復雜巖層鉆孔灌注樁泥漿選型試驗研究

王建軍 ，彭振斌，劉睦峰 ，彭文祥

(1. 中南大學 地學與環(huán)境工程學院，湖南 長沙，410083；2. 湖南省煤田地質局，湖南 長沙，410014)

大直徑鉆孔灌注樁由于具有能適用各種地層條件、能制成各種樁徑和樁長、能滿足不同承載能力要求等諸多優(yōu)點，被廣泛應用于許多特大型基礎工程施工中，尤其是深水、大跨徑橋梁基礎工程施工中，并不斷向超大超深方向發(fā)展。由于工程地質條件越來越復雜，施工風險也越來越大。目前，聚丙烯酰胺(PAM)和部分水解聚丙烯酰胺(HPAM)已被廣泛用于大直徑鉆孔灌注樁施工，作為絮凝劑、防塌劑、增黏劑和堵水劑，其效果與吸附作用密切相關。Scoggins等[1-2]探討了淀粉-碘化鎘比色法及等溫吸附理論方法；李小青等[3-11]分析了大直徑鉆孔灌注樁的泥漿護壁機理與孔壁穩(wěn)定的關系；Olibar等[12-15]探討了泥質砂巖的導電性及泥漿流變的 Herschel-Bulkley模型。在此，本文作者結合正在施工的某長江大橋的工程特征，對PAM和HPAM在黏土顆粒表面上的等溫吸附規(guī)律和影響吸附的各個因素進行試驗研究。

1 橋位區(qū)工程地質特征

主墩設計樁徑為2.8 m，設計樁長為75.0 m，鉆孔孔深為95.0 m，總樁共22根。工程部分樁孔的地質剖面如圖1所示，其主要工程地質條件如下：覆蓋層為粉～礫砂層，厚度為24.0～25.0 m(標高為+6.1～-18.7 m)，基巖頂部為破碎嚴重(強風化)粉砂質泥巖⑨1-3，其下以破碎較嚴重(中風化)粉砂質泥巖為⑨1-2主，其中夾有透鏡狀的⑨1-3，⑨1-1或⑨1泥巖，下部以破碎(中風化)粉砂質泥巖⑨1-1為主，夾有透鏡狀的⑨1-1泥巖；⑨1-3層在該墩發(fā)育的規(guī)模較小，在下游北面局部較厚，達到25.0 m，最薄處僅3.0～5.0 m，局部甚至未能揭露；⑨1-2層泥巖在位于墩位中心線附近的鉆孔中較多揭露，其次在南面上、下游角分布亦較多；⑨1-1及⑨1層泥巖分布范圍及厚度較大。由圖1可見地層特征主要為：

(1)覆蓋層松散易鉆，但孔壁穩(wěn)定性差，常出現塌孔、超徑等問題，對泥漿性能要求高。

(2)⑨1-3層具有遇水容易軟化崩解的特性，對泥漿的性能也要求較高。因此，最大限度地抑制泥巖的水敏水化，才能起到良好的護壁效果，抑制泥巖水敏水化的關鍵在于處理劑成分的選擇和組合。

2 實驗條件和方法

2.1 礦物成分分析

從黏土礦物學可知：泥巖主要由蒙脫石、伊利石和高嶺石礦物組成。黏土礦物具有遇水膨脹、分散的特點。其水化的突破口是裸露在晶胞表面的硅氧四面體的氧原子層．這層氧原子層每6個氧原子形成1個正六角環(huán)，這個氧六角環(huán)的空穴直徑為2.8×10-10m，K+直徑為2.66×10-10m，并因K+吸附能力強，恰好可鑲嵌在這一空穴中，形成最緊密的結構，水和極性分子都不易進入層間，并且可通過層間K+把兩層拉得很緊，這就可以有效地控制泥巖分散和水化膨脹。在泥漿中加入K+還會趨向封閉孔壁上泥巖的破壞楔并將其緊密約束。K+含量足夠大的鉀基泥漿具有很強的抑制泥巖水化作用。

圖1 工程地質剖面圖Fig.1 Engineering geological profile

2.2 試驗方法的確定

在吸附試驗中，溫度為(20±0.2)℃，固液比為1∶50，在不停地搖動下吸附2 h。用淀粉-碘化鎘比色法[1]，根據PAM(或HPAM)標準曲線，測其吸附平衡后的離心液濃度，由吸附前后的PAM(或HPAM)質量濃度計算每克黏土的吸附量。

3 聚丙烯酰胺技術指標試驗分析

3.1 PAM溶液質量濃度與黏土顆粒表面的吸附因素

PAM被黏土顆粒吸附，主要靠酰胺基與黏土顆粒之間形成氫鍵而吸附。隨著 PAM 溶液質量濃度的增加，形成氫鍵的機會越多，黏土的吸附量也逐漸增加。當達到飽和吸附時，黏土的吸附量不再隨 PAM 溶液質量濃度的增加而增大。由試驗所得 PAM 等溫吸附曲線見圖2，可見：曲線形狀基本上與Langmuir等溫吸附曲線形狀相同。

