1 引言

　　水平定向鉆進(jìn)(Horizontal Directional Drilling, 簡(jiǎn)稱HDD)是采用安裝于地表的鉆孔設(shè)備，以相對(duì)于地面的較小的入射角鉆入地層形成先導(dǎo)孔，然后將先導(dǎo)孔擴(kuò)徑至所需的直徑大小，然后采用鉆機(jī)回拖牽引的方法將管道（線）鋪裝入鉆孔的一項(xiàng)技術(shù)。對(duì)于大直徑管道來(lái)說(shuō)，工程竣工后在鉆孔和管道之間要留下300mm~400mm 的環(huán)狀間隙。該技術(shù)起源于石油鉆井工業(yè)，經(jīng)演變之后目前廣泛應(yīng)用于油氣管 道和市政管道的建設(shè)。

　　水平定向鉆進(jìn)技術(shù)（HDD）已經(jīng)成為油氣管道和市政管道建設(shè)中必不可少的關(guān)鍵技術(shù)。但無(wú)論是市政管道還是油氣管道的鋪設(shè)，預(yù)擴(kuò)孔直徑都要達(dá)到穿越管段直徑的1.2~1.5倍，鉆孔和管道之間的泥漿固結(jié)后會(huì)形成環(huán)狀空隙，對(duì)于河堤的穿越，環(huán)狀空隙的存在會(huì)影響河堤的安全性，為防洪帶來(lái)隱患。要對(duì)泥漿固結(jié)后進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變的分析，前提是要知道環(huán)空泥漿的固結(jié)時(shí)間。而傳統(tǒng)測(cè)量環(huán)空泥漿的固結(jié)時(shí)間的方法存在著很多問(wèn)題與缺陷，這也導(dǎo)致了時(shí)間檢測(cè)上面誤差較大，從而耽誤了研究泥漿固結(jié)后受力分析的最佳時(shí)間。泥漿固結(jié)強(qiáng)度不夠的話, 可能因變形過(guò)大而出現(xiàn)問(wèn)題。因此 ，弄清泥漿固結(jié)時(shí)間的變化規(guī)律非常必要，而目前國(guó)內(nèi)在判定泥 漿固結(jié)時(shí)間的方法上仍處于空白階段。

2 試驗(yàn)原理

2.1 設(shè)計(jì)原理

　　水是一種極強(qiáng)的電解質(zhì)。水分子有較大的電偶極矩，在氫原子附近有極大的正電場(chǎng)，因而它有很大的電子親和力，使得水分子易吸附在固體表面并滲透到固體內(nèi)部。利用水分子這一特性制成的濕度傳感器稱為水分子親和力型傳感器。而把與水分子親和力無(wú)關(guān)的濕度傳感器稱為非水分子親和力型傳感器。在現(xiàn)代工業(yè)上使用的濕度傳感器大多是水分子親和力型傳感器，它們將濕度的變化轉(zhuǎn)換為阻抗或電容值的變化后輸出。濕敏電阻的特點(diǎn)是在基片上覆蓋一層用感濕材料制成的膜，當(dāng)環(huán)空間隙中的水蒸氣吸附在感濕膜上時(shí)，元件的電阻率和電阻值都發(fā)生變化，利用這一特性即可測(cè)量濕度。傳感器的濕敏電容一般是用高分子薄膜電容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亞胺、酪酸醋酸纖維等。當(dāng)環(huán)境濕度發(fā)生改變時(shí)，濕敏電容的介電常數(shù)發(fā)生變化，使其電容量也發(fā)生變化，其電容變 化量與相對(duì)濕度成正比。

