不穩(wěn)定土層鉆孔樁泥漿調(diào)配方法研究

楊旭林 ，劉 偉

1.中國港灣西部非洲區(qū)域公司，科特迪瓦 999063 KTDW

2.中交一航局第五工程有限公司，河北 秦皇島 066000

1 依托工程概述

科特迪瓦北部公路項(xiàng)目橋梁共計(jì)兩座，位于主線PK39和PK63處。該地旱雨季分明，旱季為枯水期，地下水位較低，約在樁頂標(biāo)高以下3～5m。橋梁基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁，排樁形式，樁徑1.1m，平均樁長15m，樁基類型為摩擦樁和端承樁兩種。

2 工程特點(diǎn)及難點(diǎn)

（1）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際分析，總結(jié)土層分布規(guī)律如下：①0～10m為雜填土、淤泥質(zhì)土、砂性土，其中砂性土最大層厚約5m；②10～17m為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖；③17～25m為中風(fēng)化花崗巖；④地下水位約樁頂標(biāo)高以下5m。

（2）由于砂層厚度較大，上部土層極不穩(wěn)定，在鉆孔樁施工過程中，容易出現(xiàn)塌孔事故。

（3）科特迪瓦旱雨季分明，雨季降雨量較大，地下水位較高，泥漿護(hù)壁必須具有良好的性能，否則必然出現(xiàn)塌孔事故。

3 泥漿配比選擇

鉆孔灌注樁傳統(tǒng)造漿工藝采用膨潤土造漿或采用黏性土造漿，旨在形成大于普通水比重的液體，通過泥漿張力支撐孔壁，使施工過程中保證孔壁穩(wěn)定，避免出現(xiàn)孔壁失穩(wěn)，造成塌孔事故。普通造漿方法針對(duì)地下砂土層護(hù)壁效果不佳，原因是普通造漿方法無法保證泥漿中顆粒的懸浮狀態(tài)，容易出現(xiàn)沉淀，造成孔內(nèi)上下層泥漿比重大小不一，局部泥漿張力不足。根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)，純堿和纖維素類物質(zhì)能夠改善提高泥漿的護(hù)壁性能。具體摻配材料作用分析如下。

3.1 膨潤土

（1）吸附性：水中的微顆粒一端吸附在膨潤土顆粒表面，另一端溶于水，使膨潤土顆粒和水分子之間產(chǎn)生了一種間接的聯(lián)系。形成了一種橋聯(lián)作用，減少了泥漿中的自由水，改變了泥漿的性能參數(shù)。

（2）膨脹性：膨潤土遇水膨脹，增加吸附性。

（3）造漿性：膨潤土顆粒在水中分散形成懸浮液，同時(shí)增加溶液重度。

3.2 純堿

（1）摻入純堿主要作用是改善膨潤土性能，充分發(fā)揮膨潤土的吸水性，減少沉淀。

（2）增加純堿，是為了增加水中鈉離子，鈉質(zhì)膨潤土晶層吸附水的厚度是三層，鈣質(zhì)膨潤土晶層吸附水的厚度是四層。在極性水分子的作用下，由于靜電引力較小，鈉質(zhì)膨潤土晶層之間可以產(chǎn)生較大的晶層間距，而鈣質(zhì)膨潤土由于晶層間的負(fù)電引力較大，極性水分子不易進(jìn)入晶層之間，因此，鈣質(zhì)膨潤土晶層間產(chǎn)生的距離明顯比鈉質(zhì)膨潤土小，表現(xiàn)在鈣質(zhì)膨潤土比鈉質(zhì)膨潤土難于在水中分散、膨脹倍數(shù)低。

3.3 纖維素

（1）摻入纖維素主要作用是增加泥漿溶液的膠結(jié)性。

（2）由于膨潤土是固體顆粒，不能溶解于水，只是其擁有吸附性，可形成溶液，但膨潤土的比重大于水，溶液容易出現(xiàn)分層現(xiàn)象。下層溶液膨潤土含量較大，甚至出現(xiàn)沉淀；上層溶液膨潤土含量較低。

（3）利用纖維素的膠結(jié)性可將膨潤土和水吸附牢固，防止出現(xiàn)分層現(xiàn)象，使泥漿溶液各部位性能一致，保證泥漿的護(hù)壁作用。

4 對(duì)比分析

在協(xié)作隊(duì)伍配合下，采用不同配合比調(diào)制泥漿，具體配合比及結(jié)果如下。

4.1 方案一：水∶膨潤土∶純堿=1000∶100∶10

試配結(jié)果：泥漿沉淀略有減少，但效果不佳；泥漿調(diào)制完成時(shí)實(shí)測(cè)比重為1.11g/cm3，在施工過程中不同時(shí)段對(duì)孔內(nèi)泥漿取樣10組，取樣深度均在孔頂以下6m，測(cè)得最小泥漿比重為1.02，最大泥漿比重為1.07，平均為1.04。

4.2 方案二：水∶膨潤土∶純堿=1000∶100∶30

試配結(jié)果：對(duì)比方案一的配比，泥漿沉淀有減少，但總體效果不理想；泥漿調(diào)制完成時(shí)實(shí)測(cè)泥漿比重為1.12g/cm3，在施工過程中不同時(shí)段對(duì)孔內(nèi)泥漿取樣10組，取樣深度均在孔頂以下6m，測(cè)得最小泥漿比重為1.03，最大泥漿比重為1.09，平均為1.05。

