旋挖鉆孔低粘降失水泥漿配制應用技術

楊明星，王麗仙

（山西省第三地質(zhì)工程勘察院，山西晉中 030620）

旋挖鉆孔低粘降失水泥漿配制應用技術

楊明星，王麗仙

（山西省第三地質(zhì)工程勘察院，山西晉中 030620）

在厚粘土、粉土、砂層進行旋挖鉆孔灌注樁施工，通常由于泥漿孔口補給、泥漿不循環(huán)的工藝缺陷，導致塌孔、埋鉆、卡鉆、縮徑、斷樁事故頻繁發(fā)生。在分析低粘、降失水、加速鉆渣沉淀的解決機理的前提下，提出了配制低粘度、高降失水、防絮凝的鐵鉻鹽-LV-CMC泥漿并同步孔底補漿工藝，可不需循環(huán)泥漿清孔，保證成孔質(zhì)量，提高工作效率。

旋挖鉆孔灌注樁;鐵鉻鹽-LV-CMC泥漿;低粘降失水泥漿;防絮凝;孔底補漿

1 問題的提出

旋挖鉆孔灌注樁技術由于其工作效率高、塵土泥漿污染少，被譽為“綠色施工工藝”，已經(jīng)被廣泛應用在粘土、粉土、砂土、填土、碎石土及風化巖層等施工。在厚粘土、粉土、砂土、填土層，非干作業(yè)旋挖鉆孔需要泥漿護壁工藝，泥漿使用存在以下問題。

（1）由于進尺快，短期可遇水敏性地層和松散性地層。

（2）泥漿孔口補給，泥漿不循環(huán)，隨深度增加，孔頂段是優(yōu)質(zhì)泥漿而底段是失水量不斷提高、含砂率不斷增多的報廢泥漿，新挖孔壁不能及時形成低滲透率優(yōu)質(zhì)泥皮，必然出現(xiàn)水敏性地層縮徑、松散性地層孔壁剝落或坍塌或廢漿大量滲透堆積孔壁致縮徑、砂率太高，清孔難度大。

施工過程中，如果配漿、調(diào)漿、補漿工藝不當，造成孔壁不穩(wěn)定，可引起如下后果:過長時間反復掃縮徑孔段，過長時間處理埋鉆、卡鉆、填孔再鉆挖，長時間清孔，清孔后再縮徑，灌注中砂沉積造成斷樁。其工作效率甚至遠低于泥漿循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進工藝。

為此，筆者針對地質(zhì)情況，配制不需循環(huán)清孔的穩(wěn)定泥漿，同步孔底補漿，充分發(fā)揮旋挖機械的優(yōu)勢，僅利用鉆斗或提桶機械排出終孔后的孔底少量廢漿，滿足成孔要求，大大提高工作效率。

2 泥漿設計和使用重點

混凝土灌注樁鉆孔用泥漿都是水基泥漿。對厚粘土層、粉土層和砂層，泥漿設計和使用中要注意以下重點。

（1）降失水護壁，抑制粘土層水化膨脹，防止縮徑;抑制粉土、砂礫層孔壁剝落;

（2）較低粘度，防絮凝，加速泥漿中漂浮的土顆粒、細砂沉淀;

（3）選擇合適泥漿密度，平衡孔隙水壓力和構(gòu)造壓力，鞏固孔壁，防止軟弱層、松散層坍塌;

（4）隨進尺同步孔底補充泥漿，保持新挖孔壁及時形成低滲透率優(yōu)質(zhì)泥皮，及時凈化改善孔底段泥漿;

（5）灌注混凝土后，孔內(nèi)排出泥漿調(diào)配再利用。

3 低粘、降失水、加速鉆渣沉淀的解決機理

3.1 低粘羧甲基纖維素鈉鹽（LV-CMC）降低濾失量［1］

CMC在泥漿中電離生成長鏈的多價陰離子，其分子鏈上的羥基和醚氧基為吸附集團，而羧鈉基為水化集團。羥基和醚氧基通過與粘土顆粒表面上的氧形成氫鍵或與粘土顆粒斷鍵邊緣上的Al3+之間形成配位鍵（加入鐵鉻鹽會削弱配位鍵形成）使CMC能吸附在粘土上;而多個羧鈉基通過水化使粘土顆粒表面水化膜變厚，粘土顆粒表面ξ電位的絕對值升高，負電量增加，從而阻止粘土顆粒之間因碰撞而聚結(jié)成大顆粒（護膠作用）。