圖2 PAM等溫吸附試驗曲線Fig.2 PAM adsorption isotherm test curve

3.2 溶液pH值對吸附量的影響

實驗中，HPAM的水解度為30.2%，初始質量濃度205.8 mg/L，將溶液的pH值調到7；分散黏土和定容所用的蒸餾水，調至不同pH值。PH值對HPA吸附量的影響見圖3?？梢姡弘S著pH值的增加，黏土顆粒表面吸附HPAM的含量下降，開始降得快，以后變化平緩。其原因是：隨著pH值逐漸降低，HPAM分子長鏈上—COONa基團中的Na+逐漸被 H+取代，變成—COOH基團?！狢OOH基團不僅減少了HPAM分子鏈上的負電性，也增加了HPAM分子與黏士顆粒形成氫鍵的能力。因此，隨著溶液 pH值降低，黏土顆粒吸附HPAM的含量增加。

圖3 pH值對HPAM吸附量的影響Fig.3 Effect of pH value on adsorption of HPAM

3.3 溫度對HPAM吸附量的影響

將質量濃度為617.4 mg/L的HPAM溶液，加入已知黏土質量的懸浮液中，在不同溫度的水浴中密閉加熱，在不同溫度下吸附，結果如圖4所示?？梢姡弘S著溫度升高，黏土顆粒表面上的吸附量降低。

圖4 溫度對HPAM吸附量的影響Fig.4 Effect of temperature on adsorption of HPAM

3.4 水解度對HPAM吸附量的影響

將PAM配成不同的水解度，HPAM溶液質量濃度為199.96 mg/L，pH值為8，吸附在含鹽質量濃度為30 g/L時進行，溶液水解度對吸附量的影響如圖5所示?？梢姡弘S著水解度的增加，黏土顆粒表面上吸附HPAM的含量降低。其原因是：當水解度逐漸增加時，HPAM 分子長鏈上的—COONa基團逐漸增多，因負電性增強而與黏土顆粒的斥力變大，同時，因長鏈拉直，使在黏土顆粒表面上的吸附密度降低；此外，隨著水解度的增大，HPAM分子鏈上吸附性基團減少。

圖5 HPAM吸附量與水解度的關系Fig.5 Relationship between HPAM adsorption capacity and degree of hydrolysis

3.5 HPAM對鈉膨潤土泥漿濾失量的影響

不同類型的絮凝劑對鈉膨潤土泥漿濾失量的影響是不同的。無機電解質或其他陽離子壓縮雙電層而產生絮凝作用的絮凝劑，它們都會使鈉膨潤土泥漿的濾失量上升。而非離子或陰離子型的高分子絮凝劑在不同程度上會降低鈉膨潤土泥漿的濾失量，試驗結果如圖6所示。

圖6 HPAM質量濃度對鈉膨潤土泥漿濾失量的影響Fig.6 Influence of mass concentration of HPAM on sodium bentonite filtration

結合泥巖的水理性質及其崩解特征，綜合試驗結果，確定如下聚丙稀酰胺的技術參數：陰離子型電解質，相對分子質量為(3.0～5.0)×108，水解度為 30%～50%。

4 泥漿的護壁作用與泥漿性能指標的調配

4.1 泥漿的護壁作用分析

泥漿的護壁機理主要表現在2個方面：隔水膜的形成及泥漿液態(tài)靜壓力。隔水膜的形成要求土層具有一定的滲透性，否則，很難使孔壁形成隔水膜泥漿在液壓作用下浸入土層，在一定范圍內，泥漿凝膠體黏附在土顆粒上，固定了土顆粒的相對位置，在孔壁周圍(0～2 m)形成較穩(wěn)定的土層，使土層抗剪強度增加，從而使孔壁維持穩(wěn)定。泥漿繼續(xù)滲透使泥漿中的土顆粒逐漸填補了孔壁土層的空隙，從而堵塞了水道，在孔壁形成泥皮即隔水膜，如圖7所示。

圖7 泥漿工作機理Fig.7 Mechanism of mud job

泥漿的液態(tài)靜壓力可以有效地作用在孔壁上，且減少了滲透性，保持了孔壁的穩(wěn)定。泥漿的液態(tài)靜壓力可以抵抗作用在孔壁上的土壓力和水壓力，并防止地下水滲入。因為鉆孔破壞了原狀土的受力平衡，孔壁面土體靜土壓力減少，孔壁的空隙水壓成為負值，對土體產生了抗拉作用。然而，當孔內充滿泥漿時,液壓力在孔壁面上平衡土壓力，同時，泥漿中的細小土顆粒向土層滲入也增大了土層的強度，從而保持了孔壁的穩(wěn)定。另一方面，泥皮對樁的強度、壓縮性變形等方面都造成不利影響。因為泥皮改變了樁、土接觸面的性質，使樁側摩阻力下降，從而使樁體承載力下降。泥皮越厚，承載力下降越明顯。

