淺析砂性土層PHP泥漿護(hù)壁鉆孔樁施工過(guò)程控制

曲洪亮 盧華偉 蔣仁國(guó)

[摘要]目前，鉆孔灌注樁作為橋梁工程的一種基礎(chǔ)形式已被廣泛采用，我國(guó)幅員遼闊，地質(zhì)情況千差萬(wàn)別，不同地質(zhì)條件下鉆孔樁施工工藝也不盡相同。本文結(jié)合南通市江海大道東段快速化工程F標(biāo)鉆孔樁施工過(guò)程中PHP泥漿在砂性土層中的成功應(yīng)用，主要介紹施工中如何對(duì)PHP泥漿進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)控制，使其施工性能達(dá)到最佳。

[關(guān)鍵詞] 鉆孔樁 施工PHP泥漿護(hù)壁施工過(guò)程質(zhì)量控制

中圖分類號(hào)：O213文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

南通市江海大道東段快速化改造工程高架橋采用群樁基礎(chǔ)，共有樁基744根，其中：直徑1.5m鉆孔樁616根，樁深46～78m，總長(zhǎng)度35890m；直徑1.2m鉆孔樁88根，樁深48～74m，總長(zhǎng)度5880m；直徑1.0m鉆孔樁40根，樁深32～42m，總長(zhǎng)度1552m。

本工程位于江蘇省南通市通州區(qū)境內(nèi)，處于長(zhǎng)江下游三角洲北翼。項(xiàng)目前期勘察揭示巖土分層共劃分5個(gè)大層，第1層為近期人工堆填，第2層、第3層為Q4沖淤積地層，第4層為Q4三角洲淺海相地層，第5層為Q3河床相沉積，主要為粉土、粉砂及粉土粉砂夾層。樁基施工采用反循環(huán)鉆機(jī)鉆孔，PHP泥漿護(hù)壁，成功地在砂性土層進(jìn)行鉆孔樁施工。施工過(guò)程中PHP泥漿發(fā)揮了重要作用，有效地保證了成孔質(zhì)量。本文主要介紹鉆孔樁施工過(guò)程中PHP泥漿的質(zhì)量控制。

1 PHP泥漿應(yīng)用

1.1 PHP泥漿的特點(diǎn)

PHP（partiallyhydrolyzed polyacrylamide）泥漿即丙烯酰胺泥漿，是以膨潤(rùn)土、碳酸鈉、聚丙烯酰胺的水解物和鋸木屑、稻草、水泥或有機(jī)纖維復(fù)合物按一定比例配制的不分散、低固相、高粘度泥漿，它能使鉆渣處于不分散的絮凝狀態(tài)，易于清除。該泥漿在鉆孔中能起到保護(hù)孔壁、攜帶鉆渣、冷卻潤(rùn)滑鉆頭、提高鉆進(jìn)速度、延長(zhǎng)鉆機(jī)使用壽命、保證成孔質(zhì)量、密實(shí)混凝土等作用。根據(jù)相關(guān)研究[3]，運(yùn)用PHP泥漿鉆孔施工對(duì)提高樁基承載力有較大影響。

1.2 PHP泥漿的組成

制備泥漿的主要原料：

（1）膨潤(rùn)土：PHP泥漿膠體質(zhì)的主要來(lái)源，主要分為鈉質(zhì)和鈣質(zhì)兩類，鈉質(zhì)膨潤(rùn)土泥皮薄，穩(wěn)定性好，造漿率高。鈣質(zhì)膨潤(rùn)土較鈉質(zhì)膨潤(rùn)土性能稍差，但其價(jià)格相對(duì)低廉，選擇適當(dāng)?shù)呐浜媳纫材茌^好的滿足施工需要。

（2）水：取水時(shí)要求水質(zhì)好，水質(zhì)要求屬HCO3- ～Ca+型水，PH值在8.1 ～8.5間。

（3）堿粉：即工業(yè)碳酸鈉（Na2CO3）,其作用是可增大PH值到10，從而增加水化膜厚度，提高基漿的膠體率和穩(wěn)定性，降低失水量。同時(shí)可提供Na+，對(duì)膨潤(rùn)土進(jìn)行改性處理。