多個粘土顆粒會同時吸附在CMC的一條分子鏈上，形成布滿整個體系的混合網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而提高了粘土顆粒的聚結(jié)穩(wěn)定性，有利于保持泥漿中細顆粒的含量，形成致密的泥餅，阻止了泥漿中的水向地層的漏失，降低濾失量。

具有高粘度和彈性的吸附水化層對泥餅的堵孔作用和CMC溶液的粘度在一定程度上起降濾失的作用。

加入LV-CMC提高了原漿穩(wěn)定性和降濾失的作用，同時也少許加大泥漿粘度。

碳酸鈉除去膨潤土和水中的部分鈣離子，使鈣質(zhì)膨潤土轉(zhuǎn)化為鈉質(zhì)膨潤土，從而提高土的水化分散能力，使粘土顆粒分散得更細，提高造漿率?？稍黾铀ず穸?，提高泥漿的膠體率和穩(wěn)定性，降低失水量。有的粘土只加純堿還不行，需要加少量燒堿。灌注混凝土后，孔內(nèi)排出泥漿再利用的調(diào)配，可能因鈣離子的增多，必須鈉化處理。

3.3 加堿調(diào)整泥漿pH值［2］

泥漿中pH值過小時，粘土顆粒難于分解，粘度降低，失水量增加，流動性降低，pH值＜7時，還會使鉆具受到腐蝕;若pH值過大，則泥漿將滲透到孔壁的粘土中，使孔壁表面軟化，粘土顆粒之間凝聚力減弱，造成裂解而使孔壁坍塌。如果隨著純堿加入失水量反而增大，就說明純堿加過量了。

3.4 鐵鉻木質(zhì)素磺酸鹽（FCLS）稀釋降粘加速鉆渣沉淀［1］

FCLS作稀釋劑，在粘土顆粒的斷鍵邊緣上形成吸附水化層，從而削弱粘土顆粒之間的端-面和端-端連接，從而削弱或拆散空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，致使泥漿的粘度和切力顯著降低?？筛纳埔蚧祀s有土、砂粒、碎卵石及鹽分等而變質(zhì)的泥漿性能，可使上述鉆渣等顆粒聚集而加速沉淀，改善護壁泥漿的性能指標，既達到重復使用目的，又具有高質(zhì)量性能。鐵鉻鹽分子在孔壁粘土上吸附，有抑制其水化分散作用，有利于孔壁穩(wěn)定。FCLS必須在pH值為9～11時使用才會發(fā)揮優(yōu)勢。

4 泥漿的配制

4.1 膨潤土

膨潤土分為鈉基土、鈣基土和鋰基土3種。鈉基土具有優(yōu)良的分散性和膨脹性，高造漿率，低失水量及膠體性能和剪切稀釋能力;而鈣基土則需要通過加入純堿使之轉(zhuǎn)化為鈉基土方可使用;鋰基土不用作造漿土。膨潤土由其產(chǎn)地不同而性能不同，應以經(jīng)濟適用為主。易受陽離子感染時，宜選用鈣土，但造漿率低。

一般用量為水的3% ～5%（粘土層）、4% ～6%（粉土層）、7% ～9%（細砂～粗砂層）。較差的膨潤土用量大。優(yōu)質(zhì)膨潤土造漿率在10～15 m3/t。

雖然膨潤土泥漿具有相對密度低、粘度低、含砂量少、失水量小、泥皮薄、穩(wěn)定性強、固壁能力高、鉆具回轉(zhuǎn)阻力小、鉆進效率高、造漿能力大等優(yōu)點，但仍不能完全適應地層，要適量摻加外加劑。

4.2 泥漿性能指標

4.2.1 澆注混凝土前的指標要求

孔底500 mm以內(nèi)的泥漿密度＜1.25 g/cm3;含砂率≯8%;粘度≯28 s。［3］

對大直徑樁或有特定要求的樁，要求澆注混凝土前，從樁孔的頂、中、底部分別取樣計算平均值，泥漿密度1.03～1.10 g/cm3;含砂率＜2%;粘度17～20 s。［2］

