飽和液化砂層中鉆孔灌注樁泥漿配合比的選定

梁建軍，張 凱

(中交隧道局第二工程有限公司，陜西 西安 710100)

0 引 言

禹門口黃河公路大橋位于陜晉峽谷出口約 400 m、韓城與河津的分界處，大橋分為東引橋、主橋、西引橋3部分。橋梁全長為1 654 m，主橋?yàn)槿珉p塔雙索面鋼混結(jié)合梁斜拉橋，全長1 055 m，主跨長為565 m，邊跨長為245 m，建成后將成為中國西北地區(qū)跨徑最大的斜拉橋。在中國，沖積平原深厚砂性地層分布十分廣泛，因此在多數(shù)情況下結(jié)構(gòu)的使用要求決定了設(shè)置超長群樁基礎(chǔ)的必要性。對這類樁基礎(chǔ)而言，承載力能否達(dá)到要求的關(guān)鍵性因素之一便是成孔質(zhì)量。決定成孔質(zhì)量的關(guān)鍵因素較多，其中樁位環(huán)境、地質(zhì)情況、氣候條件等都屬于不可逆轉(zhuǎn)的自然因素[1-4]。當(dāng)鉆孔機(jī)具、人員條件等因素確定后，改進(jìn)泥漿自身的性能可以有效提高鉆孔樁的成孔質(zhì)量，使樁基滿足承載力，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，從而保證成橋質(zhì)量[5-6]。目前國內(nèi)PHP泥漿的使用技術(shù)已相對成熟，但其在飽和液化砂層地質(zhì)中的應(yīng)用實(shí)例還較少，本文詳細(xì)闡述了PHP泥漿在飽和液化砂層地質(zhì)中的優(yōu)越性及使用價值，可為同類施工提供借鑒。

1 工程概況

大橋橋址屬于典型的河流堆積地貌，寬淺性河床，地形略有起伏，水流散亂，主流擺動不定，具有非常典型的游蕩型河道特點(diǎn)[7-8]。東塔位于主河道上方，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁群樁基礎(chǔ)方案，樁長65 m，樁徑2 m，共計(jì)60根；西塔位于韓城側(cè)黃河河漫灘上，樁長58 m，樁徑2 m，共計(jì)50根。110根樁基均為摩擦樁，全部采用C30混凝土水下灌注。

2 PHP泥漿概述

丙烯酰胺泥漿即PHP(partially hydrolyzed polyacrylamide)泥漿，其主要成份為：碳酸鈉、膨潤土、聚丙烯酰胺、稻草和有機(jī)纖維復(fù)合物。此種泥漿具有不分散、低固相、黏度高的優(yōu)點(diǎn)，起初用于油田鉆井，經(jīng)過20余年的研究該泥漿開始應(yīng)用在橋梁工程中，但絕大多數(shù)用在端承樁[9-12]。

3 PHP泥漿制作

樁基施工中鉆孔所使用的泥漿主要由水、黏土、添加劑等組成，能起到護(hù)壁、固孔和排渣的作用。在鉆孔樁施工遇到深厚砂性土層時，影響鉆孔需求的主要因素有孔壁土體黏聚力較差，泥漿失水率較大、容易產(chǎn)生沉渣，自然造漿以及普通黏土造漿難以滿足要求[13-15]。

PHP泥漿相對自然造漿及普通黏土造漿而言，具有失水率小、泥皮較薄并且致密柔韌、護(hù)壁效果好的優(yōu)點(diǎn)。本工程在樁基施工中鉆孔時所采用的PHP泥漿配置如下。

3.1 制漿原料

(1)膨潤土。根據(jù)工程地質(zhì)條件及多年積累的施工經(jīng)驗(yàn)，選用湖南常德飛來峰膨潤土有限公司生產(chǎn)的以蒙脫石為主的鈉基膨潤土，鈉基膨潤土具有良好的分散懸浮性和造漿性。該土與普通黏土相比，優(yōu)點(diǎn)在于黏度高、含砂量小、相對密度低、泥皮較薄、失水量小、穩(wěn)定性優(yōu)越、鉆機(jī)回轉(zhuǎn)阻力小、鉆進(jìn)速度快、制漿能力優(yōu)越，其質(zhì)量等級為一級。

(2)水。制漿用水取自臨近黃河河道深度為80 m的水井中，經(jīng)過過濾沉淀、檢驗(yàn)合格后投入使用，pH值大約為8.0～9.5。

(3)外加劑。外加劑有碳酸鈉和羧甲基纖維素(CMC)。

3.2 制作原漿

將水、膨潤土、碳酸鈉和CMC按比例制成原漿。1 m3泥漿中膨潤土含量為8～10%，其中純堿約為膨潤土含量的2%。新制泥漿的具體配比見表1，使用時需根據(jù)現(xiàn)場情況由實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行具體調(diào)配。