（4）聚丙烯酰胺（PAM）：為水溶性高分子聚合物，具有良好的絮凝性，即可單獨(dú)拌制泥漿，又可作為膨潤(rùn)土泥漿中的摻加劑，提高泥漿的粘度，降低含砂率。

2 鉆孔前準(zhǔn)備工作

2.1原材料的質(zhì)量控制

制漿用土十分重要，土樣自身含砂率直接決定了孔中循環(huán)泥漿指標(biāo)和清孔泥漿指標(biāo)的好壞。好的膨潤(rùn)土顏色一般呈灰黃色。根據(jù)工程地質(zhì)條件及類似施工經(jīng)驗(yàn)選用浙江吉安生產(chǎn)的以脫蒙石為主的鈣基膨潤(rùn)土，該土具有相對(duì)密度低、粘度好、含砂量少、失水量低、泥皮薄、穩(wěn)定性強(qiáng)、固壁能力高、鉆具回轉(zhuǎn)阻力小、鉆進(jìn)率高、造漿能力大等優(yōu)點(diǎn)，質(zhì)量等級(jí)為二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。制漿用水取自通呂運(yùn)河，水質(zhì)較好。原材料進(jìn)場(chǎng)集中堆放，下墊上蓋，避免受潮變質(zhì)。

2.2泥漿循環(huán)系統(tǒng)

鉆孔樁鉆進(jìn)過(guò)程中，泥漿的循環(huán)工藝對(duì)成孔質(zhì)量有著十分重要的影響。根據(jù)相關(guān)研究成果[4]，借鑒類似條件的蘇通大橋樁基施工經(jīng)驗(yàn)，泥漿循環(huán)系統(tǒng)主要組成為：造漿機(jī)、基漿池、新漿池、循環(huán)沉淀池、維漿池、泥漿泵、絮凝池、砂石泵等，使泥漿來(lái)回循環(huán)且凈漿以保證泥漿質(zhì)量。

圖 1 泥漿循環(huán)系統(tǒng)示意圖

泥漿循環(huán)系統(tǒng)的布置原理是：鉆孔使用過(guò)的粗顆粒含量高的泥漿通過(guò)凈化、循環(huán)、絮凝、稀釋等過(guò)程后，大顆粒沉淀去除，加入PHP含量高的新漿，增加其粘度、減少其失水量、調(diào)整其性能指標(biāo)，使其重新滿足鉆孔需要。

泥漿循環(huán)系統(tǒng)中砂石泵的作用是將鉆孔形成的攜帶鉆渣的泥漿泵入泥漿凈化機(jī)凈化，并使維漿池中PHP含量高的合格泥漿泵入鉆孔使用。泵入泥漿凈化機(jī)的泥漿含渣量較高，一般達(dá)到3%—4%。一般情況下，泥漿凈化機(jī)將粒徑0.075mm以上的鉆渣顆粒及絮凝顆粒清除，粒徑小于0.075mm的顆粒隨泥漿流入循環(huán)沉淀池沉淀。為增大沉淀效果，可將泥漿沉淀池做成幾個(gè)隔離倉(cāng)以加大循環(huán)路徑。經(jīng)沉淀池后，泥漿流入絮凝池。絮凝池中的泥漿通過(guò)控制流入的基漿性能調(diào)整其濃度和酸堿度。濃度和酸堿度通過(guò)加入膨潤(rùn)土及堿粉調(diào)整。

2.3泥漿制備

由于膨潤(rùn)土的充分水解需要一定時(shí)間，一般在開(kāi)鉆之前24小時(shí)造好所需要的泥漿。在鉆孔前要準(zhǔn)備足夠的泥漿，一般為孔體積的1.5倍，造好的泥漿儲(chǔ)存在泥漿池中備用。

（1）基漿制作

將膨潤(rùn)土、水、純堿等按比例制成基漿。新制泥漿配比參照表1，現(xiàn)場(chǎng)可根據(jù)實(shí)際情況由實(shí)驗(yàn)室調(diào)配。