4.2.2 初配泥漿或重復利用再調(diào)制泥漿性能指標

pH值8～10;密度1.02～1.06 g/cm3（粘土層取小值，粉土層取中值，砂層取大值，并保證地下水位處有大于1.5個水頭壓力的泥漿柱）;粘度18～22 s（粘土層取小值，粉土層取中值，砂層取大值）;失水量10～20 mL/30 min。原漿最好使用前24 h時配制，使膨潤土充分鈉化、水化溶脹，泥漿充分陳化。

4.2.3 勤檢測孔底、中、頂部泥漿性能

勤檢測孔底、中、頂部泥漿的 pH值、密度、粘度、含砂率、漏失量，對比澆注混凝土前的指標要求，掌握泥漿降失水和凈化作用程度，以決定增減外加劑用量，優(yōu)化泥漿配方，或針對地質(zhì)情況局部調(diào)整達到降失水和凈化作用。

4.3 外加劑的用量

純堿的加量依粘土中鈣的含量而異，鈉土少加，鈣土多加，并要調(diào)整泥漿pH值到9～11?？赏ㄟ^小型實驗求得。

LV-CMC摻入量為膨潤土的0.1% ～0.3%。FCLS摻入量為膨潤土的0.1% ～0.3%。

4.4 泥漿配制方法

（1）泥漿池的容量宜不小于樁體積的3倍。泥漿池一般分原漿池、調(diào)漿池、沉淀池3種。

（2）將工業(yè)純堿粉加水溶解，拌入原漿池造漿水中。

（3）膨潤土造漿最好選用水力攪拌器。土粉加入漏斗中，并利用水泵排出管的液流與土粉在混合器中混合，混合液在混合器中沿螺旋線上升至容器上部，輸出泥漿，反復循環(huán)。靜置24 h后再反復循環(huán)。所得泥漿稱原漿或基漿，原漿泵入調(diào)漿池，原漿池可繼續(xù)配制原漿。

（4）LV-CMC提前制成稀溶液。調(diào)漿池泥漿反復循環(huán)，將LV-CMC稀溶液從漏斗徐徐加入，充分混合均勻。

（5）FCLS提前制成稀溶液，待LV-CMC液加完并循環(huán)幾次后，仍從漏斗徐徐加入，反復循環(huán)。

（6）灌注時，從鉆孔中排出的泥漿首先經(jīng)過沉淀池沉淀，再進入調(diào)漿池。檢測調(diào)漿池泥漿指標，補加各種原材料調(diào)配，使其滿足泥漿性能指標要求。

5 泥漿應用

5.1 泥漿應用改進情況

京滬高鐵淮海特大橋樁基工程，設計孔深55 m，孔徑1000 mm。水位-1 m，汛期和稻田灌溉時，水位等于地表。開孔為厚粉土層，其下為粘土、粉土、粉砂、細砂、中砂互層，粉土、粉砂、細砂層居多。

填筑鉆孔平臺，埋4 m長護桶。試驗孔用高粘Na-CMC泥漿，孔口補漿工藝。下部粘土層不斷出現(xiàn)縮徑—掃孔—再縮徑—再掃孔。挖至設計孔深，1 h后孔底沉砂4 m?？讖津炇蘸笳h(huán)泥漿清孔，先增粘后稀釋。清孔驗收后再驗收孔徑，砂層和粘土層多處縮徑，砂層最小孔徑不足800 mm。統(tǒng)計挖孔用4 h，掃孔用3 h，清孔用4 h。

改用孔底補漿工藝，未出現(xiàn)縮徑，挖至設計孔深后，1 h孔底沉砂20 cm，但泥漿稠度大，砂率達到12%，清孔前后孔徑驗收合格。統(tǒng)計挖孔用5 h，掃孔用0 h，清孔用6 h。

用鐵鉻鹽-LV-CMC泥漿［4］，孔底補漿工藝，孔壁穩(wěn)定，未出現(xiàn)縮徑、坍塌事故。挖至設計孔深，提桶撈出孔底約2 m3廢漿。1 h后孔底沉砂4 cm。孔徑驗收合格。檢測孔底、中、頂部泥漿指標平均值，密度 ＜1.07 g/cm3、粘度 ＜18 s、含砂率 ＜1.5%。滿足灌注要求。統(tǒng)計挖孔用5 h，掃孔用0 h，清孔用15 min。