先給造漿機(jī)內(nèi)加入清水，緊接著加入膨潤土，拌制約0.5 h，使膨潤土顆粒充分分散于水中，再按照

表1 新制泥漿材料用量(1 m3泥漿) kg

比例加入碳酸鈉進(jìn)行充分?jǐn)嚢柚瞥稍瓭{。膨潤土泥漿制成后，應(yīng)靜止24 h再使用，確保其黏度達(dá)到使用要求。原漿各項(xiàng)性能指標(biāo)如表2所示。

表2 原漿性能指標(biāo)

3.3 水解羧甲基纖維素

將羧甲基纖維素加入水中配制成膠體。在配置羧甲基纖維素膠體時，應(yīng)先在攪拌機(jī)內(nèi)加入清水，在開啟攪拌機(jī)后，將羧甲基纖維素緩慢均勻地倒入攪拌機(jī)中，同時不停攪拌，使其和水充分接觸溶化。攪拌時間不小于12 h，當(dāng)羧甲基纖維素在水中能夠均勻分散且沒有明顯的團(tuán)塊存在時，停止攪拌。

3.4 PHP泥漿制備

在制好的原漿中加入足量的PHP后，不斷攪拌，使兩者充分混合。PHP的用量需要根據(jù)實(shí)際測試的泥漿指標(biāo)來確定，1 m3原漿中大約需加入PHP水解溶液3 kg。新漿必須至少提前24 h配制好。制作好后的泥漿性能指標(biāo)如表3所示。

表3 PHP泥漿性能指標(biāo)

3.5 泥漿循環(huán)系統(tǒng)

鉆孔樁在鉆進(jìn)過程中，為保證成孔質(zhì)量必須確保泥漿的有效循環(huán)。泥漿循環(huán)系統(tǒng)主要包括：造漿機(jī)、原漿池、新漿池、泥沙分離機(jī)、循環(huán)沉淀池、絮凝池等。采用循環(huán)系統(tǒng)使泥漿來回循環(huán)是保證泥漿質(zhì)量不可或缺的環(huán)節(jié)。在泥漿使用過程中需要不斷檢測泥漿指標(biāo)，通過加入膨潤土和純堿及時調(diào)整泥漿的酸堿度及濃度，保證其滿足鉆孔過程中的使用要求[16-18]。

3.6 鉆進(jìn)過程中泥漿的性能指標(biāo)

根據(jù)地層情況，鉆進(jìn)時需要使用的泥漿性能如表4所示。在鉆進(jìn)過程中，需使用泥沙分離機(jī)對抽出的泥漿進(jìn)行泥沙分離，以此降低泥漿含砂率，加快泥漿循環(huán)，保證鉆進(jìn)速度從而確保工程質(zhì)量和進(jìn)度。

4 PHP泥漿對鉆孔效率影響分析

地層特性和鉆機(jī)的選擇是影響鉆進(jìn)效率的決定

表4 鉆機(jī)鉆進(jìn)過程中的泥漿性能指標(biāo)

性因素。在相同的地層條件下，反循環(huán)的成孔時間僅為正循環(huán)成孔時間的30%～50%。采用反循環(huán)鉆機(jī)時，PHP泥漿對鉆頭旋轉(zhuǎn)和泵吸阻力的影響較小，因此可以提高鉆進(jìn)速率。通過對在不同地層中泥漿比重大小的調(diào)整，所得鉆進(jìn)速率如表5所示。

表5 不地層中泥漿比重下大小對鉆進(jìn)速率影響統(tǒng)計(jì)結(jié)果

根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，PHP泥漿比重對鉆進(jìn)速率影響系數(shù)約為10%。相對于普通黏土造漿而言，PHP泥漿能夠提高約20%的鉆進(jìn)速度。

5 PHP泥漿效益分析

目前各種建筑材料市場上PHP泥漿價格明顯高于普通黏土(表6)，但PHP泥漿的回收率能達(dá)到30%～40%。并且處理?xiàng)墲{所用成本較低，鉆進(jìn)速率高，雖然在前期增加了成本，但能夠提高工程質(zhì)量，加快工期進(jìn)度，降低總成本。

