泥浆压滤处理技术理论分析及试验研究

楼春晖，张忠苗，房 凯

（浙江大学 岩土工程研究所，杭州310058）

泥浆在钻孔灌注桩施工过程中起着至关重要的作用，被称之为钻孔桩的“血液”。但是多余的泥浆以及废弃泥浆的处理始终是困扰钻孔桩施工的重要难题。近年来，随着城市建设对环境的要求越来越高，产生了各种不同的泥浆处理方式［1－5］，压滤技术作为一种新型的处理方式已被应用于废弃泥浆处理当中，并取得了很好的处理效果［6］。

压滤处理是一种固液分离方式，这种固液分离方式现已广泛应用于选矿、冶金、化工、环保等部门，成功实现了各种污水、矿渣、钻井泥浆等的处理［7－10］。目前关于压滤技术的研究较少，李庆斌等人通过固结理论得出了滤饼内局部液压在过滤压密期间的分布规律［11］，但是没有给出压滤压力、压滤时间等参数的关系。Bolton和McKinley通过水泥浆的压滤固结试验对压滤技术中的各项参数的关系作出了初步的分析总结［12］，为泥浆的压滤作出了很好的参考。由于在压滤技术方面的理论研究的不足，在其运用过程中仍然存在很多问题亟待解决，本文将通过模型分析对压滤时间、压滤压力等参数的选取提供一定的依据。

1 压滤机工作原理

压滤机固液分离的基本原理是：混合液流经过滤介质（滤布），固体停留在滤布上，并逐渐在滤布上堆积形成过滤泥饼。而滤液部分则渗透过滤布，成为不含固体的清液。随着过滤过程的进行，滤饼过滤开始，泥饼厚度逐渐增加，过滤阻力加大。过滤时间越长，分离效率越高［6］。

在压滤过程中，压滤压力、压滤时间等参数的选择对压滤的效果有着直接且重要的影响［13－14］。通过本文的试验以及理论模型对压滤机理进行研究，可以为钻孔桩泥浆压滤中参数的选择提供一定的依据。

2 压滤计算模型与假定

为了探究泥浆在压滤机内受压排水的具体过程以及与压滤结果有关的各项参数之间的关系，本文对压滤机内部进行了简化模拟，建立了压滤计算模型，如图1所示，泥浆在压力作用下进行一维压缩，上部为不透水活塞，下部为过滤介质，允许水分自由排出。

图1 泥浆压滤计算模型

该理论模型的基本假定如下：

1）泥浆是均质的，由土颗粒和水构成的悬浊液。

2）泥浆中的土颗粒是不可压缩的。

3）泥浆的压缩和泥浆中水的渗流只沿竖向发生，是单向一维的。

4）泥浆中水的渗流服从达西定律。

5）外荷载是一次瞬时施加的。

6）在压滤过程中，壁效应作用所引起的滤饼不均匀堆积部分可忽略。

对于压滤的过程，本文假定其分为2个阶段，第1阶段为泥浆中多余水分的排出，第2阶段在压力作用下，泥浆孔隙比进一步减小。

第1阶段如图2所示，设此阶段滤饼的厚度为Lc，滤饼内孔隙比由上至下呈线性变化，顶部孔隙比为eg，底部为ec（将第1阶段滤饼称作半滤饼），上层部分则为孔隙比为eg的均质泥浆层，随着压滤的进行，上层泥浆逐渐减少，半滤饼厚度逐渐增加，当泥浆通过压滤均成为半滤饼后（即泥浆受压达到孔隙比均小于eg的临界状态时），压滤第1阶段结束。

第2阶段压滤基本原理与第1阶段相同，如图3所示，但第2阶段时假定最终滤饼为渗透系数为kc，孔隙比为ec的统一均匀层，上层部分为孔隙比为（eg－ec）／2的半滤饼层，当半滤饼全部成为最终滤饼后压滤完全结束，df为最终滤饼厚度。