表1 新制泥漿配比（1m3漿液用量）

膨潤(rùn)土 材料用量（Kg）

水 膨潤(rùn)土 Na2CO3 PHP（當(dāng)基漿性能無(wú)法滿足時(shí)）

鈣土2級(jí) 968 58 3.194 0.484

先將一定量水加入造漿機(jī)中，再按比例加入膨潤(rùn)土，拌制30分鐘，使膨潤(rùn)土顆粒充分分散，再按比例加入純堿進(jìn)行充分?jǐn)嚢柚瞥苫鶟{，膨潤(rùn)土泥漿在靜止24h后使用可提高其粘度，基漿性能的各項(xiàng)指標(biāo)要求如表2所示。

粘度（s） 比重（g/cm3） 含砂率（%） PH 膠體率（%）

20-22 1.02-1.06 0.3 8-10 98

表2 基漿性能指標(biāo)

（3）水解聚丙烯酰胺(PAM)

使用的PAM為分子量為800萬(wàn)的非速溶水解型，使用前先水解成PHP膠體?，F(xiàn)場(chǎng)水解PAM用常溫法，提前水解，水解按PAM：NaOH：H2O=10:1:600比例進(jìn)行，在攪拌筒攪拌直至PAM全部分散于水中，放置2-3天后即可使用。

（3）PHP泥漿制備

在原漿中加入一定比例的PHP使兩者充分?jǐn)嚢杌旌霞纯?，PHP用量根據(jù)實(shí)際測(cè)試的泥漿指標(biāo)而定，一般情況下，每方原漿中加入PHP水溶解液2.0-3.0Kg。新漿需提前配置，在新漿池中儲(chǔ)備24h后再使用。制作好的泥漿性能指標(biāo)如表3所示。

表3 PHP泥漿性能指標(biāo)

粘度 （s） 比重（g/cm3） 含砂率 （%） PH 膠體率（%） 失水量（ml/30min） 泥皮厚度（mm）

26-35 1.04左右 ≤0.3 8-10 ≥99 ＜18 ≤1.0

3 鉆孔過(guò)程中泥漿質(zhì)量控制

鉆孔過(guò)程中泥漿質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到成孔質(zhì)量，為保證泥漿性能符合要求，鉆進(jìn)過(guò)程中一般每2h檢測(cè)一次泥漿指標(biāo)，若泥漿指標(biāo)不符合要求則停止鉆機(jī)進(jìn)尺進(jìn)行調(diào)漿，直至泥漿達(dá)到要求為止。泥漿各項(xiàng)指標(biāo)的調(diào)節(jié)主要通過(guò)泥漿循環(huán)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。在鉆孔過(guò)程中泥漿主要檢測(cè)相對(duì)密度、黏度、含砂率和PH值四個(gè)重要指標(biāo)，同時(shí)也對(duì)膠體率、失水量和泥皮厚度進(jìn)行檢測(cè)，具體檢測(cè)方法參考《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T F50-2011）[1]。

（1）相對(duì)密度

泥漿的相對(duì)密度是泥漿與同體積的水的質(zhì)量比，是鉆孔過(guò)程中一個(gè)重要參數(shù)。泥漿的相

對(duì)密度增大時(shí)，在鉆進(jìn)中對(duì)孔壁的側(cè)壓力也增大，孔壁越穩(wěn)定，懸浮攜帶鉆渣的能力也越大。但相對(duì)密度過(guò)大的泥漿其失水量也相應(yīng)增大，孔壁上的泥皮也越厚，這就增大了泥漿原料的消耗，而且會(huì)給清孔和混凝土灌注帶來(lái)困難。對(duì)于摩擦樁，泥皮影響混凝土與樁側(cè)土的直接結(jié)合，從而降低了混凝土樁樁側(cè)摩阻力，泥皮越厚，降低程度越大[3]。同時(shí)，泥漿密度的增大意味著泥漿中固體顆粒含量加大，就會(huì)對(duì)鉆具產(chǎn)生較大的磨損，鉆進(jìn)中泥漿密度控制在1.1～1.2之間。鉆進(jìn)中泥漿的相對(duì)密度若是過(guò)大，則需往孔中加入基漿或停止鉆進(jìn)進(jìn)行降砂處理。若基漿合適在施工中一般不存在相對(duì)密度偏小的現(xiàn)象，因?yàn)橹灰履酀{參與鉆進(jìn)，必定攜帶一定的鉆渣。檢測(cè)的泥漿是鉆機(jī)從孔底抽出的泥漿而不是經(jīng)過(guò)泥漿循環(huán)系統(tǒng)重新流入到孔中的泥漿，這才能真實(shí)反映出孔內(nèi)泥漿的性能。

