顶管施工过程中膨润土润滑作用试验研究

郭 伟 谢 昊 武仁杰 周博文

（1.中铁七局集团第五工程有限公司，郑州 河南 450016；2.郑州大学土木工程学院，郑州 河南 450001）

膨润土的主要成份是蒙脱土（一种层状结构的结晶氢化硅酸铝），具有吸湿膨胀性、低渗性、高吸附性及良好的自封闭性能。 膨润土触变泥浆是目前顶管施工过程中应用最多的润滑剂， 当配比得当并且保证足够的稳定厚度时，能在土（软黏土、一般性黏土、粉沙和细砂、沙砾甚至卵砾石）中起支撑、润滑和防喷涌作用，并能对顶管起悬浮作用[1-2]。 当以不同的比例将膨润土触变泥浆和实际粘土调配成浆土混合物时， 混凝土面板与浆土混合物的摩擦系数也不相同。 对膨润土配比的研究是工程建设中的重要内容。

1 混凝土与泥浆之间摩擦试验模型设计

顶管顶进摩阻力主要有3 部分： 工具套外壁在无泥浆套情况下的摩阻力、 顶管两侧及顶部的摩阻力以及顶管底部的摩阻力[3]。 当采用原型材料进行试验时，只考虑浆液对顶管壁的面力作用， 顶管底面的应力也是作为面力作用在顶管上。 因此， 模拟试验实际上是结构模拟试验，模型的摩擦系数与原型相应的摩擦系数相同。 也就是说，原型与模型摩擦系数的换算关系为：侧面摩擦系数，f原=f模；底面摩擦系数，μ原=μ模[4]。

1.1 试验模型

将不同注浆压力下浆土混合物与混凝土柱之间的摩擦作为主要控制条件， 考虑到原型顶管与泥浆套间有一定间距， 模型中将混凝土柱与试验箱地板间距取为10cm。 试验模型各主要设计尺寸如下： 试验箱净尺寸为400mm（宽）×500mm（高）×500mm（长），混凝土柱模型为200mm×200mm×1200mm。 用千斤顶顶进混凝土柱， 千斤顶反力后座与试验箱间用钢柱连接。 试验模型的示意图如图1 所示。

图1 试验模型示意图

1.2 相似材料

模拟试验的对像为顶管的一段，用混凝土柱来模拟。模型土层材料与现场相同， 由现场4 层土的土样重塑而成（确保物理力学性质与原状土的物理力学性质符合相似条件）。 将制成的不同配比的膨润土触变泥浆与重塑土再以不同比例混合，制成试验使用的浆土混合物。

1.3 注浆压力的模拟

注浆土压力的模拟可以通过在试验箱顶板中央对称布设4 个千斤顶对称施压来实现。

2 试验设备的设计

2.1 加载系统和设备

下面对试验中可能出现对摩阻力最不利的情况进行模拟。

2.1.1 混凝土柱两侧及顶底部的摩阻力：

式中，A 为两侧及顶底部的面积（cm2）；f 为摩阻面集度（T/m2），估取2.0T/m2（预留一定的安全储备）。

2.1.2 混凝土柱与试验箱接口处的摩阻力：

2.1.3 设计总推力：

根据计算结果，同时考虑到上覆压力加大时，所需推力也要增大，顶推设备选用1 个5T 的液压千斤顶（置于混凝土柱后端）。

顶部采用4 个量程为10T 的千斤顶施加顶部压力来模拟不同的注浆压力[5]。

2.2 测试系统

采用油压表（横向推力一个，竖向压力合为一个）来测量千斤顶的顶力，进而通过换算得到摩擦系数。

3 试验内容

3.1 浆液配比

在空箱状态下顶进混凝土柱， 记录千斤顶在一次推进加载过程中出现的最大推力及混凝土滑动后的稳定推力。 在不同的注浆压力下模拟实际工程的膨润土泥浆进行注浆，500mm 的顶进距离可以读取20 组数据。 控制试验条件为：加压且不排水。 本试验配制的膨润土触变泥浆的各成分间的质量比例为膨润土：纯碱：CMC（增粘剂）：水＝1：0.087：0.011：7.065[6]。以不同的比例将该触变泥浆与实际的粘土配制成浆土混合物。 同时，在不同的浆土混合物条件下， 测量混凝土面板与各浆土混合物间的摩擦系数，测量混凝土面板与钢管间的摩擦系数[7]。试验采用了5种不同的比例配制成浆土混合物。 设浆土混合物中触变泥浆的质量为mG，粘土质量为mC，令比例系数ξ＝mG/mC，则5 种浆土混合物成分间的质量比例以及混合物密度ρ、重度γ 等参数如下[8]。

