粉砂地質(zhì)下泥漿物理性能對樁基施工的影響及改進

張佩明

中交三航第一工程（上海）有限公司 上海 201315

以柬埔寨巴薩河?xùn)|汊大橋施工為背景，以普通地質(zhì)條件下的泥漿指導(dǎo)指標(biāo)為基礎(chǔ)，通過試驗改進，總結(jié)在特殊砂性地質(zhì)下旋挖樁施工時適宜的泥漿指標(biāo)，優(yōu)化施工工藝，進一步提升工程質(zhì)量[1-4]。

1 工程概況

柬埔寨巴薩河?xùn)|汊大橋沿線地層有第四系沉積層、泥盆系砂巖等，表部為填土，上部為沖積粉質(zhì)黏土，可塑-硬塑狀，厚3～4 m，局部相變?yōu)檐浰軤?，粉質(zhì)含量高，大里程方向含灰黑色少量泥炭土，厚度較薄，該層黏性土失水較硬，飽水性質(zhì)較差，中部為沖積中細(xì)砂、粉細(xì)砂層，中密為主，厚度較大，厚20.0～41.0 m，間夾灰黃色可塑-硬塑狀粉質(zhì)黏土，下部為沖（湖）積灰黃色粉質(zhì)黏土，可塑-硬塑狀，局部為沖積粉細(xì)砂層。底部基巖為泥巖或砂巖，基巖埋深39～52 m，全強風(fēng)化層厚度較大，巖體強度一般。結(jié)合工程地質(zhì)勘察報告資料及施工現(xiàn)場實際情況，樁基施工過程中需嚴(yán)格控制泥漿物理性能指標(biāo)，進行工序排布跳鉆施工。

2 施工機械的選擇與泥漿制備

2.1 施工機械的選擇

根據(jù)本工程地質(zhì)情況和施工周期安排，結(jié)合當(dāng)?shù)貦C械設(shè)備的資源情況，項目部選擇旋挖法作為施工工藝。旋挖設(shè)備選用280型號的旋挖機。

2.2 泥漿制備

根據(jù)現(xiàn)場情況及柬埔寨當(dāng)?shù)氐囊蠛土?xí)慣做法，在施工場地周圍設(shè)置2～3個泥漿池，用于收集泥漿，另外設(shè)置1個蒸發(fā)池，用于晾曬砂石?；炷凉嘧⑦^程中，排出的泥漿，從大泥漿池的一端進入泥漿池進行沉淀、過濾，小碎石、細(xì)砂等留在泥漿池里，過濾后的泥漿在大泥漿池的另一端用泥漿泵再抽回到泥漿溝里進行循環(huán)利用。大泥漿池里的砂石清理到蒸發(fā)池中進行晾曬，晾曬干燥后集中運輸?shù)街付ǖ膹U土堆積場。

由于本工程地質(zhì)情況較為復(fù)雜，主要地質(zhì)以粉砂層為主，所以在泥漿制備之前，在泥漿池內(nèi)先用優(yōu)質(zhì)黏土造漿，在泥漿內(nèi)添加7%～10%膨潤土、0.5%～1.0%工業(yè)用堿、0.1%羥甲基纖維素（CMC）、拌和用水采用檢驗合格的自來水或巴薩河河水。泥漿相關(guān)性能指標(biāo)為：密度1.15～1.30 g/cm3，黏度18～25 s，含砂量＜2%，膠體率≥95%，pH≥6.5。

3 試樁施工過程中發(fā)現(xiàn)的問題及原因分析

3.1 試樁發(fā)現(xiàn)的問題

試樁采用旋挖鉆機鉆孔，位置為巴薩河?xùn)|汊大橋20號墩b-1樁，長34 m、樁底標(biāo)高－25.293 m。鉆進過程中泥漿密度控制在1.2 g/cm3左右。20b-1成孔時間9 h，清孔后成孔檢測，發(fā)現(xiàn)以下問題：

1）孔徑產(chǎn)生頸縮。原設(shè)計樁徑1.3 m，成孔后探籠無法下放到底，判斷出現(xiàn)頸縮，重新掃孔。

2）泥漿的含砂率超標(biāo)。成孔和清孔過程中實測泥漿含砂率8%，超過相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的≤4%的要求。

3）產(chǎn)生坍孔現(xiàn)象。一次清孔后實測孔底沉渣厚度正常，二次清孔時發(fā)現(xiàn)導(dǎo)管口突然冒出大量泥漿，判斷出現(xiàn)坍孔。

4）孔底沉渣厚度嚴(yán)重超標(biāo)。對沉渣厚度進行測量，實測約1.5 m，嚴(yán)重超標(biāo)。對孔底沉渣進行取樣，沉渣為部分中粗砂并摻雜粒徑2～5 mm礫石。

3.2 原因分析

對比地質(zhì)報告19.71～－22.51 m處地層，該地層為50%左右中粗砂，灰黃色2～5 mm礫砂占比約15%，由粉細(xì)砂填充；礫質(zhì)以石英質(zhì)為主，局部薄層狀或團塊狀粉質(zhì)黏土，分析沉渣中礫石主要來自該處地層。

分析試樁失敗原因如下。

1）旋挖機成樁速度過快，鉆頭提升及下放過程中對孔壁產(chǎn)生負(fù)壓，在目前的地質(zhì)條件下導(dǎo)致產(chǎn)生頸縮。

2）試樁時泥漿各項指標(biāo)按照中國規(guī)范要求調(diào)制，但是不適用柬埔寨施工現(xiàn)場的地質(zhì)狀況，造成清孔效果不理想，引起孔底沉渣嚴(yán)重超標(biāo)。