（2）黏度

黏度是鉆孔過(guò)程中另一重要參數(shù)。一般控制在25～28s，黏度大的泥漿有利于降低失水、穩(wěn)定孔壁、防止坍塌和縮孔等事故，也有利于泥漿懸浮攜帶鉆渣鉆屑的能力，降低孔底沉渣，確保成樁質(zhì)量。黏度大的泥漿產(chǎn)生的孔壁泥皮厚，對(duì)懸浮攜帶鉆渣、防止翻砂和阻隔滲漏有利。但黏度大的泥漿容易糊鉆，影響泥漿泵的正常工作，增加泥漿的凈化難度，從而影響鉆進(jìn)速度。若黏度偏小，鉆渣不易懸浮，泥皮薄，對(duì)防止翻砂和滲漏不利。

（3）含砂率

含砂率是泥漿內(nèi)所含的砂和粘土顆粒的體積百分比。泥漿的含砂率大時(shí)，會(huì)降低黏度，增加沉淀，容易磨損鉆孔機(jī)具。停鉆時(shí)易造成埋鉆事故。若提鉆時(shí)泥漿中含砂率偏大，經(jīng)過(guò)幾個(gè)小時(shí)的沉淀，孔底的沉渣量會(huì)積多而超出設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，必須進(jìn)行二次清孔。在鉆進(jìn)中含砂率控制在4%以內(nèi)，提鉆前含砂率需降到2%以下，這樣可以有效減少灌注前孔底沉渣厚度，避免或減少二次清孔時(shí)間。

（4）PH值

PH值表示泥漿的酸堿度，PH值等于7時(shí)為中性泥漿，小于7時(shí)為酸性，大于7時(shí)為堿性。PHP泥漿的PH值一般控制在8～10，這時(shí)粘土顆?？梢赃M(jìn)行分散，水分子進(jìn)入粘土內(nèi)部使其膨化，顆粒表面形成一層吸附性水化膜，相當(dāng)于增加了泥漿的固相成分，使失水量小，能較快形成薄而堅(jiān)韌的泥皮，起到很好的固壁效果。水化膜還可以阻止粗土顆粒黏結(jié)在一起而沉淀，因而增加了泥漿的穩(wěn)定性和膠體率。如PH值過(guò)小，失水量會(huì)急劇上升；如PH值過(guò)大，泥漿濾液將滲透到孔壁的黏土，使孔壁表面軟化，黏土顆粒之間的凝聚力減弱，造成裂解而使孔壁坍塌。PH值現(xiàn)場(chǎng)用PH試紙測(cè)定。

（5）膠體率

膠體率亦稱穩(wěn)定率，用于評(píng)價(jià)泥漿中土顆粒保持懸浮狀態(tài)的性能。膠體率大的泥漿，黏土顆粒不易沉淀，懸浮鉆渣能力強(qiáng)。鉆渣中的土顆粒處于懸浮狀態(tài)，利用泥漿膠體的黏結(jié)力使懸浮著的鉆渣隨著泥漿的循環(huán)流動(dòng)被帶出樁孔，最終將樁孔內(nèi)的鉆渣清干凈。

