鉆孔樁施工中的泥漿技術(shù)

陸　俊

【摘 要】本文結(jié)合鉆孔灌注樁的施工工藝，淺述了成孔泥漿的物理特性、制備方法及冬季施工要點(diǎn)，闡述了泥漿技術(shù)在鉆孔樁基礎(chǔ)工程中所起的重要作用，在泥漿原料方面著重分析了膨潤土的物理結(jié)構(gòu)及其作用。

【關(guān)鍵詞】鉆孔樁；泥漿；膨潤土；基礎(chǔ)

The Mud Technology in the Construction of Bored Piles

Lu Jun

(Nantong channel administrative office Nantong Jiangsu 226006)

【Abstract】The article illustrates that the mud technology takes an important effect in the Construction of the Bored Piles, shows the mud performance, production methods and the key point of the construction in winter. It also analyzes the structure and effect of Bentonite.

【Key words】Bored Piles；Mud；Bentonite；Base

1. 前言

隨著國家水運(yùn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投入的增大以及水工建筑的發(fā)展，鉆孔樁基礎(chǔ)現(xiàn)在被廣泛的應(yīng)用于航道船閘、公路橋梁、高層建筑等工程領(lǐng)域，并向大直徑、多樣化方向發(fā)展。從鉆孔開挖至灌注砼成樁，鉆孔樁施工自始至終離不開成孔泥漿。在靜水壓力的作用下，泥漿可在井孔壁形成一層泥皮，阻隔孔內(nèi)外滲流，保護(hù)孔壁免于坍塌；對正循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆，泥漿被泥漿泵從鉆桿中心連續(xù)壓入孔底，從而帶起孔底鉆渣，使之持續(xù)懸浮，并隨泥漿上升而溢出到沉淀池；經(jīng)過沉淀凈化，泥漿可循環(huán)使用。由此可見，科學(xué)運(yùn)用泥漿技術(shù)對確保樁基礎(chǔ)的工程質(zhì)量顯得極為重要。

2. 泥漿的作用與性能

控制泥漿的性能指標(biāo)是掌握泥漿技術(shù)的關(guān)鍵。泥漿的主要指標(biāo)包含相對密度、粘度、靜切力、含砂率、膠體率、失水率及酸堿度等。泥漿的相對密度是泥漿與4℃同體積水的質(zhì)量比；相對密度增大時(shí)，泥漿對孔壁的側(cè)壓力會(huì)相應(yīng)增大，孔壁越趨穩(wěn)定，懸浮攜帶鉆渣的能力加大；但孔壁上增厚的泥皮，增加了泥漿原料的消耗，減少了灌注樁與孔壁的摩阻力，降低了成樁質(zhì)量，泥漿中大量的固體顆粒對鉆具產(chǎn)生較大的磨損，降低了鉆進(jìn)速度。泥漿的粘度是指液體分子或顆粒之間的內(nèi)摩擦力。粘度大，產(chǎn)生的孔壁泥皮厚，對防止翻砂、阻隔滲漏有利，懸浮攜帶鉆渣的能力強(qiáng)；但易產(chǎn)生“糊鉆”現(xiàn)象，并影響泥漿泵的正常工作，增加泥漿凈化的困難。膠體率是指泥漿靜止后，懸浮的粘土顆粒與水分離的程度；膠體率高，其懸浮鉆渣的能力強(qiáng)。泥漿的酸堿度適中，水分子可進(jìn)入分散的粘土顆粒使其膨脹，顆粒表面形成一層吸附性水化膜，增加了泥漿的固相成份，減小了失水率，增強(qiáng)了泥漿固壁性能，水化膜還可阻止粗土顆粒粘結(jié)沉淀，增強(qiáng)了泥漿的穩(wěn)定性和膠體率。調(diào)制泥漿的性能指標(biāo)可參考下表：

3. 泥漿原料

泥漿在鉆孔過程中的護(hù)壁和懸浮鉆渣的雙重作用決定了制備泥漿的原料應(yīng)具備水化快、造漿能力強(qiáng)、粘度大等特性。一般可選用塑性指標(biāo)大于25、粒徑小于0.005mm顆粒含量多于總量的50%的粘土制漿。這種粘土經(jīng)水浸濕后有粘滑感、并能大量膨脹。當(dāng)其性能指標(biāo)不符合要求時(shí)，可在泥漿中摻入總量0.3%~0.5%的碳酸鈉(Na₂CO₃)、氫氧化鈉(NaOH)或膨潤土粉末，以提高其性能。當(dāng)井孔直徑達(dá)1.2m以上，孔深達(dá)30m以上，且地層松散易坍塌時(shí)，普通泥漿的固壁和懸浮鉆渣效能會(huì)大打折扣，這時(shí)宜選用以膨潤土為主原料的高級泥漿。

