韌性環(huán)保泥漿在深厚貝殼類地層灌注樁施工中的應(yīng)用

曾億忠，向一明

（中交第二航務(wù)工程局有限公司第六工程分公司，湖北 武漢 430014）

0 引言

由于地質(zhì)條件的各類變化等因素，橋梁鉆孔灌注樁在成孔過程中易出現(xiàn)種種缺陷，在樁孔鉆進(jìn)過程中常見的問題有縮頸、擴(kuò)徑、短樁、塌孔等[1]，因此成孔過程對橋梁的樁體質(zhì)量會造成相應(yīng)的影響[2]?？刂沏@孔灌注樁成孔的關(guān)鍵是防止孔壁坍塌[3]。在進(jìn)行樁基鉆進(jìn)施工過程中，護(hù)壁泥漿能夠在樁基孔壁內(nèi)側(cè)形成泥皮保護(hù)膜，從而阻止樁孔內(nèi)泥漿向孔外擴(kuò)散滲流，以避免造成樁基孔壁坍塌的情況[4]。目前我國橋梁工程中多采用化學(xué)聚合物或膨潤土添加劑制備泥漿作為樁基護(hù)壁。

在位于沿海地區(qū)富含大量貝殼類覆蓋層地質(zhì)的大型橋梁工程中，由于地層的孔隙率大，樁基鉆進(jìn)的過程中泥漿極易穿透地層直接滲出，且樁基孔壁上的貝殼類易割裂泥皮，導(dǎo)致形成的泥皮性能不穩(wěn)定，泥漿在漲落潮時大量濾失，從而易誘發(fā)孔壁坍塌、漏漿等問題，進(jìn)而對海域造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。所以需加強(qiáng)泥漿對大孔隙覆蓋層地質(zhì)的適應(yīng)性，防止樁基鉆孔過程中泥漿大量濾失，保證樁基質(zhì)量，對同類型地質(zhì)條件下樁基施工提供參考與解決思路。

1 工程簡介

依托工程為漳江灣特大橋及連接線工程，位于福建省東南沿海，為國省道干線公路縱一線的重要組成路段，貫通漳州沿海大通道，為雙向六車道一級公路標(biāo)準(zhǔn)，主要的施工段漳江灣跨海大橋為海上預(yù)制梁橋，漳江灣大橋全長3.6 km，海上鉆孔灌注樁直徑為2.0～2.2 m[1]，樁長為50～70 m，采用沖擊鉆進(jìn)行施工，鋼護(hù)筒直徑為2.3～2.5 m。

該工程地質(zhì)為典型沖海積地貌，覆蓋層深厚，淤泥厚度達(dá)20 m，地層內(nèi)富含貝殼類（尋氏肌蛤殼），部分樁基墩位有中風(fēng)化花崗巖孤石分布，數(shù)量多且硬度大。

樁基鉆進(jìn)過程中，由于孔壁的孔隙率較大，且由于孔壁上富含的尋氏肌蛤殼類易致使泥皮割裂，影響泥漿護(hù)壁穩(wěn)定性，在樁基鉆孔過程中，需預(yù)防由于護(hù)筒底口處泥漿濾失影響樁基成孔質(zhì)量并造成環(huán)境污染?，F(xiàn)有膨潤土造漿及化學(xué)聚合物添加劑造漿等方法在該特殊海洋環(huán)境下性能受到影響，需大量增加使用量，造成成本增加，且仍存在有環(huán)境污染的風(fēng)險。由于施工區(qū)域地層存在大量孤石，鋼護(hù)筒繼續(xù)跟進(jìn)受到阻礙，無法穿透該地層，需研究一種對大孔隙覆蓋層地質(zhì)的適應(yīng)性強(qiáng)的泥漿配比，以適應(yīng)該地層。

2 泥漿配方研究

在鉆進(jìn)過程中，由于樁孔內(nèi)泥漿較外部海水的相對密度大，當(dāng)兩者液面處于同樣高度時，樁孔內(nèi)泥漿的壓力比外部海水大[5]，因此，泥漿的壓力可以同作用在孔壁上的土層壓力及海水壓力相抵，以防止外部海水滲入。泥漿在樁基孔壁內(nèi)側(cè)形成的致密泥皮能使泥漿壓力均勻地分布在樁基孔壁上，從而阻止樁基孔壁被破壞；泥漿在鉆進(jìn)過程中通過孔壁內(nèi)側(cè)向外側(cè)土層滲透，在擴(kuò)散一定范圍后便可依附黏連在土顆粒上，可大大降低土層滲水性[6]；再者，泥漿還可使鉆渣懸浮并攜帶鉆渣出孔，從而保證鉆進(jìn)正常進(jìn)行。

