鉆孔灌注樁泥漿流變性能評(píng)價(jià)方法探討

于進(jìn)洋，白晨光，張新明，鄭秀華

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)〈北京〉工程技術(shù)學(xué)院，北京100083;2.中國(guó)建筑股份有限公司技術(shù)中心，北京101300)

泥漿是油氣鉆井和地質(zhì)鉆探的“血液”，泥漿流變特性的研究在石油鉆井和地質(zhì)勘探中已很成熟，但在工程鉆孔灌注樁泥漿評(píng)價(jià)方面研究不足。由于鉆孔灌注樁樁徑大，泥漿循環(huán)速度低，剪切速率低，評(píng)價(jià)石油鉆井和地質(zhì)勘探泥漿流變性能的方法不適合用來(lái)評(píng)價(jià)鉆孔灌注樁泥漿。本文通過(guò)研究，提出鉆孔灌注樁泥漿流變特性剪切速率的分布，并據(jù)此推薦適合工程鉆孔灌注樁的粘度評(píng)價(jià)方法，推導(dǎo)出低剪切速率下塑性粘度、有效粘度和動(dòng)切力的計(jì)算公式［1］。

1 鉆孔灌注樁泥漿流動(dòng)特性分析

泥漿護(hù)壁鉆孔灌注樁施工中，泥漿工作狀態(tài)有無(wú)循環(huán)、正循環(huán)、反循環(huán)等。泥漿不循環(huán)時(shí)，泥漿的主要作用是穩(wěn)定孔壁和懸浮鉆渣;當(dāng)泥漿循環(huán)，特別是正循環(huán)時(shí)，攜帶鉆渣是泥漿的功能之一，其粘度和切力等流變參數(shù)是評(píng)價(jià)泥漿性能的重要指標(biāo)。

鉆孔灌注樁泥漿通常由清水、膨潤(rùn)土和少許的處理劑組成，其流變特性可用賓漢塑性模式描述(方程1和方程2)，評(píng)價(jià)泥漿的流變特性參數(shù)包括有效粘度(也叫表觀粘度)、塑性粘度、動(dòng)切力和靜切力。

式中:τ——剪切應(yīng)力，Pa;γ——剪切 速 率，s－1;μp——塑性粘度，mPa·s;τd——?jiǎng)忧辛?，Pa;μe——有效粘度，mPa·s，有效粘度隨剪切速率增加而降低。

石油鉆井與地質(zhì)勘探用泥漿的流變性能常用流速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)量，其轉(zhuǎn)速和對(duì)應(yīng)的剪切速率為600、300、200、100、6、3 r/min和1022、511、340、170、10.22、5.11 s－1。其流變參數(shù)計(jì)算如下:

式中:θ600、θ300——分別為轉(zhuǎn)速為600和300 r/min流速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)讀數(shù)。

研究分析表明，當(dāng)泥漿流動(dòng)速度快，剪切速率較高時(shí)，更符合賓漢塑性模式，其流變參數(shù)計(jì)算較為精確。鉆孔灌注樁由于直徑大，泥漿流動(dòng)速度低，剪切速率低，其流變性能評(píng)價(jià)需要相應(yīng)的技術(shù)。

鉆孔灌注樁正循環(huán)鉆進(jìn)，泵量不足會(huì)影響鉆進(jìn)速度，使孔底巖屑增多，回轉(zhuǎn)阻力增大;松散地層也會(huì)因泵量過(guò)大而沖垮孔壁甚至造成事故。因此，在非固結(jié)地層鉆進(jìn)時(shí)，泥漿上返速度不宜超過(guò)0.17 m/s;而如穩(wěn)定地層鋼粒鉆進(jìn)時(shí)，泥漿上返速度一般取0.25～0.5 m/s［2、3］。