1890年，美國的福特?本頓首先發(fā)現(xiàn)了膨潤土。它具有很強(qiáng)的吸濕性，能吸附相當(dāng)于自身體積8~20倍的水而膨脹至30倍;在水介質(zhì)中能分散呈膠體懸浮液，并具有一定的粘滯性、觸變性和潤滑性，它和泥沙等的摻和物具有可塑性和粘結(jié)性，有較強(qiáng)的陽離子交換能力和吸附能力。它的主要成分和對于它作為泥漿固壁-浮渣介質(zhì)的性能起著決定作用的，乃是其中叫作蒙脫土的一種粘土礦物，這種礦物以其位于法國南方的蒙脫英里翁礦床而得名。

蒙脫土是一種層狀結(jié)構(gòu)的結(jié)晶氫化硅酸鋁。硅酸鹽多層體是一種三層結(jié)構(gòu)，其中包括一層SｉO₄四面體、一層氫氧化鋁八面體和一層SｉO₄四面體。蒙脫土晶體即由許多這樣的硅酸鹽疊層組成。蒙脫土晶體遇水膨脹，與此同時(shí)水分子便滲入各個(gè)疊層之間。于是兩個(gè)蒙脫土疊層之間的距離就加大了一倍。晶體內(nèi)部膨脹現(xiàn)象的原因，則在于疊層內(nèi)部電荷分布的不均勻。在靜止的膨潤土懸浮液中，薄片狀的蒙脫土微粒形成一種巢式結(jié)構(gòu)，其中這些微粒以它們的角隅和棱緣彼此接觸或互相支撐。一旦靜止?fàn)顟B(tài)被擾亂，如攪拌、振動(dòng)或泵送等，巢式結(jié)構(gòu)就會(huì)坍塌，此時(shí)懸浮液就會(huì)變成溶膠；當(dāng)這種溶膠再次靜止下來，薄片狀的蒙脫土微粒又會(huì)彼此搭在一起形成巢式結(jié)構(gòu)，溶膠重新凝固，懸浮液結(jié)成凝膠，一旦運(yùn)動(dòng)起來又變成溶膠，這種從靜止到運(yùn)動(dòng)又回到靜止?fàn)顟B(tài)的結(jié)構(gòu)交替，可以永無止境地重復(fù)下去，這樣的特性叫作觸變性。作為鉆孔樁施工中的固壁-浮渣介質(zhì)，膨潤土的重要特點(diǎn)即在于它的膨脹性能，而這一點(diǎn)均取決于薄片狀蒙脫土微粒的大小和數(shù)量。

膨潤土的層間陽離子種類決定膨潤土的類型，層間陽離子為Na⁺時(shí)稱鈉基膨潤土;層間陽離子為Ca²⁺時(shí)稱鈣基膨潤土。它們的區(qū)別在于起決定作用的蒙脫土是鈣蒙脫土還是鈉蒙脫土。在膨潤土含量相同情況下，鈉膨潤土懸浮液中所含極薄的硅酸鹽疊層片的數(shù)量，約為鈣膨潤土懸浮液中所含數(shù)量的15到20倍。這種極薄的硅酸鹽疊層片的數(shù)量越多，越有利于蒙脫土微粒形成巢式結(jié)構(gòu)，提高懸浮液的膨脹性能，這樣既可改善懸浮液在溶膠狀態(tài)下的流動(dòng)性，也能改善懸浮液在凝膠狀態(tài)下的固結(jié)性。所以鈉膨潤土比鈣膨潤土更適用于鉆孔樁施工。

4. 泥漿制備計(jì)算

粘土制漿，應(yīng)先把土塊盡量打碎，使在攪拌中易于成漿，縮短攪拌時(shí)間，提高泥漿質(zhì)量。在粘土中鉆孔，事先只需調(diào)制不多的泥漿，以后可在鉆進(jìn)過程中利用地層粘土造漿補(bǔ)漿。在砂類土中鉆孔，事先須備足粘土，其數(shù)量可按下述公式和原則計(jì)算：

q = Vp₁= p₁×(p₂-p₃)/(p₁-p₃)

