發(fā)布時(shí)間：2019-10-16 20:39

【摘要】：水平定向鉆作為一種先進(jìn)的管道敷設(shè)技術(shù),被廣泛應(yīng)用于敷設(shè)大直徑管道的江河穿越工程。由于該技術(shù)本身的工藝特點(diǎn),鋪管后在管道和孔壁之間會(huì)留下橫截面積約為1m2的環(huán)狀空間。環(huán)狀空間會(huì)被泥漿與鉆屑的混合物充填,我們稱(chēng)之為環(huán)空泥漿。環(huán)空泥漿具有高含水量、高壓縮性的特點(diǎn),其強(qiáng)度比原位土體小得多。環(huán)空泥漿的存在可能會(huì)引起地表沉降甚至塌陷、穿越砂層時(shí)滲透破壞、附近堤壩土體變形等地質(zhì)問(wèn)題,給河流堤壩的安全和穩(wěn)定帶來(lái)隱患。關(guān)于環(huán)空泥漿的加固處理,目前未發(fā)現(xiàn)類(lèi)似的案例資料,現(xiàn)有水平定向鉆規(guī)范中也未查到鋪管后環(huán)空泥漿處理的條款。鑒于上述兩個(gè)原因,很有必要對(duì)大直徑管道穿越工程竣工后,環(huán)空泥漿的滲透固結(jié)變形特性進(jìn)行研究,為評(píng)價(jià)其對(duì)河流堤壩的潛在影響奠定理論基礎(chǔ)。 本文依托國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目—“HDD管道穿越環(huán)空泥漿固結(jié)變形特性研究”,采用理論分析、模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬等方法研究了含粘粒的中粗砂地層中鉆屑含量較低的環(huán)空泥漿鋪管后的固結(jié)變性特征及其對(duì)周?chē)馏w強(qiáng)度的影響；針對(duì)目前環(huán)空處理資料較少的現(xiàn)狀,結(jié)合中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)項(xiàng)目“《水平定向鉆法管道穿越技術(shù)規(guī)程》”的研究成果,提出將注漿技術(shù)引入HDD環(huán)空加固處理。 首先對(duì)環(huán)空泥漿的固結(jié)機(jī)理進(jìn)行了理論分析,包括不同地層條件下環(huán)空泥漿的狀態(tài)和成分、固結(jié)特點(diǎn)、固結(jié)荷載和適用的固結(jié)理論。環(huán)空泥漿為鉆屑和泥漿的混合物,鉆屑含量受地層條件和施工工藝影響。對(duì)于地層穩(wěn)定、清孔作業(yè)徹底的穿越工程,環(huán)空泥漿主要為膨潤(rùn)土泥漿,泥漿固結(jié)表現(xiàn)為自由水濾失,固結(jié)體強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢；而發(fā)生塌孔的不穩(wěn)定地層,環(huán)空泥漿成分為泥漿和孔壁散落的土體,固結(jié)體強(qiáng)度增長(zhǎng)快。環(huán)空泥漿固結(jié)荷載主要來(lái)自于地層上覆土壓力Ps、靜水壓力Pw和自身重力Pg。環(huán)空泥漿工程性質(zhì)類(lèi)似于超軟土,具有大變形非線性的固結(jié)特征,其固結(jié)屬于大變形固結(jié)問(wèn)題,應(yīng)該用大變形固結(jié)理論進(jìn)行計(jì)算。 其次,在理論分析的基礎(chǔ)上,選擇地層穩(wěn)定條件下的環(huán)空泥漿進(jìn)行研究,分析其滲透固結(jié)范圍和對(duì)周?chē)馏w的影響�；谙嗨圃�,設(shè)計(jì)了一套模擬實(shí)際工況的模型試驗(yàn),地層為含粘粒的砂層,環(huán)空泥漿為普通膨潤(rùn)土泥漿。模型試驗(yàn)步驟如下：首先,設(shè)計(jì)加工了一個(gè)試驗(yàn)土箱,在土箱中分層裝入含粘粒的粗砂形成模擬地層；其次,鉆進(jìn)形成被泥漿充滿的環(huán)狀空間；然后,等待環(huán)空泥漿固結(jié)；最后取樣觀察和測(cè)定物理力學(xué)參數(shù)。取樣包括定期從取樣孔取擾動(dòng)樣和固結(jié)時(shí)間為七個(gè)月時(shí)箱體開(kāi)挖取原狀樣。