　　當(dāng)飽和土受壓后，其附加壓力由有效壓力和孔隙水壓力共同分擔(dān)，分擔(dān)的情況隨時(shí)間而變化。最初，由于土中孔隙水不能及時(shí)排出，附加壓力幾乎全由孔隙水壓力承擔(dān)，產(chǎn)生超靜水壓力水頭�？紫端�在此水頭作用下由孔隙中排出，土骨架受壓縮，附加壓力逐漸轉(zhuǎn)移到骨架上，有效壓力逐漸加大，而孔隙水壓力逐漸減小，最后附加壓力全部由有效壓力承擔(dān) ，土的壓縮過(guò)程就結(jié)束。這整個(gè)過(guò)程，即稱固結(jié)。故固結(jié)過(guò)程也可以理解為孔隙水壓力消散的過(guò)程，土固結(jié)的快慢取決于土中水排出的速度。

2.2 工作原理

　　此傳感器的濕敏電阻采用氯化鋰電濕敏元件，氯化鋰元件的測(cè)量范圍與濕敏層的氯化鋰濃度及其它成分有關(guān)。將此傳感器放置于環(huán)空間隙，當(dāng)環(huán)空間隙內(nèi)的水蒸氣密度達(dá)到一定程度后，水蒸氣吸附在氯化鋰電濕敏元件的感濕膜上，此時(shí)元件的電阻率和電阻值都發(fā)生變化，這樣就可以將濕度的變化轉(zhuǎn) 換為阻抗或電容值的變化后輸出。傳感器的輸出端設(shè)在地面上，人們通過(guò)轉(zhuǎn)換后的數(shù)值變化就可以知道環(huán)空泥漿間隙的濕度，從而得知環(huán)空泥漿的固結(jié) 時(shí)間。

3 試驗(yàn)方法

3.1 試樣制備

　　將泥漿含水量控制在浮限，即懸浮液態(tài)與粘滯液態(tài)之間的界限含水量，這里取相應(yīng)液限含水量的2.0～2.5倍，以避免離析現(xiàn)象的發(fā)生。本試驗(yàn)選用的土料物理性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 土的物理性質(zhì)

3.2 施加滲壓

　　試樣制備好后，固結(jié)儀中沉積物以上的空間充滿水，蓋好蓋板 。打開(kāi)蓋板上的排水孔，調(diào)整壓力傳感器的初讀數(shù)，關(guān)閉蓋板上的排水（注水）孔，施加水壓力，記錄壓力傳感器讀數(shù)，最后打開(kāi)底板上的滲流出水孔 ，滲壓固結(jié)試驗(yàn)開(kāi)始。 試驗(yàn)施加的滲壓為50kPa。

3.3 量測(cè)過(guò)程

　　固結(jié)期間，每間隔一定時(shí)間量測(cè)相應(yīng)的試樣變形值。當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，測(cè)定孔隙水壓力分布和 試樣含水量的分布 。

4 試驗(yàn)結(jié)果

4.1 孔隙水壓力分布

　　試樣制備之前，將孔隙水壓力傳感器與固結(jié)儀的底板和側(cè)壁連接，底板處傳感器導(dǎo)管端部位于透水石上的濾紙?zhí)�。�?cè)壁處傳感器的位置分別位于距底部2cm 、4cm 、6cm 和8cm 處。施加恒定水壓之后，打開(kāi)開(kāi)關(guān)之前，底部傳感器的輸出值為所施加的恒定水壓力數(shù)值。固結(jié)進(jìn)行過(guò)程中，當(dāng)試樣厚度為8cm 時(shí)，通過(guò)側(cè)壁傳感器測(cè)得此時(shí)的孔隙水壓力分布。固結(jié)完成之后，將底部傳感器導(dǎo)管向上貫穿到試樣中，測(cè)得相應(yīng)位置孔壓值，直到傳感器頂部到 達(dá)試樣頂 部為止。

　　穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，試驗(yàn)得到孔隙水壓力沿相對(duì)深度 的分布如圖1 所示。

圖1 孔壓沿深度分布曲線

4.2 含水量分布

　　測(cè)量孔隙水壓力后，釋放水箱中的壓力，打開(kāi)固結(jié)儀蓋板上的注水排氣孔，迅速移去蓋板，將取 樣管豎直插入土層然后拔出，用推進(jìn)活塞將圓柱形的薄層土樣從取樣管推出，將土樣按一定厚度切 片，測(cè)量土樣中含水量的分布。

