况

24、下，要求悬浮液的膨润土含量为60公斤米3左右，在基本粒径为20毫米的情况下，要求悬浮液的膨润上含量为80公斤米3左右，反之，在基本粒径为2毫米时。悬浮液的膨润上含量为40公斤米3即已足够 但滑动阻力与运动流限成正比。 运动流限在每立方米悬浮液中含： 40公斤膨润上时为44.6克（力）厘米2 60公斤膨润土时为 204克（力）厘米2 80公斤膨润土时为439克（力）厘米2 这就是说，在每立方米悬浮液中含膨润土60公斤时，运动流限几乎为40公斤米3情况下的 5倍，而在每立方米悬浮液中含膨润土80公斤时，则已经高达含量为40公斤米3时的10倍。 这就意味着，如果悬浮液中的膨润上含量在全部推顶距离上保

25、持不变，那么对粗粒土壤来说，由于需要悬浮液的膨润土含量较高以保证支素作用，故而推顶阻力以及因之所需的推顶力就会比细粒土壤的情况下更大一些。 但孔隙旦被膨润上悬浮液充满，并因而形成支撑环带时，于是粗粗土壤的状况也就无异于细粒土壤了。因而在这种情况下，为了在推顶过程中支承土层，悬浮液中的膨润土只需要达到稳定极限所要求的最小含量40公斤米3 即可。 因此,在粗粒土壤的情况下，只是直接在刃脚之后压入相应于基本粒径的高含量膨润上悬浮液，而在全部后续管路上则可使用稠度低得多的悬浮液。这样便可以大大降低推顶阻力，或者也可以说是在相同的推顶力下加长推顶距离。同时还可以借此节省膨润土，并减少中继顶压站的数目。

26、为此采用两套膨润土配拌设备附带两台压浆泵和两套管路所需的额外费用，在管径较大和推顶距离较长的情况下一般是值得的！ 压浆时须注意，压出的膨润上悬浮液要尽可能均匀地分布在整个管体外围，以便能够围绕整个管体形成所需的环带。因此，压浆赖以进行的注射喷口要均匀地配置在整个管壁圆周上。注射喷口的间距或数量须取决于土壤允许膨润上向四外扩散的程度。在渗透性很小的土壤中，例如密实的矿土和砂砾上，间距就必须缩小一些，在疏松的砾石土中，间距则可以相应地加大。注射喷管即可以在整个管壁圆周上与一条环管连接，也可以分组连接，在分组连接时，一般是上半固联成一组，下半圈另成一组。 为使膨润土尽快地起作用，应尽量靠近刃脚尾部进

27、行压浆。所以压浆最好是直接从刃脚后的第一节管子中开始。但实践证明，在压浆压力较高的情况下，膨润土将均匀地沿着管子周围扩散，也就是说，即向后扩散，也向前扩散。因此便存在着膨润上悬浮液沿刃脚向前流动、并且又在切削刃上流出来的危险。 在纠偏量颇大的情况下，有可能造成刃脚和第一节管子之间的密封损坏，或者在刃脚分成两个部分情况下，则是造成切削段和顶压段之间的密封损坏，于是膨润上悬浮液就会从这些地方渗人工作空间。 根据这一理由，膨润上在刃脚后第二节管子中开始压入比较适宜。 膨润土悬浮液经由注射喷口压人的压力应相随所遇土层的压力而变化。在膨润土泵上，除了这一压力之外，还会受到一直通向注射喷口的膨润上管道的阻

28、力。 膨润上管道中的压力损失，由于假设条件并不可靠而且经常变化，故而计算很难准确，因此，对于必须准确地与上压力高度保持一致的压浆压力，便有必要直接在注射喷口上进行连续的测量。 压浆压力调得过高可能是有害的。这时膨润上悬浮液会从注射喷口中涌出，在管口周围形成一个高度压缩区。这样就有可能形成栓塞，阻碍膨润上悬浮液的继续流出和扩散。 如果一次注入的膨润上能在管子周围的土层中保持不变，那么只要直接在刃脚之后注入一次就足够了。然而十分明显，在推顶过程中，膨润土由于流散到土层中去而有所消耗。鉴于此，对后续管路也必须补充压人膨润上，以使管子和上层之间空隙中的膨润上悬浮液压力能够在顶进管路的全部长度上保持与土

29、压力一致。注浆孔的间距主要取决于土层的性质、膨润土悬浮液的流变特性、刃脚的控上量和推顶速度。在许多已完成的工程中，注射喷口的间距是2节管子到5节管子以上。注浆孔的实际需要数量，只有在施工中才能知道。为了确保即使在最不利的场合下亦能提供所需数量的注浆孔，似乎最好是尽可能每隔2节管子即留出一些压浆孔。另方面当然也要考虑到，所有注浆孔在顶管结束后必须拆除和封闭。这需相当大的一笔费用，所以一开始即应力求间距适当。这一点在很大程度上也取决于施工公司的经验。 膨润上的压人技术在很大程度上仍然要依靠经验，然而实际经验多半也是可以找到理论根据的。 尽管就某种场合来说，随着管子的推进同时在管子整个圆周上和管路全部长度上均匀地压浆证明是相宜的，而在另一些场合下，正确的方法则又可能是分段压浆。例如现已得知，在管子下半部，膨润土在顶进过程中比静止状态下更容易流出，而上半部的压浆则是在管路静止的情况下更容易进行。因此最好是将管子下半部的注浆孔和上半部的注浆孔分别组合起来。这种半侧压出的原因在于，