式中：q——每立方泥漿所需的粘土質(zhì)量；

V——每立方泥漿所需的粘土體積；

p₁——粘土的密度；

p₂——要求的粘土密度；

p₃——水的密度。

若造成泥漿的粘度為20s~30s，則各種粘土的造漿能力為：黃土膠泥（1~3立方）/噸；白土、陶土、高嶺土（3.5~8立方）/噸；次膨潤土為9立方/噸；膨潤土為15立方/噸。由此可見，膨潤土的造漿能力較黃土膠泥高3~4倍，即準(zhǔn)備原料數(shù)量只需要普通粘土的1/4~1/5。一個(gè)鉆孔需要的總粘土量，除要考慮泥漿充滿鉆孔、泥漿槽及沉淀池，還要考慮鉆孔的孔徑擴(kuò)大、井孔壁、泥漿槽等處的滲漏，以及泥漿經(jīng)多次循環(huán)使用后，其性能指標(biāo)變壞須換掉等情況。一般宜按井孔體積計(jì)算的粘土量再增加6%左右。

制備泥漿要求使用不純物含量少的水。當(dāng)水質(zhì)不能得到確保時(shí)，應(yīng)另外準(zhǔn)備10~20立方的清水或泥漿儲(chǔ)存設(shè)備。廢泥漿應(yīng)用罐車送到處理場進(jìn)行處理，不得在施工現(xiàn)場就地排放。

5. 冬季施工對泥漿的影響

嚴(yán)冬寒季，低于0度的負(fù)溫條件對循環(huán)成孔泥漿的影響是很大的。正循環(huán)鉆機(jī)成孔是靠泥漿浮渣的，孔壁的穩(wěn)定是靠泥漿在孔中形成護(hù)壁薄膜、水頭產(chǎn)生壓力來完成的。在冬季負(fù)溫條件下，泥漿的技術(shù)指標(biāo)會(huì)發(fā)生變化，因泥水不合，粘度大約降低3s~5s，膠體率下降3%~5%，失水率也相應(yīng)增大；尤其是受凍的泥漿，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)將嚴(yán)重變劣，使得1cm~3cm的大粒徑鉆渣很難從深孔中浮出孔外，進(jìn)尺速度明顯下降。一般情況下，相同的孔徑、孔深及地質(zhì)條件，冬季成孔速度較夏季要降低30%左右，成樁時(shí)間延長24小時(shí)以上，同時(shí)泥漿制漿的相對密度、粘度都要增大。這不僅增加了材料用量及人力、物力消耗，同時(shí)使孔壁的泥皮厚度相應(yīng)的增加1mm~2mm左右，減少了樁與孔壁的摩阻力，使成樁質(zhì)量降低。由于泥漿質(zhì)量的下降，浮攜鉆渣能力也相應(yīng)下降，成孔周期長，成孔后孔底的沉淀層變厚，造成重復(fù)清孔的麻煩。對于泥漿溜槽、泥漿池、輸漿管等循環(huán)系統(tǒng)及其真空管路系統(tǒng)，都易在負(fù)溫下凍結(jié)，造成因泥漿滯留、真空度下降等停工。

6. 結(jié)語

鉆孔樁基礎(chǔ)具有適應(yīng)性強(qiáng)、成本適中、施工簡便等特點(diǎn)，但它屬于隱蔽工程，大部分在水下作業(yè)，影響鉆孔樁施工質(zhì)量的因素很多，而泥漿質(zhì)量的掌控是其它施工環(huán)節(jié)得以保障的前提，所以科學(xué)把握泥漿技術(shù)，密切配合各道工序，才能確保整個(gè)鉆孔樁基礎(chǔ)的工程質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

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［3］ 希辛柯 Р.泥漿水力學(xué)［M］.袁恩熙，陳家瑯譯.北京：石油工業(yè)出版社，1957.

［文章編號］1006-7619（2008）09-09-524

［作者簡介］陸俊(1968-)，男，大學(xué)本科，工程師，從事水運(yùn)工程的施工與監(jiān)理。