Тайшикова А.М., Джазыбекова А.Н.,

Молбасин Б.И., Бимагамбетова А.К., Нукербекова А.М.

Карагандинский государственный технический университет, Казахстан

Реологическое поведение тиксотропного глинистого раствора

При возведении несущих стен подземной части здания и противофильтрационных завес способом «стена в грунте», при бурении нефтяных и газовых скважин для обеспечения 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 пленку) 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- химическимим свойствами глин, их концентрацией в растворе.

1. Физические свойства глинистого раствора

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 и является сольватной оболочкой частиц. А также свойствами глинистых растворов являются: плотность, вязкость, седиментация, стабильность, водоотдача, предельное напряжение сдвига, содержание песка, концентрация водородных ионов. При этом плотность составляет от 1,08 до 1,5 т/м³, вязкость – 17…30 с, седиментация до 5% , стабильность – 0,01 т/м³ …0,02 т/м³ , водоотдача – 25…30 см³/мин, толщина глинистой корки не более 4 мм, статическое напряжение сдвигу после минутного выдерживания не менее 1 Па, содержание песка не более 4%, содержание щелочи рН = 905-10,0 [1,2,3].

Частицы глины, взвешенные в воде, совершают броуновское движение; вокруг частиц образуются силовые поля, взаимодействующие друг с другом. В результате которого 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 происходит 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.

2. Реологическая модель глинистого раствора

Свойства дисперсных систем определяются временем релаксацией – периодом, в течении 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». 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 2 вида деформации:

1. Упругие деформации, связанные с изменением расстояний, при которых меняется ориентация частиц в структурном каркасе.

2. Пластические деформации, между твердыми частицами связанные с перемешиванием коагуляционных структур.

При этом учитывают вязкую деформацию, действие которой проявляется в неравномерности движения слоев жидкости. Движение жидкости осуществляется за счет трения о рабочие органы машин и гидромеханических сопротивлений на его поверхностях.

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 описывается моделью Шведова-Бингама.

τ = τ₀ ± μ , (1)

где τ - касательное напряжение сдвига; τ₀ - предельное напряжение сдвига; m - динамическая или фиктивная вязкость; - градиент скорости движения раствора; dU - предел скорости смещения одного слоя раствора относительно другого; dn - расстояние между слоями.

Механические свойства сплошной среды определяются уравнением состояния, связывающими тензоры напряжения деформаций и скоростей деформации.

Если максимальное касательное напряжение не превосходит предельного напряжения τ₀ , то вязкопластичная жидкость ведет себя к несжимаемое упругое тело, для которого справедлив закон Гука:

σ = E ε, (2)

где σ – нормальное напряжение; E – модуль упругости; ε – относительная деформация.

t = j G, (3)

где j - угловая деформация; G - модуль сдвига.

Если максимальное касательное напряжение больше, чем τ₀ имеет место вязкое течение раствора.

Для случая структурного режима течения жидкости, возможно использование модели Шведова-Кельвина, которая дает следующее уравнение для кинематики жидкости:

1. σ < σ₀ ;

ε = + (1 – е ^- ) (4)

2. σ > σ₀ ;

ε = + (1 – е ^- ) + t, (5)

где σ - напряжение в коагуляционной структуре; σ₀ - предел упругости, ниже которого остаточные деформации не развиваются; E₁ - начальный условно-мгновенный модуль сдвига; E₂ - модуль пластичности; t - время протекания процесса; h - коэффициент эффективной или структурной вязкости; t₀ - время релаксации.

Для вязкого течения вязкопластичной жидкости получено следующее уравнение состояния (в векторно-тензорной форме)

σ_{i j} = (j + ) e_{i j ,} (6)

где V - скорость сдвига; e_{i j} - скорость деформации.

Для всех режимов течения глинистого тиксотропного раствора будет справедливо уравнение сплошности среды:

diν(p_c) + = 0, (7)

где p_c - плотность раствора.

Для вязкого течения тиксотропного раствора будут справедливы дифференциальные уравнения движения сплошной среды в форме Коши:

_, (8)

где p_c - плотность жидкости; dV/dt - субстанциальная производная скорости движущегося элемента среды; P - поверхностная сила; K - 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.

3. Параметры землеройных машин

При этом важным моментом является определение границ ядра течения могут быть получены из уравнения

(9)

где ∆P - перепад давления на рассматриваемом участке; l - длина участка; Н_ж - максимальное расстояние от пластинки, в котором осуществляется движение; δ_Т - толщина пограничного слоя.

Радиус зоны вязкопластичного течения при вращении гладкого цилиндра зависит от его угловой скорости

, (10)

где r_T - 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. 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:

- установление сопротивления движению рабочих органов землеройных машин в глинистом растворе;

- определение прочных характеристик конструкций землеройных машин, работающих в глинистом растворе.

Литература

1. Огибалов П.М., Мирзаджанзаде А.Х. Нестационарное движение вязкопластичных сред. М.: МГТУ, 1970.415с.

2. Мирзаджанзаде А.Х. Вопросы гидродинамики вязких и вязкопластичных жидкостей в нефтедобыче. Баку: Азернефтестр., 1959. 98с.

3. Мясников В.П. О постановке задачи сгибания тел вязкопластичной жидкостью // Журнал прикладной механики и технической физики. 1962. № 4. 52с.