公路橋梁鉆孔灌注樁護(hù)壁泥漿技術(shù)

郭大志

（香河縣公路管理站，河北 香河 065400）

1 工程概況

河北某公路工程項(xiàng)目采用一級公路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)速度為80km/h，雙向六車道，整體式路基寬32m，分離式路基寬度16m，橋梁與路基同寬；公路左幅汽車荷載等級為公路-I級，右幅滿足單體質(zhì)量1 000t級的大件公路設(shè)計(jì)荷載，路線最小凈空高度為9m；設(shè)計(jì)洪水頻率特大橋1/300，大、中、小橋、涵洞、路基1/100；瀝青混凝土路面，路面設(shè)計(jì)軸載為BZZ-100，地震動峰值加速度為0.10g。對于部分路段，采用鉆孔灌注樁進(jìn)行路基加固和橋梁樁基處理。

2 施工難點(diǎn)

該公路橋梁鉆孔灌注樁施工難點(diǎn)主要集中在：

（1）場區(qū)地質(zhì)勘查報告顯示，擬建場區(qū)的地層主要組分為粉質(zhì)黏土、礫砂，成孔深度內(nèi)有7個砂層，最厚砂層厚度為7～8m，需要泥漿的護(hù)壁和控渣厚度都達(dá)到較高水平。

（2）鋼筋籠吊裝時間在24～48h內(nèi)，在鋼筋籠吊裝期間，孔內(nèi)泥漿一直處于靜止?fàn)顟B(tài)，這要求泥漿的穩(wěn)定性非常好，有良好的護(hù)壁性能及沉渣厚度無明顯增加。

（3）該工程試樁的最大孔深為40m，泥漿需從基底深處把鉆渣攜帶到地面，對泥漿的攜渣能力要求很高。

3 泥漿護(hù)壁原理

根據(jù)孔壁穩(wěn)定的力學(xué)條件和定量條件，穩(wěn)定孔壁的關(guān)鍵是建立孔內(nèi)靜水壓力，具體通過泥漿作用來實(shí)現(xiàn)，即通過泥漿在樁孔內(nèi)外形成壓差，從而使得孔內(nèi)泥漿柱對孔壁形成環(huán)向靜壓，進(jìn)而促使泥漿顆粒滲入孔壁，在一定條件下可保持滲透平衡，其后滲入的泥漿黏結(jié)成環(huán)狀滲透圈，對孔壁可起到一定的保護(hù)作用，避免滲漏。此外，通過泥漿在靜壓下產(chǎn)生的泥皮，有效地阻礙內(nèi)外部水透過孔壁。

4 泥漿的作用及性能

根據(jù)該公路鉆孔灌注樁的施工難點(diǎn)，決定采用泥漿護(hù)壁技術(shù)對孔壁進(jìn)行維護(hù)。在工程應(yīng)用上，應(yīng)用比例較高的泥漿主要有：普通泥漿、油基泥漿、鉻木質(zhì)磺酸鹽泥漿、聚丙烯酰胺不分散低固相泥漿等。

4.1 泥漿的作用

泥漿在鉆孔灌注樁中的作用有：①維護(hù)孔壁；沖洗孔底，②攜帶或懸浮鉆渣，減少孔底沉渣和重復(fù)破碎；③冷卻鉆頭，潤滑鉆具，減少鉆進(jìn)阻力。

4.2 泥漿的性能指標(biāo)及要求

泥漿的好壞主要由其性能指標(biāo)來衡量，在樁孔施工中，不同地層、不同鉆進(jìn)方法、不同施工階段，對泥漿性能指標(biāo)的要求不同，有時甚至差別很大。起關(guān)鍵作用的性能指標(biāo)有膠體率、比重（密度）、失水量、黏度、含砂率、酸堿度等。