3）由于粉砂層較厚，造成在成孔和清孔過程中泥漿含砂率超標(biāo)。

4）對19.71～－22.51 m這層中粗砂的易坍塌性預(yù)估不足，二次清孔對該層擾動過大，極易造成坍孔。

4 采取的措施及效果

4.1 采取的措施

針對以上對試樁失敗原因的分析，項目部召集各方召開專題會，討論并制定了以下改進措施：

1）在原則上遵循中國相關(guān)規(guī)范的基礎(chǔ)上，按照當(dāng)?shù)貙嶋H地質(zhì)條件，相應(yīng)調(diào)整泥漿指標(biāo)。

① 在泥漿中添加工業(yè)堿，使黏度提升到25～27 s，加強泥漿的護壁效果。

② 增加膨潤土用量，將泥漿密度控制在1.27～1.30 g/cm3之間，保證護壁效果，同時保證該地質(zhì)情況下的砂礫能在泥漿中保持懸浮狀態(tài)。

③ 使用泥砂分離器，將含砂率控制在＜2%的范圍內(nèi)。

2）控制鉆進速率，在易坍塌地層放慢鉆進速度，黏土層控制在0.2 m/min，砂層0.1 m/min，并及時補漿。

3）清孔期間對泥漿池里的泥漿提前30 min進行循環(huán)確保泥漿性能達標(biāo)且穩(wěn)定，并放慢循環(huán)速度減少對孔底砂層的擾動，防止坍孔。

4）實測樁孔各項指標(biāo)符合規(guī)范基礎(chǔ)上，取消二次清孔。

4.2 實施的效果

確定了新的泥漿參數(shù)及局部工藝改進后，項目部在18-2、16-1兩個樁位進行試樁，驗證新參數(shù)、新工藝在本項目上的可行性。

1）根據(jù)新參數(shù)，旋挖鉆施工時泥漿制備標(biāo)準(zhǔn)控制為密度1.27～1.30 g/cm3、黏度25～27 s、含砂率＜2%、膠體率95%。為保證泥漿有較高性能及后續(xù)的易調(diào)配性，首池泥漿中增大膨潤土用量至15%，火堿比例也適當(dāng)增大。調(diào)配好后進行檢測，各指標(biāo)為密度1.27 g/cm3、黏度28 s、含砂率1%、膠體率97%。

2）使用ZX-250濾砂器，含砂率控制目標(biāo)＜2%，實測0.5%，有效控制了孔底沉渣厚度。

3）旋挖鉆孔樁長42 m，成孔用時6.2 h。成孔檢測各項指標(biāo)合格，孔底沉渣厚度在30 mm左右，鋼筋籠下放完成后，再次對孔內(nèi)指標(biāo)進行檢驗，各項指標(biāo)基本無浮動，沉渣厚度略增加至50 mm。

4）灌注完成后回收泥漿，并對其進行測定，密度、含砂率有明顯增大，黏度和膠體率出現(xiàn)下降。對回收后的泥漿進行濾砂，將含砂率降低至2%以下，重新測指標(biāo)密度降至1.15 g/cm3、黏度25 s、膠體率無明顯變化。泥漿調(diào)配時添加黏土為主，輔助添加膨潤土、火堿，用量相比首池泥漿適當(dāng)降低，分別保證保持7%、0.5%的用量。

5 泥漿性能在后續(xù)施工中的變化跟蹤與分析

后續(xù)工程樁施工中，項目部按照試樁確定的泥漿各項參數(shù)及工藝進行施工，同時按照成孔、灌注前兩個時間段分別測定、記錄泥漿的各項指標(biāo)變化，并進行了總結(jié)分析。

1）以泥漿12次循環(huán)為一個批次，記錄、分析數(shù)據(jù)得出泥漿在循環(huán)使用的過程中膠體率發(fā)生顯著下降，穩(wěn)定性能變差。以第3次循環(huán)和第7次循環(huán)后的泥漿對比，兩者密度分別為1.17、1.15 g/cm3，黏度25、23 s、膠體率97%、95%。

2）上述2次循環(huán)過程中，成孔檢驗時兩者的沉渣厚度相差不大，在30～40 mm，而在灌注前檢測時前者沉渣厚度基本沒有增加，后者厚度增加10～15 mm，泥漿中顆粒沉降速度明顯變快。

3）以泥漿12次循環(huán)的性能記錄與分析，本工程地質(zhì)情況下，泥漿可循環(huán)調(diào)制10次左右，泥漿在多次循環(huán)使用后按相同的調(diào)制方法，密度仍可以調(diào)至預(yù)設(shè)的指標(biāo)，黏度指標(biāo)略有損失，膠體率損失較多，穩(wěn)定性能下降，分析泥漿性能下降的主要原因如下。

① 灌注完成回收泥漿時有少部分水泥將混入影響泥漿的質(zhì)量。

② 粉砂地層在施工時存在滲漿的情況，泥漿中的細(xì)顆粒從粉砂層中滲透流失，導(dǎo)致性能變差。

為保證成樁質(zhì)量，泥漿循環(huán)超過10次后，指標(biāo)較難調(diào)制時需將該漿舍棄并重新進行配制。

6 結(jié)語

在超厚粉砂地質(zhì)下旋挖樁施工時，要保證泥漿的密度保持在1.25 g/cm3左右，黏度在25 s以上，不超過30 s為宜，保證含砂率在2%之內(nèi)，特殊情況不宜超過3%，同時膠體率小于95%后需及時對泥漿進行調(diào)整。泥漿懸砂能力也是判斷其性能的重要指標(biāo)，其與物理指標(biāo)的關(guān)系仍需進一步探討。本工程中給出的相關(guān)指標(biāo)可為后續(xù)相似施工提供參考，從而達到優(yōu)化施工工藝的目的。