3.1.1 I 号－浆土混合物膨润土

纯碱：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 号－浆土混合物

膨润土：纯碱：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 号－浆土混合物

膨润土：纯碱：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 号－纯泥浆

膨润土：纯碱：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 号－纯粘土

膨润土：纯碱：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 试验步骤

具体试验步骤如下：

3.2.1 将混凝土柱置于安放好的试验箱中， 确保接口处是密闭的。 在一次推进加载的过程中读取各油压表读数，混凝土柱滑动后再读取各油压表读数。

3.2.2 将混凝土柱复位。

3.2.3 往试验箱内适当填入一种浆土混合物， 同时变化顶部4 个千斤顶的压力以模拟不同的注浆压力。

3.2.4 在一次推进加载的过程中读取各油压表读数，混凝土柱滑动后再读取各油压表读数。

3.2.5 复原后进行重复试验， 或更换浆土混合物进行试验。

4 试验结果及分析

图2 混凝土面板与I 号浆土混合物间的摩擦系数

图3 混凝土面板与II 号浆土混合物间的摩擦系数（第1、2 组）

图4 混凝土面板与II 号浆土混合物间的摩擦系数（第3、4 组）

图5 混凝土面板与II 号浆土混合物间的摩擦系数）（第5、6 组）

图6 混凝土面板与II 号浆土混合物间的摩擦系数（第7、8 组）

图7 混凝土面板与III 号浆土混合物间的摩擦系数（第1、2 组）

图2～图10 给出了混凝土面板与浆土混合物间摩擦系数的试验结果。表1 进一步给出了图2～图10 中试验结果的均值。 从图中可以看出，最大静摩擦系数以及滑动摩擦系数（混凝土面板与各浆土混合物间）基本呈随质量比ξ 的增大而逐渐减小的变化趋势 （在ξ=0 纯粘土时最大，在ξ=∞纯触变泥浆时最小）。同时，在各种质量比下，最大静摩擦系数均比滑动摩擦系数略大一点， 但差别并不十分明显。

图8 混凝土面板与III 号浆土混合物间的摩擦系数（第3、4 组）

图9 混凝土面板与Ⅳ号纯泥浆间的摩擦系数

图10 混凝土面板与V 号纯粘土间的摩擦系数

表1 混凝土面板与各浆土混合物间的摩擦系数（平均数）汇总表

由表1 可以看出， 相比混凝土面板与纯粘土之间的摩擦系数， 混凝土面板与浆土混合物之间的摩擦系数有所减小。 从试验数据可以看出，控制浆土混合物的质量比在0.2～0.3 为宜， 顶管顶进过程中摩擦系数会显著降低，可降低到原来的0.28 倍左右。

5 结论

本文介绍了室内膨润土掺量配比试验和室内模型试验， 以不同比例将膨润土触变泥浆与实际粘土组成浆土混合物， 在不同浆土混合物的作用下测量混凝土面板与各浆土混合物间的摩擦系数。 通过试验结果分析膨润土掺量对润滑作用的影响，初步得出如下研究结论。

5.1 在没有排水固结的条件下， 最大静摩擦系数以及滑动摩擦系数（混凝土面板与各浆土混合物间）基本呈随质量比ξ 的增大而逐渐减小的变化趋势 （在ξ=0 即纯粘土时最大，在ξ=∞即纯触变泥浆时最小）。

5.2 在没有排水固结的条件下， 注入触变泥浆可以降低顶管与周围土体的摩擦系数。 根据试验结果，建议控制浆土混合物的质量比不小于0.2～0.3， 顶管与土体间摩擦系数可降低到原来的0.28 倍左右， 即由0.038 降到0.010 左右。

［1] 纪鹏. 超长管道顶管用润滑减阻护壁泥浆系统的研究［D］.湖南:中南大学，2005.

［2］张立新. 大直径超长距离顶管触变泥浆减阻技术的应用［J］.特种结构，2013，30（2）:100-102.

［3］邱跃然，李晓明.顶管过程中触变泥浆减阻的原理及应用［J］.管线工程，2012，30（1）:82-84.

［4］李博，许烨霜，马磊，等.平行顶管近接施工的室内试验研究［J］.地下空间与工程学报，2014，10（1）:67-71.

［5］罗云峰. 长距离大直径混凝土顶管中的减阻泥浆研究与应用［J］.建筑施工，2014，36（2）:186-188.

［6］王春婷，隆威.大口径长距离顶管工程泥浆配方试验研究［J］.铁道科学与工程学报，2014，11（1）:106-111.

［7］丁文其，袁森林，高小庆，等.电力隧道超大直径顶管施工扰动特性研究［J］.岩土力学，2010，31（9）:2901-2904.

［8］海宁，温晓贵，魏纲，等.顶管施工对土体影响的现场试验研究［J］.岩土力学，2003，24（5）:781-785.