與正循環(huán)鉆進(jìn)不同，鉆孔灌注樁采用反循環(huán)鉆進(jìn)時(shí)不僅要求泥漿在鉆桿內(nèi)和鉆頭工作面有足夠的流速使鉆渣進(jìn)入排渣口，同時(shí)還應(yīng)考慮對(duì)孔壁的沖刷及節(jié)能等因素。國(guó)內(nèi)外有關(guān)經(jīng)驗(yàn)資料認(rèn)為，鉆桿內(nèi)沖洗液上返速度在2～4 m/s為宜，孔底工作面沖洗液橫向流速應(yīng)達(dá)到0.3～0.5 m/s(泥漿沖洗時(shí)為0.3 m/s，清水沖洗時(shí)為0.5 m/s);外環(huán)沿孔壁下流速度限制在0.02～0.04 m/s，最大不超過(guò)0.167 m/s［4～6］。

剪切速率與泥漿流動(dòng)速度、鉆孔直徑和鉆桿內(nèi)外徑有關(guān)。表1列出常用工程鉆機(jī)及相應(yīng)的鉆孔直徑和鉆桿直徑［3，7］。

表1 常用工程鉆機(jī)及鉆孔直徑和鉆桿內(nèi)外徑

1.1 正循環(huán)泥漿剪切速率

正循環(huán)時(shí)，泥漿在環(huán)空中的剪切速率計(jì)算如下:

式中:γa——正循環(huán)環(huán)空剪切速率，s－1;νa——環(huán)空上返速度，m/s;D——鉆孔直徑，mm;Do——鉆桿外徑，mm。

根據(jù)常用鉆孔直徑和鉆桿尺寸及上返速度計(jì)算得正循環(huán)環(huán)空剪切速率，見表2。

由表2可以看出，在滿足上返速度要求的情況下，環(huán)空間隙越小正循環(huán)環(huán)空內(nèi)剪切速率越大，相反環(huán)空間隙越大正循環(huán)剪切速率越小。表2中顯示的正循環(huán)環(huán)空剪切速率較小，當(dāng)孔徑超過(guò)350mm后，其剪切速率＜10 s－1。

表2 正循環(huán)環(huán)空內(nèi)剪切速率

1.2 反循環(huán)泥漿剪切速率

鉆孔灌注樁采用反循環(huán)鉆進(jìn)時(shí)，反循環(huán)鉆桿內(nèi)剪切速率由下式計(jì)算:

式中:γp——反循環(huán)鉆桿內(nèi)剪切速率，s;νp——泥漿在鉆桿內(nèi)的上返速度，m/s;Dp——鉆桿內(nèi)徑，mm。

分別取泥漿在鉆桿內(nèi)上返速度2和4 m/s時(shí)，計(jì)算反循環(huán)鉆桿內(nèi)剪切速率，見表3。

表3 反循環(huán)鉆桿內(nèi)剪切速率

由表3可以看出，在滿足上返速度要求的情況下，鉆桿內(nèi)徑越小反循環(huán)鉆桿內(nèi)剪切速率越大。其剪切速率一般不會(huì)超過(guò)100 s－1。

綜上正循環(huán)和反循環(huán)，鉆孔灌注樁循環(huán)泥漿流動(dòng)剪切速率一般不大于100 s－1，處于低剪范圍內(nèi)。

2 泥漿流變性能評(píng)價(jià)方法

粘度的評(píng)價(jià)方法很多，漏斗粘度計(jì)和旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)是工程泥漿比較常用的粘度測(cè)量?jī)x器。漏斗粘度計(jì)因其測(cè)量方法簡(jiǎn)便而成為最常用的粘度測(cè)試儀器，測(cè)量結(jié)果稱為漏斗粘度，用時(shí)間s表示。漏斗粘度與其它流變參數(shù)結(jié)合在一起，共同表征泥漿的流變性。漏斗粘度不能像從旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)得的數(shù)據(jù)那樣作數(shù)學(xué)處理，也無(wú)法與其它流變參數(shù)進(jìn)行換算。漏斗粘度只能用來(lái)判別在作業(yè)期間各個(gè)階段粘度變化的趨向，它不能說(shuō)明泥漿粘度變化的原因，也不能作為對(duì)泥漿進(jìn)行處理的依據(jù)。

旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)有兩速、六速，十二速和無(wú)級(jí)變速等。兩速型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)用600 r/min和300 r/min這2種固定的轉(zhuǎn)速測(cè)量泥漿的剪切應(yīng)力，它們分別相當(dāng)于1022 s－1和511 s－1的剪切速率。六速粘度計(jì)是石油鉆井和地質(zhì)勘探最常用的多速型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)，其6種轉(zhuǎn)速如下:600、300、200、100、6和3 r/min。十二速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)比六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)多出6擋，即60、30、20、10、2、1 r/min?？蛇B續(xù)變速粘度計(jì)轉(zhuǎn)速?gòu)?～600 r/min(1.703～1022 s－1)無(wú)級(jí)可調(diào)。粘度計(jì)轉(zhuǎn)速N和剪切速率γ對(duì)應(yīng)關(guān)系為γ=1.703N，見表4。

表4 旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)轉(zhuǎn)速和與之對(duì)應(yīng)的剪切速率

由于鉆孔灌注樁剪切速率一般不大于100 s－1，因此旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)評(píng)價(jià)泥漿的流變性能時(shí)，應(yīng)該在轉(zhuǎn)速＜60 r/min時(shí)進(jìn)行測(cè)試更合理，流變參數(shù)的計(jì)算利用低剪切速率讀數(shù)。因此，建議對(duì)于鉆孔灌注樁(包括地下連續(xù)墻)，選用十二速或可無(wú)級(jí)變速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)。

3 鉆孔灌注樁旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)泥漿流變性能評(píng)價(jià)及參數(shù)計(jì)算

在石油鉆井和地質(zhì)勘探泥漿中，是用六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)得的600 r/min和300 r/min的刻度盤讀數(shù)求得有效粘度、塑性粘度和動(dòng)切力的。由于鉆孔灌注樁孔徑大，泥漿在循環(huán)過(guò)程中處于低剪速率范圍內(nèi)，高轉(zhuǎn)速情況下計(jì)算公式不適用。需要利用低轉(zhuǎn)速讀數(shù)計(jì)算鉆孔灌注樁泥漿有效粘度μe、塑性粘度μp和動(dòng)切力τd。根據(jù)前面分析，建議使用六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)時(shí)，分別用100和6 r/min讀數(shù);用十二速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)和無(wú)級(jí)變速時(shí)用30和6 r/min讀數(shù)。

式中:N——旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，r/min;θN——旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)轉(zhuǎn)速為N時(shí)的刻度盤度數(shù)。

利用(8)式可將任意剪切速率(或轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速)下測(cè)量得的刻度盤度數(shù)換算成有效粘度，旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)在鉆孔灌注樁常用的轉(zhuǎn)速的換算系數(shù)見表5。

表5 粘度計(jì)刻度盤度數(shù)換算成有效粘度的換算系數(shù)

如針對(duì)于鉆孔灌注樁的低剪情況下，十二速粘度計(jì)采用60 r/min(102.2 s－1)及以下轉(zhuǎn)速的計(jì)算數(shù)據(jù)合理。如利用30 r/min和3 r/min測(cè)量讀數(shù)可推導(dǎo)鉆孔灌注樁流變參數(shù)的計(jì)算公式:

4 結(jié)論

鉆孔灌注樁泥漿剪切速率在正循環(huán)和反循環(huán)過(guò)程中都比較低，正循環(huán)一般不超過(guò)10 s－1，反循環(huán)則低于100 s－1;石油鉆井和地質(zhì)勘探使用六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)在高剪切速率下評(píng)價(jià)泥漿流變性能，不適用于鉆孔灌注樁。十二速和無(wú)級(jí)變速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)的低剪切速率更適合評(píng)價(jià)鉆孔灌注樁泥漿流變特性。

［1］鄢捷年.鉆井液工藝學(xué)［M］.山東東營(yíng):中國(guó)石油大學(xué)出版社，2001.57－71.

［2］編寫組.樁基工程手冊(cè)［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1995.614－636.

［3］林宗元.巖土工程治理手冊(cè)［M］.遼寧沈陽(yáng):遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1993.438－456.

［4］DZ/T 0155－95，鉆孔灌注樁施工規(guī)程［S］.

［5］JGJ 4－80，工業(yè)與民用建筑灌注樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與施工規(guī)范［S］.

［6］李世京，等.鉆孔灌注樁施工技術(shù)［M］.北京:地質(zhì)出版社，1990.

［7］張保義.樁工機(jī)械——中國(guó)建筑機(jī)械化四十年［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1990.