影響泥漿性能的關(guān)鍵因素是添加劑的選擇。其性能應(yīng)當(dāng)滿足：1）具有相對高的分子質(zhì)量，水溶性好，有很好的抗剪切效果和較好的增黏性能；2）泥漿應(yīng)具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和耐鹽性，能夠適用于海水環(huán)境條件；3）形成的泥皮致密輕薄穩(wěn)定，并有較好的抗濾失效果；4） 添加劑取材方便、價格便宜、用量少且綠色環(huán)保。目前在國內(nèi)鉆孔灌注樁施工中常用的泥漿添加劑產(chǎn)品主要有部分水解聚丙烯酰胺（HPAM）、羧甲基纖維素（CMC）等。這些聚合物在實際應(yīng)用中存在用量大、溶液黏度對鹽度非常敏感等不足，在海水環(huán)境中的應(yīng)用受到很大限制。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，在依托工程施工當(dāng)?shù)卮嬖诖罅靠赡軡M足上述條件的天然材料——海帶，其綠色環(huán)保，可生物降解，且就地取材方便。干海帶在泥漿中自由膨脹，具有更大的韌性和漂浮作用，同時提高泥漿的比重，具有使泥漿增黏等優(yōu)異性能，并可以封堵護(hù)筒底口處存在的漏漿通道，防止在漲落潮時由于內(nèi)外壓力差導(dǎo)致漏漿的情況。

3 泥漿配比調(diào)制及性能測試

3.1 泥漿配比調(diào)制及性能檢測

對研制的韌性環(huán)保泥漿在淡水、海水中進(jìn)行性能研究。在試驗室環(huán)境下，首先將干海帶材料浸水、剪成塊狀以模擬現(xiàn)場實施時的施工環(huán)境，然后與水、黏土及砂混合造漿，并與膨潤土泥漿和摻加聚合物的泥漿性能進(jìn)行對比，具體配合比和性能參數(shù)見表1、表2。

表1 泥漿配合比Table 1 Mud fluid proportion g

表2 泥漿性能試驗結(jié)果Table 2 Performance test result of mud fluid

由表2 可看出，在淡水中，使用韌性環(huán)保泥漿較膨潤土泥漿有明顯優(yōu)勢，其黏度和膠體率均比膨潤土泥漿大，與CMC 加膨潤土泥漿的性能相近，但密度明顯偏大，主要原因為海帶添加量較大，其性能參數(shù)均能滿足施工要求。 采用海水進(jìn)行泥漿配制時，膨潤土泥漿和聚合物泥漿的性能顯著下降，而韌性環(huán)保泥漿的性能參數(shù)變化相對較小，說明韌性環(huán)保泥漿對海水的適應(yīng)性較好，采用研制的韌性環(huán)保泥漿膠體率達(dá)到95%，失水量為 25 mL·（30 min）-1，泥皮厚度為 0.8 mm。確定了按照水:黏土:砂:海帶=100:10:5:2 的配合比進(jìn)行調(diào)制，可以用于現(xiàn)場施工。

3.2 環(huán)境模擬試驗

3.2.1 試驗原理

由于在泥漿與樁基孔壁外側(cè)海水間存在壓力差的情況下，泥漿從孔內(nèi)向地層中滲透，在泥漿穿過地層孔隙通道的過程中，泥漿中的顆粒能迅速填堵地層內(nèi)部的孔隙通道并在地層內(nèi)部孔壁外表面形成一層致密的泥皮，泥皮形成后即可阻止泥漿進(jìn)一步向地層中滲透，從而使樁孔內(nèi)的泥漿壓力穩(wěn)定，同時形成的泥皮能夠?qū)⒛酀{壓力轉(zhuǎn)化為有效應(yīng)力作用在樁孔內(nèi)壁上，起到支撐孔壁土體的作用，從而保證孔壁的穩(wěn)定[7]。而形成的泥皮質(zhì)量好壞可以反映泥漿與孔壁地質(zhì)的匹配程度，若匹配程度高，則泥皮容易形成且質(zhì)地輕薄致密，若匹配程度不高，泥皮不易形成且泥漿大量濾失，則不適于該現(xiàn)場施工應(yīng)用。在試驗中以失水量大小來評價泥皮質(zhì)量好壞，失水量越小則說明泥皮質(zhì)量越好[8]。

3.2.2 試驗過程

試驗采用模擬地層泥漿滲透試驗裝置，通過加壓裝置可以設(shè)置不同深度特定土層所受到的壓力。在施工當(dāng)?shù)夭杉牡貙釉?50 kg、海水500 kg、海帶100 kg，使實驗室模擬的土層條件較好地符合實際情況，泥漿按上述3.1 節(jié)中所確定配比進(jìn)行配制。地層顆粒情況見圖1，試驗裝置見圖2。