（1）膠體率

該指標(biāo)高則抑制黏土顆粒沉淀，沉渣少，可以形成具有更好護(hù)壁能力的泥皮。一般新配制泥漿的膠體率應(yīng)大于95%。

（2）比重（密度）

通過增大泥漿比重，可以增大靜水壓力和水頭高度，有利于孔壁穩(wěn)定。但若泥漿的比重過大，泥漿的失水量增加，泥漿循環(huán)所需功率增大，特別是泵吸反循環(huán)鉆進(jìn)中泥漿的壓力損失過大，將嚴(yán)重影響反循環(huán)的啟動。反之，若比重過小，則對懸浮鉆渣、穩(wěn)定孔壁不利。一般來講，反循環(huán)鉆進(jìn)的泥漿比重應(yīng)盡量小，一般宜控制在1.15×103kg/m3以內(nèi)，正循環(huán)鉆進(jìn)時，泥漿比重可以大些，但不宜大于1.35×103kg/m3。

（3）失水量

失水量指泥漿受到靜壓作用滲入孔周的速度。

（4）黏度

結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，提高黏度，可使護(hù)壁和懸浮鉆渣效果得以改善，不過也可能導(dǎo)致糊鉆問題，阻礙泥漿沉淀。黏度處于較低水平時，鉆渣易沉淀，這種現(xiàn)象對清孔、減小孔底鉆渣不利。正循環(huán)鉆進(jìn)時，黏度取19~24s，反循環(huán)鉆進(jìn)時黏度取16~20s。

（5）含砂率

含砂率高則泥漿黏度降低，進(jìn)而使得泥皮松散，影響其護(hù)壁性，增大清孔和清理沉渣難度，不利于反循環(huán)，因此應(yīng)將該指標(biāo)控制在較低水平，對新泥漿而言應(yīng)小于4%。

（6）酸堿度

泥漿應(yīng)采用偏堿性，pH值在8~9之間有利于孔壁穩(wěn)定，同時滿足環(huán)保施工的要求。

5 鉆孔灌注樁護(hù)壁泥漿技術(shù)

5.1 泥漿的選擇

結(jié)合工程場區(qū)巖土工程地質(zhì)報告，確定成孔工藝設(shè)備的條件及設(shè)計(jì)單位對試樁的相關(guān)技術(shù)要求后，從技術(shù)角度提出對泥漿的要求，即護(hù)壁效果好、泥皮薄、沉渣少?？紤]到將大規(guī)模使用工程樁，且泥漿比重（密度）、黏度、含砂率、酸堿度、失水量和膠體率等性能指標(biāo)都合格，兼顧泥漿的性能及經(jīng)濟(jì)性，經(jīng)過分析和對比，最終選用聚丙烯酰胺不分散低固相泥漿，其主要特點(diǎn)如下。

（1）高黏度

低比重條件下向其中加入絮凝劑可增加黏度，進(jìn)而提高膠體率和滲透性，促使泥漿膠體形成化學(xué)膜，封閉孔壁，起到保護(hù)作用，避免鉆進(jìn)過程中出現(xiàn)漏漿或塌孔問題，同時提高泥漿的攜渣性能。