本工程230個鉆孔全部使用鐵鉻鹽-LVCMC泥漿，孔壁穩(wěn)定，混凝土灌注順利，經(jīng)檢測，全部達到一類樁要求。實踐證明，鐵鉻鹽-LV-CMC泥漿完全適合厚粘土、粉土、砂層旋挖成孔，施工效率高，質(zhì)量有保證。

5.2 鐵鉻鹽-LV-CMC泥漿配方及配制

5.2.1 泥漿配方及性能要求

不同地層、不同目的的泥漿配方及性能要求見表1。

表1 不同地層的泥漿配方及性能

5.2.2 泥漿配制

首先配制原漿，配方為:水1000 L，膨潤土95 kg，工業(yè)純堿粉約 24 kg，LV- CMC 0.095 kg，F(xiàn)CLS溶液（濃度20%）加量0.475 kg。

然后進行調(diào)漿，每立方米原漿加0.35 m3水稀釋，控制pH值到10，得到適合粉土、粘土層的泥漿;每立方米原漿加0.18 m3水稀釋，加LV-CMC 90 g，F(xiàn)CLS溶液（濃度20%）470 g，控制pH值到11，得到適合粉砂、細砂層的泥漿;每立方米原漿加LV-CMC 180 g，控制pH值到10，得到適合中砂層的泥漿。

5.2.3 重復使用的泥漿性能調(diào)整方法

如不需補充膨潤土，工業(yè)純堿粉的補充量以滿足pH值10來確定，LV-CMC、FCLS的補充量以上述不同地層對應加量的1/4～1/3來確定;如還需再補充膨潤土，各外加劑再補充量以上述不同地層對應加量按比例加入。

6 結(jié)語

本文針對旋挖鉆孔厚土砂層，闡述所需泥漿的設計重點、解決機理、配、調(diào)應用技術。實踐證明，鐵鉻鹽-LV-CMC泥漿配調(diào)技術，結(jié)合孔底補漿工藝，使旋挖鉆孔在節(jié)約成本的前提下，有效保證成孔、成樁質(zhì)量，大大提高經(jīng)濟效益，深受好評。筆者認為該工藝技術有推廣應用價值。

［1］ 鄭秀華.鉆井液配漿材料與處理劑（巖心鉆探關鍵技術進展與應用培訓班材料）［Z］.北京:中國地質(zhì)大學（北京），2009.

［2］ JTGTF 50-2011，公路橋涵施工技術規(guī)范［S］.

［3］ JGJ 94-2008，建筑工程樁基施工規(guī)范［S］.

［4］ 烏效鳴.鉆井液與巖土工程漿液［M］.湖北武漢:中國地質(zhì)大學出版社，2002.

Application Technology of Preparation of Low Viscosity and Fluid Loss Control Mud for Rotary Drilling Borehole

YANG Ming-xing，WANG Li-xian（Shanxi Province No.3 Institute of Hydrogeology and Engineering Geology Investigation，Jinzhong Shanxi 030620，China）

For rotary drilling bored grouting pile construction in thick clay，silt and sand layer，borehole collapsing，drill rod burying，drill rod sticking，diameter shrinking and pile breaking often occur because of technical defects such as mud surpplying at borehole orifice and non-recirculation.On the premise of analysis on the mechanism in which low viscosity，fluid loss reduction and speed-up cuttings precipitation were solved，the formula of FCLS LV-CMC mud with low viscosity，high-level fluid loss reduction and anti-precipitation was put forward with simultaneous mud surpplying at hole bottom;hole cleaning by circulating mud was unnecessary to improve working efficiency.

rotary drilling bored grouting pile;FCLS LV-CMC mud;mud with low viscosity and fluid loss reduction;anti-precipitation;mud surpplying at hole bottom

TU473.1+4

A

1672-7428（2012）02-0064-03

2011-08-06;

2011-11-14

楊明星（1969-），男（漢族），山西平陸人，山西省第三地質(zhì)工程勘察院工程師，探礦工程專業(yè)，從事地基與基礎工程、地質(zhì)災害治理設計、施工與研究工作，山西省晉中市，yangmingxing8881@163.com;王麗仙（1970-），女（漢族），山西晉中人，山西省第三地質(zhì)工程勘察院工程師，地質(zhì)專業(yè)，從事地質(zhì)工程技術工作。