圖1 地層粒徑分布曲線Fig.1 Distribution curve of formation particle size

圖2 泥漿滲透試驗裝置Fig.2 Permeability test device of mud fluid

首先在泥漿滲透試驗裝置容器的最底層裝入粒徑為2～5 mm 的砂石至5 cm 高度處位置作為過濾層；然后裝入試驗地層土至51 cm 高度處；再從容器下部注水使地層飽和；注入已配制好的試驗?zāi)酀{至105 cm 高度處；將泥漿滲透試驗柱完全密封后，打開氣壓閥門，分級依次施加泥漿壓力（0.05 MPa、0.1 MPa、0.15 MPa、0.2 MPa、0.25 MPa及0.3 MPa）；然后打開排水閥門開始靜待泥漿滲透；讀取不同壓力下泥漿的失水情況，直至讀數(shù)穩(wěn)定。最后取出泥皮，測量厚度。

3.2.3 試驗結(jié)果

分別以本課題研制的韌性環(huán)保泥漿、膨潤土泥漿及添加CMC 的膨潤土泥漿進(jìn)行泥皮厚度試驗，統(tǒng)計以上3 種類型的海水泥漿在不同的壓力下地層的失水情況及最終形成的泥皮厚度，得到試驗數(shù)據(jù)見表3。

表3 泥漿在各壓力下失水量Table 3 Water loss of mud fluid under different pressures

由表3 可得，當(dāng)泥漿壓力達(dá)到0.2 MPa 時，對于添加了CMC 的膨潤土所配制的海水泥漿，其失水量穩(wěn)定在3.9 mL/min，測量得最終泥皮的厚度為8 mm。對于采用普通膨潤土配制的泥漿，當(dāng)泥漿壓力加至0.25 MPa 時，泥皮的失水量為4.8 mL/min，高于添加CMC 膨潤土所配制的泥漿失水量，該泥漿的最終泥皮厚度為9 mm。采用本文中研制的韌性環(huán)保泥漿，當(dāng)泥漿壓力加至0.2 MPa時，泥皮的失水量為4.1 mL/min，與添加CMC 膨潤土所配制的泥漿數(shù)據(jù)接近，韌性泥漿最終的泥皮厚度為2.2 mm，相對前面兩種泥漿所形成的泥皮更薄。

從試驗結(jié)果可以看出，采用海水CMC 泥漿失水量最小，但有環(huán)境污染的因素，且費(fèi)用較高；而韌性環(huán)保泥漿所形成的泥皮失水量較小，且泥皮更為致密輕薄。通過試驗得，韌性環(huán)保泥漿的黏度、膠體率、濾失水量和泥皮厚度等各項性能指標(biāo)均可以滿足現(xiàn)場設(shè)計和施工需求，可以投入使用。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

經(jīng)試驗檢測后，將添加海帶的韌性環(huán)保泥漿在依托工程漳江灣特大橋及連接線工程中進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用，根據(jù)護(hù)筒底口處的不同地層，結(jié)合使用新型環(huán)保泥漿進(jìn)行鉆進(jìn)施工步驟如下：

1）按照試驗確定的施工配合比，水:黏土:砂:海帶=100:10:5:2 在施工現(xiàn)場進(jìn)行配制。

2）將干海帶切碎成約15 mm×15 mm 的方片狀，與黏土進(jìn)行混合，進(jìn)行造漿，泥漿比重為1.3左右。

3）鋼護(hù)筒內(nèi)鉆進(jìn)過程：按照施工配合比對泥漿進(jìn)行調(diào)配后注入鋼護(hù)筒內(nèi)，同時采用沖擊鉆進(jìn)行鉆進(jìn)，鋼護(hù)筒內(nèi)采用大沖程3～4 m。

4）鋼護(hù)筒外鉆進(jìn)過程：在沖錘將要出護(hù)筒底口前，改為小沖程鉆進(jìn)約0.5 m，鉆孔過程中勤循環(huán)泥漿除渣，及時調(diào)控泥漿參數(shù)，保持泥漿比重，穿過富含貝殼的覆蓋層后，恢復(fù)正常沖程，直至成孔。

經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)用，采用海帶配制的韌性環(huán)保泥漿能有效防止濱海地區(qū)鉆孔灌注樁在深厚貝殼覆蓋層易出現(xiàn)的漏漿及塌孔問題，在綠色環(huán)保的前提下保證了鉆孔樁的施工質(zhì)量。

5 結(jié)語

在位于海洋區(qū)域的地下樁基鉆孔施工過程中，針對普通泥漿在海水環(huán)境中綜合性能不高、施工過程漏漿易造成環(huán)境污染等問題，開展了一種新型韌性環(huán)保泥漿的研究及現(xiàn)場應(yīng)用。通過調(diào)研樁基鉆孔施工工藝，在泥漿作用機(jī)理分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計泥漿配方，因地制宜地采用海帶配制韌性環(huán)保泥漿，有效地解決和防止了海域鉆孔樁成孔過程中鋼護(hù)筒漏漿問題，既保證了樁基的施工質(zhì)量，節(jié)約了施工成本，同時也防止了漏漿易導(dǎo)致的海域環(huán)境污染問題。該泥漿制備操作簡單、環(huán)保經(jīng)濟(jì)、效果較好，為富含貝殼類（尋氏肌蛤殼）覆蓋層地質(zhì)樁基防漏漿提供了參考和經(jīng)驗。