4.3 方案三：水∶膨潤土∶純堿∶羥丙基甲基纖維素=1000∶100∶20∶1

試配結(jié)果：攪拌初期出現(xiàn)絮狀物，但靜置2h后形成穩(wěn)定溶液，基本無沉淀，溶液呈順滑略有膠凝狀態(tài)，性能良好；泥漿調(diào)制完成時(shí)實(shí)測(cè)泥漿比重為1.11g/cm3，在施工過程中不同時(shí)段對(duì)孔內(nèi)泥漿取樣10組，取樣深度均在孔頂以下6m，測(cè)得最小泥漿比重為1.07，最大泥漿比重為1.11，平均為1.09。

4.4 方案四：水∶潤土∶純堿∶羥丙基甲基纖維素=1000∶100∶10∶2

試配結(jié)果：攪拌初期出現(xiàn)絮狀物，但靜置3h后形成穩(wěn)定溶液，基本無沉淀，相比方案三配制的泥漿，溶液膠凝狀態(tài)更佳；泥漿調(diào)制完成時(shí)實(shí)測(cè)泥漿比重為1.13g/cm3，在施工過程中不同時(shí)段對(duì)孔內(nèi)泥漿取樣10組，取樣深度均在孔頂以下6m，測(cè)得最小泥漿比重為1.1，最大泥漿比重為1.13，平均為1.12。

5 泥漿調(diào)配方法

施工過程中，對(duì)泥漿配比不斷優(yōu)化調(diào)整，通過長時(shí)間實(shí)際施工效果，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)如下。

5.1 泥漿配合比

（1）主要材料。優(yōu)質(zhì)膨潤土，純堿和纖維素（羥丙基甲基纖維素）或其他纖維材料（塑料纖維等，本調(diào)配方法中采用羥丙基甲基纖維素）。

（2）配合比。泥漿配合比如表1所示。

表1 泥漿配合比表單位：kg

由表1可知，地下水pH值對(duì)該調(diào)配方法的泥漿性能影響較小。

5.2 操作過程

（1）操作流程。具體操作流程如下：摻入膨潤土→攪拌和循漿→摻拌并摻入純堿→摻拌并摻入纖維素→靜置→重新攪拌。

（2）操作步驟。①將優(yōu)質(zhì)膨潤土按3%～5%比例摻入水中，邊摻入邊不停攪拌，不可一次性傾倒，需慢慢加入，保證攪拌均勻，施工現(xiàn)場(chǎng)可采用大口徑泥漿泵循環(huán)泥漿代替攪拌或采用泥漿攪拌機(jī)制作泥漿。②待優(yōu)質(zhì)膨潤土攪拌均勻，保持?jǐn)嚢杌蜓h(huán)泥漿1h以上，使膨潤土充分溶解。③將純堿按1%～3%比例摻入泥漿中，邊摻入邊不停攪拌，方法同上。④純堿溶解較快，不用等待太久，大約10min鐘左右即可將纖維素按0.1%～0.3%比例摻入泥漿中，邊摻入邊不停攪拌。⑤攪拌均勻后保持循漿，纖維素?fù)饺牒?，初?～2h會(huì)出現(xiàn)絮狀透明體漂浮于泥漿溶液表面，是纖維素沒有充分溶解的現(xiàn)象。⑥調(diào)配結(jié)束后靜置1～2h，再重新攪拌，使吸水后的纖維素充分溶解到泥漿中，必須靜置一段時(shí)間，若繼續(xù)攪拌，絮狀物會(huì)越來越多，且纖維素溶解較慢。⑦待泥漿中無明顯絮狀物時(shí)，即可使用。⑧在大批量生產(chǎn)泥漿前，必須進(jìn)行試配工作，按照相關(guān)摻配比例范圍進(jìn)行調(diào)試，選擇最佳配合比，同時(shí)做好各種配合比效果記錄，在施工過程中，根據(jù)實(shí)際情況，進(jìn)行必要調(diào)整。

6 結(jié)論

（1）該調(diào)配方法可有效防止塌孔事故發(fā)生，調(diào)制成功后已在后續(xù)樁基施工中應(yīng)用，塌孔率為零，杜絕了事故的發(fā)生。

（2）對(duì)于不穩(wěn)定土層中施工鉆孔灌注樁，在使用本配合比的前提下，可適當(dāng)加大泥漿比重，同時(shí)鉆孔過程中需降低鉆進(jìn)速度和減小鉆頭對(duì)孔壁的擾動(dòng)。

（3）該方法為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研制，具體配合比數(shù)值調(diào)控范圍基本確定，由于受水質(zhì)pH值影響較小，基本適用于各個(gè)地區(qū)不穩(wěn)定地質(zhì)的鉆孔樁施工。

（4）該方法可有效防止在不穩(wěn)定地層進(jìn)行鉆孔樁施工時(shí)發(fā)生塌孔事故，極大降低了施工風(fēng)險(xiǎn)和安全風(fēng)險(xiǎn)，減小了經(jīng)濟(jì)損失，適合廣泛推廣使用。