肉眼觀察、土工實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)合SEM微觀分析的結(jié)果表明,環(huán)空泥漿以膨潤(rùn)土泥漿為主,由于泥漿壓力的消散和泥皮的存在,環(huán)空泥漿的固結(jié)主要表現(xiàn)為自由水的濾失,引起環(huán)空附近一定范圍內(nèi)的土體含水量增大,在一定程度上降低其抗剪強(qiáng)度、壓縮模量；但是泥漿中的膨潤(rùn)土顆粒幾乎未滲透進(jìn)入周?chē)馏w,對(duì)土體結(jié)構(gòu)影響較弱。 為了彌補(bǔ)模型試驗(yàn)中環(huán)空泥漿固結(jié)荷載微弱而幾乎不固結(jié)的缺陷,設(shè)計(jì)了圍壓作用下環(huán)空泥漿固結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn),旨在研究固結(jié)壓力對(duì)混合泥漿土固結(jié)強(qiáng)度的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明,固結(jié)壓力和排水條件對(duì)環(huán)空泥漿的強(qiáng)度增長(zhǎng)有明顯的影響。有荷載施加于環(huán)空泥漿時(shí),固結(jié)速率、泥漿土的強(qiáng)度明顯增大。固結(jié)排水條件好,固結(jié)體的強(qiáng)度增長(zhǎng)較快,后期強(qiáng)度大；泥漿無(wú)法排水時(shí),泥漿固結(jié)速率較低,固結(jié)體的強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢,長(zhǎng)期處于流塑狀態(tài)。 為了進(jìn)一步分析環(huán)空泥漿中膨潤(rùn)土對(duì)土體強(qiáng)度影響,設(shè)計(jì)了含泥漿和不含泥漿的重塑土強(qiáng)度試驗(yàn)。重塑土強(qiáng)度試驗(yàn)表明,在含水量相同的條件下,含有膨潤(rùn)土泥漿的土體強(qiáng)度高于自然狀態(tài)的土體,也即泥漿中膨潤(rùn)土?xí)岣咄馏w的強(qiáng)度。土樣SEM試驗(yàn)結(jié)果也表明,泥漿土的密實(shí)度相對(duì)原狀土有所增加,膨潤(rùn)土顆粒填充了土體部分空隙,增大了其密實(shí)度和顆粒數(shù)目,在一定程度上提高了土體的強(qiáng)度。 一系列的試驗(yàn)完成后,利用ABAQUS有限元軟件對(duì)上箱試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬,得到環(huán)空泥漿的滲透固結(jié)范圍和周?chē)馏w的變形,并和試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。模擬結(jié)果顯示,水平方向上泥漿的滲透貫通了整個(gè)區(qū)域,這一點(diǎn)與模型試驗(yàn)結(jié)果不符合。上體的變形量以鋪管后環(huán)空泥漿應(yīng)力重分布引起的沉降為主,后期次固結(jié)引起的土體蠕變值很小。數(shù)值模擬計(jì)算得到的土體變形量比試驗(yàn)監(jiān)測(cè)得到的要小1-2個(gè)數(shù)量級(jí)。 最后,針對(duì)目前關(guān)于HDD鋪管后環(huán)空加固處理資料匱乏的現(xiàn)狀,結(jié)合課題組正在編制的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水平定向鉆法管道穿越工程技術(shù)規(guī)程》的相關(guān)內(nèi)容,對(duì)HDD鋪管后注漿工藝、注漿材料進(jìn)行了總結(jié),并對(duì)需要進(jìn)行注漿處理的情況給出了建議。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類(lèi)號(hào)】：TV223

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2550161