（2）比重輕、低固相

表現(xiàn)為比重較低（原漿約為1.02～1.04，含沙量小于5%），低固相對鉆進(jìn)可起到促進(jìn)作用，避免出現(xiàn)糊鉆及砂侵問題。

（3）成孔后泥皮薄

選擇這種泥漿的情況下，孔壁泥皮厚度一般不超過1mm，因而和普通泥漿相比優(yōu)勢明顯。

（4）含砂率低

對應(yīng)的組分主要是膨潤土，造漿率高。

（5）偏堿性

對應(yīng)的廢料弱堿性，不會產(chǎn)生毒害，因而可以很好地滿足環(huán)保要求。

（6）失水量小

大量統(tǒng)計(jì)研究結(jié)果表明，泥皮厚度與失水率存在正相關(guān)關(guān)系，這種泥漿的失水率很低，形成的泥皮薄。

（7）膠體率高

形成的泥漿黏度在合理范圍內(nèi)，靜止時變形為凝膠狀。在流動過程中對應(yīng)的黏度也出現(xiàn)明顯變化。黏度恢復(fù)后懸浮作用大，對鉆屑的向下流動起到阻礙作用。在鉆頭旋轉(zhuǎn)作用下泥漿的絮凝結(jié)構(gòu)發(fā)生一定改變，進(jìn)而降低黏度，鉆頭阻力也有一定幅度減小。聚丙烯酰胺不分散低固相泥漿在鉆進(jìn)過程中阻力小，靜止?fàn)顟B(tài)下表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，因而可以很好地滿足應(yīng)用要求。

（8）經(jīng)濟(jì)性好

主要組分為膨潤土，這種土體的造漿率明顯增大，在實(shí)際應(yīng)用中回收率可達(dá)60%，能顯著降低材料成本，滿足環(huán)保要求。因此，在大型工程中側(cè)重于經(jīng)濟(jì)性時一般優(yōu)先選擇這種泥漿。

（9）不分散

具體表現(xiàn)為對鉆屑不水化分解。在同樣的條件下失水量少，孔壁的穩(wěn)定性強(qiáng)，鉆孔過程中攜渣泥漿凈化效果好。

5.2 泥漿制備

5.2.1 制作材料

聚丙烯酰胺不分散低固相泥漿由優(yōu)質(zhì)膨潤土、純堿和聚丙烯酰胺等原料制成。

（1）膨潤土

該項(xiàng)目選擇了以蒙脫石為主要組分的鈉基膨潤土。工程經(jīng)驗(yàn)表明，這種土體的分散懸浮性能強(qiáng)、造漿率高，在同樣條件下更穩(wěn)定。

（2）純堿

純堿主要是為了提高泥漿的pH值，提高泥漿表面負(fù)電荷，起一定分散作用，使得泥漿懸浮鉆屑的能力提高。在這種體系中純堿的作用主要有：①分散作用：加入純堿，可適當(dāng)提高泥漿Na+占比，提高土體的親水性，因顆粒較細(xì)可加速膨潤土中黏土顆粒的分解，對改善泥漿的造漿量有重要意義；②改善泥漿性能：地下水中的鈣、鎂離子混入泥漿，可顯著提高其凝膠化趨勢，進(jìn)而降低泥漿質(zhì)量；③通過純堿可沉淀Ca2+,Mg2+，泥漿也可以循環(huán)多次利用；④調(diào)節(jié)pH值：主要基于實(shí)測值設(shè)置摻入量，在此基礎(chǔ)上控制酸堿度，達(dá)到施工要求。

（3）聚丙烯酰胺

聚丙烯酰胺可起到很強(qiáng)的絮凝效果，加入后可激發(fā)泥漿觸變性，在鉆進(jìn)過程中保持穩(wěn)定性和高黏度特征，同時降低泥漿失水量。

5.2.2 泥漿制備技術(shù)

根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，1m3泥漿中膨潤土占比約為6%～8%，純堿為膨潤土的3%～4%，在制備過程中將適量水加入制漿池中，接著向其中混合一定量的膨潤土，使用3PNL泥漿泵充分?jǐn)嚢?0min，促使膨潤土分散，然后向其中加入一定純堿，適當(dāng)調(diào)節(jié)泥漿比重、黏度，對產(chǎn)生的原漿靜置1d以確保其膨化。

在使用前3d對聚丙烯酰胺水解處理，在水解過程中按比例加入PAM∶NaOH∶H2O=10∶1.15∶700，充分?jǐn)嚢杼幚硪恢钡叫纬傻腜AM全部分散，其后靜置2～3d。在原漿中混合適當(dāng)?shù)木郾０凡环稚⒌凸滔嗄z體，并基于黏度及失水率調(diào)節(jié)加入比。參考比例為每立方米原漿中聚丙烯酰胺不分散低固相膠體為0.4～0.6kg。

5.3 泥漿循環(huán)控制技術(shù)