　　含水量沿深度分布曲線如圖2 所示。

圖2 含水量沿深度分布曲線

　　由于試樣自始至終均處于飽和狀態(tài)，根據(jù)孔隙比與含水量的關(guān)系，確定出試樣中孔隙比的分布情況，如圖3 所示。

圖3 孔隙比沿深度分布曲線

　　先收集國(guó)內(nèi)外的相關(guān)資料，然后進(jìn)行環(huán)空泥漿的相關(guān)試驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，從而得到環(huán)空間隙內(nèi)濕度的變化曲線，根據(jù)變化曲線選取合適的氯化鋰電濕敏元件作為濕敏電阻。然后開(kāi)始制作濕度傳感器，傳感器制作并調(diào)試完畢后，用導(dǎo)桿將其鑲嵌住，送至環(huán)空間隙，到達(dá)目的地后將導(dǎo)桿取回。由導(dǎo)線連接地下傳感器與地面的監(jiān)控設(shè) 備，從而可以通過(guò)傳感器進(jìn)行對(duì)濕度的監(jiān)控。

4.3 可行性分析

　　該測(cè)量方法的優(yōu)點(diǎn)是：

　　（1）可以很方便的測(cè)出環(huán)空間隙的濕度，省時(shí)省力，而且大大提高了計(jì)算固結(jié)時(shí)間的準(zhǔn)確性，耗 電少，又節(jié)約了能源。

　�。�2）傳感器的濕敏電阻采用耐用材料制成，可長(zhǎng)期埋設(shè)在樣地中，耗電少，分辨率高，適用于長(zhǎng)期 監(jiān)測(cè)。

　　該測(cè)量方法的缺點(diǎn)是：

　�。�1）盡管測(cè)量?jī)x的體積小，但是由于管道離地面距離遠(yuǎn)，且傳感器與地面監(jiān)控裝置需用導(dǎo)線連 接，故不易下放和固定。

　�。�2）在管道回拖的過(guò)程中容易對(duì)傳感器造成 損傷。

5 結(jié)論

　　為確定大口徑HDD環(huán)空泥漿固結(jié)時(shí)間，設(shè)計(jì)滲壓固結(jié)試驗(yàn)，介紹了該試驗(yàn)裝置、試驗(yàn)方法，并對(duì) 試驗(yàn) 結(jié)果進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

　　（1）HDD是管道穿越施工的一項(xiàng)高新技術(shù)，目前在我國(guó)大型長(zhǎng)輸管道工程建設(shè)中發(fā)揮了巨大作用，攻克了很多管道工程項(xiàng)目的控制性工程。但國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)環(huán)狀空間內(nèi)混合泥漿的變化規(guī)律 這一重要領(lǐng)域的研究非常缺乏。

　�。�2）通過(guò)滲壓固結(jié)試驗(yàn)，得到孔隙水壓力、孔隙比、含水量沿深度非線性分布的關(guān)系曲線，直觀地 描述 了有限應(yīng)變固結(jié)特性。

　　（3）采用測(cè)量?jī)x法判定大口徑HDD環(huán)空泥漿固結(jié)時(shí)間可以很方便的測(cè)出環(huán)空間隙的濕度，省時(shí)省力，而且大大提高了計(jì)算固結(jié)時(shí)間的準(zhǔn)確性，耗電少，分辨率高，適用于長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。但不易下放和固定，且在管道回拖的過(guò)程中容易對(duì)傳感器造 成損傷。

　�。�4）如何揭示管道和鉆孔孔壁之間的環(huán)空間參數(shù)，對(duì)評(píng)價(jià)工程潛在危害和影響性至關(guān)重要，而固結(jié)時(shí)間是研究其固結(jié)變化規(guī)律的一個(gè)很重要的參考量，因此具有重要工程實(shí)際意義和科學(xué)價(jià)值。