При строительстве несущих стен подземных помещений и противофильтрационных завес способом «стена в грунте», при бурении нефтяных и газовых скважин для устойчивости стенок траншей и скважин разработку грунта производят под глинистым тиксотропным раствором. Применение глинистого раствора обусловлено его важными свойствами: способностью кольматировать стенки траншеи (то есть образовывать на них водонепроницаемую глинистую плёнку) и удерживать во взвешенном состоянии частицы разрабатываемого грунта. В состоянии покоя глинистый раствор представляет собой густую студенистую массу — гель, при механическом воздействии на него раствор способен изменять вязкость, разжижаться. При этом образуется вязкая жидкость — золь.
Перечисленные свойства глинистых растворов, существенно отличаются от свойств обычных вязких жидкостей, их реологические свойства определяются сложным внутренним строением, физико-химическими свойствами глин, их концентрацией в растворе.
Глинистый раствор представляет собой двухфазную дисперсную систему, в которой твердой фазой являются частицы глины, жидкой — вода. Поверхность твердых частиц является поверхностью раздела фаз, в поверхностном слое дисперсионная среда обладает аномальными свойствами по сравнению с её обычными характеристиками. Такой слой называется сольватной оболочкой частиц.
Другими важными свойствами глинистых растворов являются: плотность, вязкость, суточный отстой или седиментация, стабильность, водоотдача, толщина глинистой корки на стене траншей, предельное статическое напряжение сдвига, содержание песка, концентрация водородных ионов. Плотность составляет от 1,08 до 1,5 т/м3 (измеряется ареометрами АГ-1, АГ-2, АГ-3ПГ, весами Баруа), вязкость — 17...30 с (вискозиметр ВП-5), седиментация до 5% (цилиндр ЦС-2), стабильность — 0,01 т/м3...0,02 т/м3 (цилиндры ЦС-1 и ЦС-2), водоотдача — 25...30 см3/мин (прибор БМ-6), толщина глинистой корки не более 4 мм, статическое напряжение сдвигу после минутного выдерживания не менее 1 Па (прибор СНС-2), содержание песка не более 4%, содержание щелочи рН = 9,5-10,0.
Сущность процессов, происходящих в вязкопластичных средах раскрыли: П.М. Огибалов [1], А.Х. Мирзаджанзаде [2], В.П. Мясников [3].
Частицы глины, взвешенные в воде, совершают броуновское движение; вокруг частиц образуются силовые поля, взаимодействующие друг с другом. С некоторой вероятностью может произойти слияние частиц и их дальнейшее совместное движение. Аналогичный процесс может произойти со следующей частицей и так далее, в результате чего образуется рыхлая пространственная сетка — коагуляционная структура. Коагуляционная структура, образованная сцеплением частиц в цепочку, и неупорядоченные пространственные сетки являются наиболее распространенным видом дисперсных структур. При внешнем механическом воздействии на раствор силовые поля частиц будут искажаться. При малой интенсивности внешнего воздействия размыва связей в пространственной сетке не происходит, возможен переход частиц из одного положения в другое. Сравнительно небольшая постоянная нагрузка на среду будет вызывать перестройку каркаса, дисперсная система приходит в состояние установившегося течения. В случае интенсивного внешнего воздействия перестройка структурного каркаса не может обеспечить развитие установившегося течения раствора и рыхлая структурная сетка разрушается. Наличие броуновского движения глинистых частиц приводит к образованию новых связей между ними. Дисперсная система будет находиться в стационарном состоянии, когда число вновь образующихся связей в единицу времени примерно равно числу разрушаемых.
Свойства дисперсных систем определяются временем релаксации — периодом, в течение которого восстанавливаются связи между частицами структурного каркаса и в дисперсной системе вновь образуются рыхлые пространственные структуры. Это свойство глинистых и некоторых других растворов получило название «тиксотропии», что означает «изменчивый при прикосновении». Глинистые растворы обладают способностью приспосабливаться к внешним воздействиям. Явление релаксации описывается уравнением Максвелла, из которого следует, что с течением времени напряженное состояние системы ослабляется.
В зависимости от интенсивности внешних воздействий на среду в дисперсной системе могут развиваться 3 вида деформации:
1. Упругие деформации, связанные с изменением межатомных и межмолекулярных расстояний.
2. Эластичные деформации, при которых меняется ориентация частиц в структурном каркасе.
3. Пластические деформации, связанные с перемешиванием коагуляционных структур.
Кроме того, необходимо учитывать вязкую деформацию, действие которой проявляется в неравномерности движения слоев жидкости. Движение жидкости осуществляется за счет трения о рабочие органы и гидродинамических сопротивлений на его поверхностях.
В движении вязкопластичного раствора различают 4 режима:
- шведовский — режим течения жидкости с практически неразрушенной структурой, происходящей с очень малыми скоростями движения порядка нескольких сантиметров в секунду. При этом жидкость обладает эффективной ньютоновской вязкостью ηэф;
- бингамовский — режим течения жидкости с непрерывно разрушающейся структурой, который происходит со скоростью движения порядка 1,25 м/с. Для такого режима течения вводится понятие структурной вязкости η;
- псевдоламинарный — режим течения жидкости с практически полностью разрушенной структурой; наблюдается при скоростях течения порядка 1,5 м/с, жидкость обладает динамической вязкостью μ;
- турбулентный — протекает со сравнительно большими скоростями (более 2 м/с), при этом происходит интенсивное перемешивание жидкости, обладающей фиктивной вязкостью μф.
Если к дисперсной системе приложить довольно интенсивное внешнее воздействие, то в системе могут произойти пластические деформации — перемещение отдельных структур, возможно возникновение псевдоламинарного режима течения жидкости и переход к турбулентному, минуя бингамовский.