在處理過程中，聚丙烯酰胺不分散低固相泥漿循環(huán)系統(tǒng)通過反循環(huán)管將鉆進(jìn)產(chǎn)生的帶鉆屑泥漿輸入凈化機(jī)，其中的泥漿泵可以輸送新鮮泥漿到鉆孔內(nèi)，從而滿足成孔要求。通過粗濾、靜力沉淀和除砂3個環(huán)節(jié)對泥漿進(jìn)行凈化。各環(huán)節(jié)的作用為：粗濾主要利用振動篩網(wǎng)，留下直徑大于1mm的顆粒，含沙量一般控制為低于15%。靜力沉淀指泥漿顆粒在沉淀池中放置一段時間，大于0.075mm的顆粒被沉淀，這種方法處理后含沙量可低于8%。除砂主要沉淀小于0.075mm的顆粒，處理后含沙量不超過2.5%。對沉淀后的泥漿失水率，比重、含砂量、黏度等指標(biāo)進(jìn)行檢測，并根據(jù)檢測結(jié)果判斷是否滿足鉆進(jìn)要求。不合理時還需要調(diào)節(jié)泥漿參數(shù)，補(bǔ)充新漿，控制其性能滿足鉆進(jìn)要求。在調(diào)節(jié)過程中，主要對粗顆粒含量較高的泥漿進(jìn)行凈化、循環(huán)處理，使其中較大的顆粒沉淀，接著向其中加入高PHP新漿，通過改性作用提高泥漿黏度，同時將失水率降低到合理范圍內(nèi)，為鉆進(jìn)提供支持。

5.4 泥漿參數(shù)控制與調(diào)整技術(shù)

嚴(yán)格篩選、檢驗(yàn)?zāi)酀{材料。進(jìn)場時，做好驗(yàn)收工作，若不滿足要求則禁止入場。通過科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)呐浔仍囼?yàn)，設(shè)置兩種配比方案，進(jìn)行對比和優(yōu)化選擇，并嚴(yán)格基于所選配比進(jìn)行配制。配制各環(huán)節(jié)需要測試泥漿性能，檢查是否滿足要求，一般情況下每100m3泥漿檢測一次?；阢@進(jìn)過程的差異，靈活調(diào)節(jié)泥漿配比。

6 應(yīng)用效果分析

6.1 質(zhì)量檢測

對成孔質(zhì)量進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)孔壁穩(wěn)定性好，未出現(xiàn)明顯塌孔現(xiàn)象，整個施工過程中也未出現(xiàn)糊鉆現(xiàn)象。該工程試樁設(shè)計(jì)為摩擦樁，泥皮厚度直接影響到樁基承載力的發(fā)揮，在施工過程中不同階段可通過控制泥漿比來減小泥皮厚度?，F(xiàn)場檢測的泥皮厚度為1.0～2.0mm，從靜載試驗(yàn)結(jié)果來看，試樁的沉降量在允許范圍內(nèi)，可見泥皮厚度控制較好。

6.2 經(jīng)濟(jì)效益

相較于傳統(tǒng)的膨潤土泥漿，采用聚丙烯酰胺不分散低固相泥漿可有效節(jié)約材料成本、縮短泥漿配置時間、提高清空效率，如表1所示。

表1 成本對比表

7 結(jié)語

聚丙烯酰胺不分散低固相泥漿護(hù)壁技術(shù)可有效解決塌孔及樁縮頸等質(zhì)量通病，保證成柱質(zhì)量及效率，可減少對環(huán)境的影響，成孔深度大，在保證連續(xù)作業(yè)的情況下，可有效降低砂侵、糊鉆的概率。此外，該工藝有完善的循環(huán)系統(tǒng)，回收率較高，能有效控制鉆孔總成本。因此，聚丙烯酰胺不分散低固相泥漿的應(yīng)用有助于解決樁基施工中容易出現(xiàn)的質(zhì)量通病，不過使用中需結(jié)合具體的地質(zhì)情況及施工工況。