表6 PHP泥漿與普通黏土成本對比

假設(shè)樁徑為1.5 m，樁長為65 m，PHP泥漿與普通黏土造漿相比較，成孔效益如表7所示。

表7 PHP泥漿與普通黏土成孔效益對比

6 砂層鉆孔常見問題的原因分析及處理

6.1 塌孔

塌孔在鉆孔樁施工中最為常見，在施工過程中隨時可能發(fā)生,造成塌孔的主要原因包括：泥漿黏度低，護(hù)壁效果不足，出現(xiàn)漏水；護(hù)筒打入深度不足，周圍封堵不密實(shí)導(dǎo)致漏水；護(hù)筒底部土層較淺,底部發(fā)生漏水，造成泥漿水頭高度不足，孔壁壓力減??；泥漿相對密度不達(dá)標(biāo)，水頭對孔壁的壓力不夠大；進(jìn)尺過快,泥漿形成護(hù)壁速度不能滿足鉆進(jìn)速度，導(dǎo)致孔壁滲水；鉆進(jìn)時中途出現(xiàn)停鉆且時間較長，孔內(nèi)水頭未達(dá)到孔外水位或地下水位線以上2 m，導(dǎo)致水頭對孔壁的壓力不足；提升鉆頭或吊放鋼筋籠時對孔壁產(chǎn)生破壞；孔內(nèi)水流失導(dǎo)致水頭高度不夠；清孔后沒有及時進(jìn)行灌注,停滯時間過長。

預(yù)防塌孔的主要措施如下：根據(jù)地質(zhì)勘探圖對照不同地質(zhì)情況,選用合適的泥漿比重、泥漿黏度和鉆進(jìn)速度；在地面上埋置護(hù)筒時，護(hù)筒周圍應(yīng)回填密實(shí)；在水中利用振動錘打入護(hù)筒時，必須將護(hù)筒穿過淤泥層，保證護(hù)筒焊縫嚴(yán)密不漏水；在汛期時加高護(hù)筒,增加水頭保證水頭壓力相對穩(wěn)定；鉆孔施工過程中無特殊原因必須連續(xù)作業(yè)；提升鉆頭或吊放鋼筋籠必須保證垂直度,不能破壞孔壁。

發(fā)生輕微塌孔時，立即增大泥漿比重,提高泥漿水頭，増加水頭壓力。塌孔深度較淺時可加長護(hù)筒,并且將護(hù)筒周圍夯實(shí),重新開鉆。若發(fā)生嚴(yán)重塌孔，應(yīng)將鉆機(jī)移開，避免鉆機(jī)被埋入孔內(nèi)，及時用片石或砂土回填，等回填穩(wěn)定后重新開鉆。

6.2 鉆孔偏斜

造成鉆孔偏斜的主要原因?yàn)椋何磳Ρ砻嫔皩舆M(jìn)行換填,鉆機(jī)產(chǎn)生不均勻沉降；水上鉆孔平臺不穩(wěn)固；遇到孤石,導(dǎo)致鉆頭受力不均。

預(yù)防鉆孔偏斜的主要措施如下：鉆機(jī)就位前,對表面沙土進(jìn)行換填；水上鉆孔平臺應(yīng)嚴(yán)格檢查驗(yàn)收,確保平臺牢固、水平、機(jī)架穩(wěn)固；保證鉆機(jī)頂部滑輪槽、鉆桿卡盤和樁位中心在同1條垂線上,在鉆進(jìn)過程中定時檢查鉆機(jī)移位情況,隨時予以調(diào)整；定期檢查鉆桿，對彎曲損壞的鉆桿要及時更換；若突然遇到變硬地層，應(yīng)控制進(jìn)尺，保持低速減壓鉆進(jìn)。

當(dāng)鉆孔偏斜超標(biāo)時,應(yīng)回填重新鉆孔。

6.3 縮孔

造成縮孔的主要原因?yàn)椋旱貙又谐霈F(xiàn)軟弱層,在周圍沙土壓力下，向孔內(nèi)擠壓形成縮孔；鉆頭磨損嚴(yán)重，補(bǔ)焊不及時,鉆出的孔徑不滿足設(shè)計(jì)樁徑要求。

預(yù)防縮孔的主要措施為：根據(jù)地質(zhì)勘探圖,若有軟弱層出現(xiàn)時，應(yīng)經(jīng)常掃孔；定期對鉆頭進(jìn)行補(bǔ)焊,避免因鉆頭直徑不夠產(chǎn)生縮孔。

出現(xiàn)縮孔后，必須進(jìn)行反復(fù)掃孔，直至達(dá)到設(shè)計(jì)樁徑。

6.4 擴(kuò)孔

出現(xiàn)擴(kuò)孔主要原因是在鉆進(jìn)過程中鉆頭擺動幅度過大。在鉆孔過程中應(yīng)平穩(wěn)進(jìn)尺,減壓鉆進(jìn)，這種方式可以有效預(yù)防擴(kuò)孔的發(fā)生。若擴(kuò)孔因塌落造成,可加大泥漿比重；若已嚴(yán)重?cái)U(kuò)孔時，應(yīng)向孔內(nèi)回填黏土，等到沉淀密實(shí)后再重新開鉆。