图2 压滤第1阶段示意图

图3 压滤第2阶段示意图

3 压滤公式推导

第一阶段时，活塞位移

式中：ec为滤饼的孔隙比；eg为水泥浆的孔隙比；Lc为固结测试的滤饼厚度。

由于假定半滤饼孔隙比线性变化（如图4），则距离液面x处的孔隙比为：

大量实验得出渗透系数与孔隙比存在对数关系，据研究［15］得此对数关系可用式（3）表示。

则由式（2）、（3）得：

图4 压滤第1阶段孔隙比假定示意图

式中kc为滤饼渗透系数

由垂直渗流等效渗透系数公式得滤饼处

当第1阶段结束时，Lc＝df1。

由达西定律关联沉降量与压出的水分得出第1阶段压滤时间

式中γw为水的容重。

而第1阶段结束时的滤饼厚度

第2阶段活塞位移

图5 压滤第2阶段孔隙比假定示意图

根据第2阶段假定（如图5），同理由达西定律得出第2阶段压滤时间

综合式（5）、（6）、（7）、（9）得出总压滤时间

4 模型验证

为了验证本文建立的理论模型与公式的正确性，引用Bolton和McKinley对水泥浆的压滤试验数据［12］。其试验为水泥浆的单向压滤试验，采用单面排水模型（实验水泥浆的ds为2.71），可见建立的模型与压滤公式即公式（10）仍然适用于此试验，具体数据见表1。其中ck的取值是由其试验数据通过公式（3）反推得到的平均值，ck＝1.2。

表1 水泥浆压滤试验数据

此试验数据中的wc在0.30至0.46之间，取平均值0.41，kc在0.43至1.47×10－6m／s之间，取平均值0.72×10－6m／s，然后将数据代入本文的压滤公式（式（10））后，得出预测的压滤时间tf，然后与实测tf进行比较得出结果如图6所示。

由图6可见，试验数据点大部分落在1∶1线附近，但在压滤时间较长时，预测结果普遍小于实测结果。从理论上分析，随着时间的增加，滤饼的孔隙比逐渐减小，由于泥浆实际状态与假设的横观均一稳定有一定差别，在小型试验的情况下，泥浆中的凝块、少量杂质以及壁效应对渗流的影响累加增大，导致实际压滤速度无法达到在假定下的理论速度，测试时间越长，其影响越显著，故造成了如上结果的差异。若当试验设备尺寸以及滤过压能增大到接近于实际工程机械时，压滤时间会进一步缩短，且其他因素的影响也会减小，使得结果更为接近实际。可见所建立的模型能够对压滤进行较好的模拟。

图6 预测压滤时间与实测压滤时间比较图

5 参数分析

为了研究影响压滤过程的一些因素，本文选取了压滤公式中的几个重要参数进行了参数分析。图7给出了压滤压力与压滤时间的关系图，由图7可见，压滤时间随压滤压力的增大而减小，但减小的幅度逐渐降低。从原理分析，当压滤压力增大，泥浆排水速度增加，孔隙比降低速度加快，故压滤时间减小；同时当压滤压力增大时，孔隙比减小到最终滤饼的孔隙比的时间越来越短，故压滤时间减小的幅度也会随之降低。因此，增加压力有利于压滤的快速完成，但当压力超过一定值以后，对压滤时间的影响很小。

图8给出了不同ck取值时，压滤压力对最终泥饼渗透系数的影响。由图可见，ck越大，在相同压力下最终泥饼达到的渗透系数越大；压滤压力越大，最终泥饼的渗透系数越小，说明压力越大，最终压滤效果越好。

图7 压滤压力和压滤时间关系图

图8 不同ck取值下渗透系数关于压滤压力的曲线

6 压滤试验验证

为了验证模型的实用性，本文对泥浆进行了室内压滤试验，试验配置泥浆所使用的土样来自于杭州地区，属于粘质粉土，试验所用的土颗粒经测定得到颗粒级配曲线如图9所示。

图9 试验土的标准颗粒级配曲线

压滤试验所配置泥浆的初始含水率在0.66－0.83之间，通过室内试验得到关系式中ck以及kc的取值（其中ck为3.0，kc值见表2）。试验过程中滤过压在21.51～65.53kPa之间，具体数据如表2所示。

表2 室内压滤试验数据

由表2数据可见，在给定压滤时间情况下，由公式推算得到的滤饼孔隙比与实测值之间较接近，进一步验证了公式的实用性。

对于实际工程所关心的压滤压力、压滤时间以及压滤效果之间的关系可以通过本文的模型很好的给出。本文的研究对泥浆压滤技术的进一步发展应用提供了依据。

7 结 论

1）通过研究压滤机原理，建立了合理的计算模型，推导出了压滤时间、压滤压力等重要参数之间的关系式。

2）通过水泥浆的压滤试验数据验证了本文压滤公式的合理性。

3）通过对公式中的参数以及变量的分析，可以看出在同等条件下，增加压力有利于压滤的快速完成，但当压力超过一定值以后，对压滤时间的影响很小。同时压滤压力越大，最终泥饼的渗透系数越小，说明压力越大，最终压滤效果越好。

4）通过室内泥浆压滤试验得出在给定压滤时间情况下，可以由公式推算得到较为准确的滤饼孔隙比，验证了公式在实际工程中的实用性。

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