（6）失水量

失水量又叫滲透量，是泥漿在鉆孔中受內(nèi)外水頭壓力差的作用在一定時(shí)間內(nèi)滲入地層的水量，以mL/30min為單位。泥漿的失水量越小，則它的膠體率越大。失水量小的泥漿有利于鞏固孔壁；失水量過(guò)大的泥漿，形成孔壁泥皮過(guò)厚而使鉆孔直徑縮小，同樣不利于孔壁穩(wěn)定。故泥漿的失水量越小越好。

（7）泥皮厚度

泥皮是泥漿失水的同時(shí)，在孔壁表面形成的一層液固相壓的結(jié)合物。泥皮主要在泥漿相對(duì)密度、黏度、PH值、失水量等指標(biāo)綜合作用形成，與泥漿質(zhì)量有直接關(guān)系。對(duì)于摩擦樁，泥皮的薄厚對(duì)樁側(cè)摩阻力影響十分明顯[5]。優(yōu)質(zhì)泥漿形成薄而韌、結(jié)構(gòu)致密的泥皮,有利于穩(wěn)固孔壁。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，使用PHP泥漿泥皮厚度小于1mm。

泥漿的各項(xiàng)指標(biāo)是相輔相成的，不是單獨(dú)孤立的，泥漿中若有一個(gè)指標(biāo)達(dá)不到要求，就會(huì)影響其他的性能指標(biāo)不符合要求。為保證泥漿質(zhì)量，施工時(shí)應(yīng)注意新制備泥漿要靜置24小時(shí)再使用，且不可將膨潤(rùn)土直接倒入正在鉆進(jìn)的孔內(nèi)，利用鉆頭旋轉(zhuǎn)造漿；鉆進(jìn)過(guò)程中，要根據(jù)地層地質(zhì)條件，調(diào)整現(xiàn)場(chǎng)泥漿指標(biāo)，以滿足施工性能要求。

4 成孔及混凝土灌注前泥漿質(zhì)量控制

反循環(huán)鉆進(jìn)成孔并檢驗(yàn)合格后，停止鉆具回轉(zhuǎn)，提升鉆錐至距孔底鉆渣面0.1-0.3m，維持泥漿的反循環(huán)，并向孔中注入新泥漿。清孔過(guò)程中經(jīng)常測(cè)量孔底沉渣厚度和孔中泥漿性能指標(biāo)，滿足要求后停止清孔。應(yīng)注意在清孔過(guò)程中，必須始終保持孔內(nèi)原有水頭高度。灌注水下混凝土前再次對(duì)孔底沉渣厚度和孔內(nèi)泥漿指標(biāo)進(jìn)行檢查，如超過(guò)規(guī)定（孔底沉渣厚度，泥漿相對(duì)密度1.03-1.10，粘度17-20Pa.s，含砂率小于2%，膠體率大于98%），則需進(jìn)行第二次清孔。

5 結(jié)束語(yǔ)

在本標(biāo)段鉆孔樁施工過(guò)程中，PHP泥漿在砂性土層的使用是成功的，鉆孔施工期間沒(méi)有出現(xiàn)任何質(zhì)量事故，取得了良好的成樁質(zhì)量。經(jīng)檢測(cè)試樁承載力滿足設(shè)計(jì)要求，全部744根樁均為I類樁。

使用PHP泥漿完全能夠滿足砂性土層鉆孔樁施工要求，但其成本相對(duì)較高。在施工過(guò)程中如何充分利用其性能優(yōu)點(diǎn)而降低生產(chǎn)成本，做到投入與產(chǎn)出比最小，這就要求現(xiàn)場(chǎng)控制有理、有利、有節(jié)。PHP泥漿在施工中如果現(xiàn)場(chǎng)控制得當(dāng)，使其工作性能充分發(fā)揮，對(duì)樁基成孔質(zhì)量與成孔速度是一項(xiàng)強(qiáng)有力保障，同時(shí)樁基的成孔成本也會(huì)降低。

參考文獻(xiàn)

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[5]馬茂軍,曲學(xué)進(jìn).護(hù)壁泥漿對(duì)抗浮樁承載力的影響分析.青島理工大學(xué)學(xué)報(bào)[A].1673-4602(2007)0-01

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