6.5 卡鉆

造成卡鉆的主要原因?yàn)椋嚎變?nèi)出現(xiàn)梅花孔或縮孔；下鉆過快或鋼絲繩松繩太長，使鉆頭傾倒卡在孔壁上；塌孔時落下的石塊或掉落較大的物體將鉆頭卡??；出現(xiàn)縮孔后，補(bǔ)焊的鉆頭尺寸過大，沖擊太猛,鉆頭被吸住。

預(yù)防卡鉆的主要措施為：上下輕微提動鉆頭，并輔以轉(zhuǎn)動；下鉆時應(yīng)緩慢勻速；鉆頭補(bǔ)焊時確保鉆頭尺寸與設(shè)計(jì)孔徑配套,沖程量不宜過大,防止錘頭傾倒造成卡鉆。

7 結(jié) 語

在飽和液化砂層樁基施工中，使用PHP泥漿鉆孔，能夠避免砂性土層中泥漿失水量較大、護(hù)壁困難、排渣不徹底等問題，并具有減小泥皮厚度、降低沉渣量以及加強(qiáng)護(hù)壁效果等優(yōu)勢。由于PHP泥漿的比重比普通泥漿更小，因此可以減小對鉆機(jī)的阻力，進(jìn)而提高鉆進(jìn)速率，提高功效。

PHP泥漿循環(huán)使用效果好，回收率高，整體經(jīng)濟(jì)效益高于普通泥漿。而在廢漿處理方面，PHP泥漿棄漿為中性，對周圍自然環(huán)境影響較小，具有很高的推廣價值。

參考文獻(xiàn)：

[1] 程宇鵬.新型索輔梁橋關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)敏感性分析[D].重慶：重慶交通大學(xué),2010.

[2] 孫 超.斜塔有背索斜拉橋的受力行為研究[D].西安：長安大學(xué)，2012.

[3] 吳文亮,武建林,劉 通,等.深厚砂性土層鉆孔樁中PHP泥漿應(yīng)用[J].城市建設(shè)理論研究,2014(9):2095-2104.

[4] 王振龍.深孔大直徑巖溶樁基卡鉆處理探討[J].陜西水利,2014(3):89-90.

[5] 廖梅麗.淺述鉆孔灌注樁基礎(chǔ)的單樁豎向承載力估算[J].西部交通科技,2017(7):72-76.

[6] 張文祥.鉆孔灌注樁成孔施工控制[J].黑龍江交通科技,2007,30(11):62.

[7] 凡騰陽,范海生.道橋工程中應(yīng)用的鉆孔灌注樁施工技術(shù)[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì),2015(14):92.

[8] 陳欽浩.淺談旋挖鉆孔灌注樁在樁基礎(chǔ)工程中的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2015(21):229.

[9] 劉睦峰.軟巖模擬及其大直徑鉆進(jìn)技術(shù)研究[D].長沙:中南大學(xué),2010.

[10] 曲洪亮,盧華偉,蔣仁國.淺析砂性土層PHP泥漿護(hù)壁鉆孔樁施工過程控制[J].城市建設(shè)理論研究,2014(35):4928-4929.

[11] 蘇彥方.以劍麻纖維制備環(huán)保型無紡布技術(shù)的研究[D].青島:青島科技大學(xué),2012.

[12] 王 瑩.淺析鉆孔灌注樁承載能力影響因素及提高措施[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì),2016(7):2054.

[13] 朱迪斯,黃玉文,史新慧,等.旋挖鉆機(jī)巖石鉆進(jìn)試驗(yàn)[J].探礦工程-巖土鉆掘工程,2008(3):30-31.

[14] 楊 健.沖擊鉆成孔灌注樁的幾點(diǎn)質(zhì)量問題及預(yù)防措施[J].城市建設(shè)理論研究.2015(23):477-478.

[15] 崔永紅.樁基施工中常見質(zhì)量問題及應(yīng)對措施[J].江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2014,14(1):9-11.

[16] 楊德寧.建筑樁基施工質(zhì)量控制問題的思考[J].房地產(chǎn)導(dǎo)刊2014(19):336-336.

[17] 張弘弢,王鐵濱.鉆孔灌注樁坍孔的預(yù)防及處理[J].遼寧省交通高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào),2001,3(4):27-28.

[18] 賴奕楠.旋挖鉆孔灌注樁厚砂地層中成孔質(zhì)量控制技術(shù)[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì),2015(8):58.