Переменная вязкость тиксотропного раствора связана с дисперсной фазой, которая имеет некоторую изменяющуюся структуру.
Математический анализ процессов ползучести, релаксации и стационарного течения раствора на обобщенной механической модели Шведова-Кельвина показал, что при весьма малых напряжениях сдвига тиксотропные системы обладают высокой (порядка миллиона пауз) ньютоновской вязкостью без заметного разрушения структуры. Эта вязкость обычными реологическими методами не обнаруживается.
При напряжениях сдвига, значительно превосходящих предельные значения, можно выделить область постоянной ньютоновской вязкости, определяемой в ламинарном потоке. В состоянии вязкопластичного течения (бингамовский режим), сопровождающегося изменением и разрушением структуры, тиксотропный раствор обладает структурной вязкостью. При турбулентном течении коагуляционные структуры глинистого раствора нарушены, тиксотропный раствор имеет фиктивную вязкость.
Глинистый тиксотропный раствор является двухфазной средой, в которой частицы глины способны образовывать сложную внутреннюю структуру. Поэтому в качестве реологической модели глинистого раствора используется комбинированная реологическая модель, состоящая из простейших моделей. Наиболее точно реологические свойства глинистых тиксотропных растворов описываются моделью Шведова-Бингама.
(1)
где τ — касательное напряжение сдвига;
τ0 — предельное напряжение сдвига;
dU/dn — градиент скорости движения раствора;
dU — предел скорости смещения одного слоя раствора относительно другого;
dn — расстояние между слоями.
Механические свойства сплошной среды определяются уравнениями состояния, связывающими тензоры напряжения деформаций и скоростей деформации.
Если максимальное касательное напряжение не превосходит предельного напряжения τ0, то вязкопластичная жидкость ведет себя как несжимаемое упругое тело, для которого справедлив закон Гука:
σ = Е ε, (2)
где σ — нормальное напряжение;
Е — модуль упругости;
ε — относительная деформация.
τ = j G, (3)
где j — угловая деформация;
G — модуль сдвига.
Если максимальное касательное напряжение больше, чем τ0, имеет место вязкое течение раствора.
Как указывает академик П.А. Ребиндер, для случая структурного режима течения жидкости, возможно использование модели Шведова-Кельвина, которая дает следующее уравнение для кинематики жидкости:
1. 
(4)
2. 
(5)
где 
— напряжение в коагуляционной структуре;
— предел упругости, ниже которого остаточные деформации не развиваются;
Е1 — начальный условно-мгновенный модуль сдвига;
Е2 — модуль эластичности;
t — время протекания процесса;
t0 — время релаксации.
Для вязкого течения вязкопластичной жидкости получено следующее уравнение состояния (в векторно-тензорной форме)
(6)
где V — скорость сдвига;
еij — скорость деформации.
Для всех режимов течение глинистого тиксотропного раствора будет справедливо уравнение сплошности среды:
(7)
где ρc — плотность раствора.
Для вязкого течения тиксотропного раствора (бингамовский и псевдоламинарный режимы) будут справедливы дифференциальные уравнения движения сплошной среды в форме Коши:
(8)
где ρc — плотность жидкости;
dV/dt — субстанциальная производная скорости движущегося элемента среды;
Р — поверхностная сила;
К — массовая сила.
При определении числового значения силы трения при движении тела в растворе необходимо знать величину касательного напряжения τ, которое для каждого режима течения имеет определенное значение.
Для определения τ при бингамовском режиме движения раствора применима формула Шведова-Бингама.
Для псевдоламинарного режима течения раствора напряжения сил трения выражаются зависимостью:
(9)
Знаки «плюс» и «минус» принимают в зависимости от знака градиента скорости течения раствора с учетом требования, чтобы напряжение сил трения было положительным.
При турбулентном режиме течения глинистого раствора для получения полного напряжения сил трения необходимо к основному вязкостному трению, по И. Ньютону, прибавить дополнительное напряжение от пульсации.
(10)
где l — осредненное значение пути перемешивания.
Уравнение (10) является общим для определения напряжения сил трения в ламинарном и турбулентном потоках. В ламинарном потоке влияние скорости пульсации потока ничтожно мало, и для такого потока превалирует первый член уравнения (10).
В турбулентном потоке при большом значении числа Рейнольдса влияние вязкости раствора, наоборот, пренебрежимо мало, и здесь существенно влияние второго члена уравнения.
Важным моментом является определение границ ядра течения. При движении пластинки в растворе размеры ядра течения могут быть получены из уравнения
(11)
где ∆P — перепад давления на рассматриваемом участке;
l — длина участка;
Нж — максимальное расстояние от пластинки, в котором осуществляется движение;
δт — толщина пограничного слоя.
Радиус зоны вязкопластичного течения при вращении гладкого цилиндра зависит от его угловой скорости
(12)
где rт — радиус распространения зоны вязкопластичного течения;
r — радиус-вектор некоторой точки жидкости.
Приведенные уравнения движения и состояния вязко-пластичной среды являются весьма сложными. Поэтому на практике задачи о течении таких сред и о движении тел в реологических средах решают приближенными методами, позволяющими получить достаточно полную картину обтекания и объяснить экспериментальные результаты. В настоящее время такие задачи решены для случаев движения вязкопластичной среды по трубам, вращения длинной буровой штанги в растворе.
Однако землеройные машины, применяемые при строительстве способом «стена в грунте», кроме вращающихся по оси труб, имеют конструктивные элементы, совершающие движения по различным степеням свободы. В связи с этим необходимо решение двух задач [4]:
- установление сопротивления движению рабочих органов землеройных машин в глинистом растворе;
- определение прочных характеристик конструкций землеройных машин, работающих в глинистом растворе.