由此可見，泥漿具有穩(wěn)定護壁作用，首先表現為泥漿靜水壓力作用，對地下水產生超壓力，起穩(wěn)定平衡作用；其次表現為泥皮作用。泥漿在孔壁上形成不透水泥皮薄膜，阻止泥漿滲透至周圍土中或者地下水侵入孔內與泥漿混合，促進孔壁穩(wěn)定。同時，泥漿具有抑制地層的作用，主要表現為泥漿的凝膠作用。

4.2 泥漿的原料和配比分析

鉆孔泥漿由水、黏土(或膨潤土)和添加劑組成。泥漿原料宜盡可能使用膨潤土，膨潤土具有密度低、黏度大、含砂量和失水量少、泥皮厚度小、穩(wěn)定性強、固壁能力強、鉆具回旋阻力小、鉆進率高、造漿能力強等優(yōu)點。膨潤土有鈉質和鈣質2種，鈉質膨潤土比鈣質膨潤土優(yōu)。結合本項目的地層特征，為抑制泥巖水化膨脹，并有效地清除沖洗液中的無用固相，選擇聚丙烯酰胺作為絮凝劑。由于黏土礦物晶格結構不同(如蒙脫石負電性強，水化作用強)，水化膜厚可妨礙高分子物吸附架橋作用，同時，由于負電性強，雙電子中的電動電位高，對絮凝劑中的陰離子基產生斥力，妨礙絮凝作用。蒙脫石在水中的分散度高，即使有少量被絮凝，影響也不大；而高嶺石等礦物水化膜厚，電動電位低，分散度小，因而容易被吸附絮凝。通過實驗確定泥漿配比見表1，基漿的性能指標見表2。

表1 PHP泥漿原料和基本配比Table 1 Raw materials and their contents of PHP mud

表2 基漿泥漿性能Table 2 Performance of pulp slurry

4.3 現場泥漿性能指標的監(jiān)測與控制

(1)根據不同地層的巖性特點，配制不同性能的泥漿以滿足不同地層的要求。上部以細砂巖、黏土為主的層段，砂礫較粗，且易造成漿。為了抑制造漿和護壁，并提高對巖屑的攜帶懸浮能力，以HPAM為主劑，加入適量的輕基纖維素(CMC)，把失水量控制在20 mL/h之內；進入大段泥巖時，為抑制泥巖的水化膨脹，轉入以聚丙烯睛鈣(CPAN)為主，加入適量的HPAM作為護膠穩(wěn)定劑；若遇到破碎嚴重段時，可加入重晶石粉BaSO4，以提高防塌能力。各層的泥漿性能指標見表3。

(2)現場維護，加強泥漿管理。每天對泥漿性能進行檢測，根據檢測結果，結合不同地層隨時對泥漿性能進行調整，具體方法如下：

① 若黏度增高、失水偏大，可加入 HPAM 和CPAN水溶液處理。

② 若黏度不高、失水偏大，可加入 CPAN水溶液處理。

③ 若黏度偏高、絮凝物少，且失水不大，可加入HPAM水溶液或清水處理。

④ 若pH值過低，可加入純堿Na2CO3進行處理。

⑤ 當含砂率超標，需開啟泥漿分離器，降低含砂率。

⑥ 當鉆進深度離終孔還有2 m時，應對泥漿的性能進行1次調整，可加入HPAM和CPAN水溶液，將泥漿黏度提高到20 s以上，并開啟泥砂處理器，降低含砂率，慢慢地加入清水，以補充泥砂處理器清除砂后的體積并降低密度。

表3 鉆進過程中的泥漿性能Table 3 Performance of mud in process of drilling

5 結論

(1)黏土顆粒隨著溶液中鈉離子濃度的增加，HPAM的吸附量也增加；隨著溶液pH值、水解度和溫度的增加，HPAM的吸附量降低。

(2)在大口徑深孔作業(yè)過程中，常因絮凝劑的性能參數選用不當，導致泥漿性能指標很難達到施工作業(yè)要求。通過室內試驗和工程檢驗，在淡水造漿采用聚丙稀酰胺作為絮凝劑時，其技術參數如下：陰離子型電解質，相對分子質量為(3.0～5.0)×108，水解度為30%～50%。

(3)通過室內試驗調配的泥漿材料及其配合比，有很好的護壁堵漏及防坍塌作用，對大口徑樁基施工具有一定指導意義。

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