含砂地層大直徑旋挖鉆孔樁孔內(nèi)泥漿性能研究

駱嘉成，葉浩川，白銀銀，強小兵，姚雪軍，邵吉成*

（1. 溫州市地質(zhì)資源與生態(tài)環(huán)境重點實驗室，浙江 溫州 325006；2. 浙江省第十一地質(zhì)大隊，浙江 溫州 325006；3. 浙江華坤地質(zhì)發(fā)展有限公司，浙江 溫州 325006；4. 溫州浙南地質(zhì)工程有限公司，浙江 溫州 325006）

0 引 言

鉆孔灌注樁具有無擠土、適用地層廣、施工效率高等優(yōu)點[1-3]，在建筑工程、橋梁工程、鐵路工程等領(lǐng)域有較廣的應(yīng)用[4-5]。大直徑鉆孔灌注樁的施工設(shè)備相對簡單，單樁承載能力大，抗震性、抗風(fēng)穩(wěn)定性良好，造價相對低廉[6-7]。隨著超高層建筑、海上風(fēng)力發(fā)電工程以及公鐵兩用橋等工程項目的建設(shè)發(fā)展，對單樁承載力的要求逐漸提高，大直徑、高承載力樁的應(yīng)用也越來越廣泛[8]。大直徑樁在成孔時，由于樁孔壁的拱環(huán)作用急劇減弱，樁孔側(cè)壁土體有偏向孔內(nèi)位移的趨勢，孔壁的不穩(wěn)定概率增加，極易造成孔壁坍塌事故[9-11]，尤其是在含砂、卵石地層中鉆孔，成孔時塌方概率明顯增加。在大直徑樁成孔過程中，泥漿的性能關(guān)系到樁孔的安全，樁孔內(nèi)泥漿的有效液壓力可以平衡孔壁土中水的滲透壓力和樁周圍土壓力[12]。研究表明，泥漿本身的特性直接影響鉆孔灌注樁的成樁質(zhì)量，進而影響樁在使用過程中的承載特性。此外，泥漿還具有冷卻機具和切土潤滑等多項重要作用，泥漿黏度影響其攜渣性能，對大直徑樁的清孔效果具有較大的影響。當(dāng)前對泥漿護壁效果方面的研究較多，但關(guān)于成樁過程中樁孔內(nèi)泥漿性能的變化鮮有公開報道。泥漿的比重、含砂率和黏度是泥漿最重要的特性，因此研究成樁過程中孔內(nèi)泥漿性質(zhì)的變化對大直徑鉆孔灌注樁的質(zhì)量控制意義較大。本文以龍泉市某大直徑旋挖鉆孔灌注樁施工項目為背景，研究了大直徑鉆孔灌注樁在成孔過程中樁孔內(nèi)泥漿含砂率、比重以及黏度的變化規(guī)律，針對現(xiàn)場問題制定相應(yīng)對策，為大直徑鉆孔灌注樁施工的質(zhì)量控制提供建議。

1 工程概況

1.1 工程簡介

本項目位于麗水市龍泉市環(huán)城東路，項目為兩座主樓及周邊裙帶建筑，兩座主樓分別為酒店和公寓，酒店主樓共35層，高156 m；公寓大樓共30層，高159.8 m，建筑落成后為龍泉市最高建筑物。本項目設(shè)計有91根工程樁，樁徑均為1 200～2 400 mm，樁長在17～39 m，采用XR 550D型旋挖鉆機進行成孔。該工程共有5根樁的樁徑為2 400 mm，其單樁極限承載力為8 960 kN，在房屋建筑領(lǐng)域較為罕見，鮮有施工經(jīng)驗可參考。本工程樁基受力形式為端承樁，以中風(fēng)化花崗巖為持力層，樁入花崗巖深度為0.5倍樁徑。表1為該工程所有樁的樁型和數(shù)量。

表1 樁型和數(shù)量Table 1 Types and quantities of piles

1.2 工程地質(zhì)情況

施工場地土層分布情況如表2所示。在距地表0～13.1 m、0.8～12.8 m范圍內(nèi)分別分布有粉砂層和卵石層，厚度分別為0.2～9.2 m和2.1～12.0 m。對于大直徑旋挖鉆孔樁而言，在成孔過程中，粉砂層和卵石層區(qū)域易出現(xiàn)塌孔情況。前期已有單位施工了7根試樁，其中2根試樁在砂層處出現(xiàn)過塌方情況，且因清孔不達標導(dǎo)致鉆芯取樣時發(fā)現(xiàn)樁斷層、夾砂等現(xiàn)象。鑒于前期施工情況，本單位采用人工造漿的方式對孔壁進行護壁，在施工過程中需及時關(guān)注孔內(nèi)泥漿性能的變化，并嚴格監(jiān)測孔底沉渣厚度的變化。

1.3 成孔速度統(tǒng)計

如圖1所示，樁徑為1 200 mm的鉆孔灌注樁，成孔時間在8.0～14.5 h之間，入巖時間在1.5～3.7 h之間。樁徑為2 400 mm的大直徑鉆孔樁，成孔時間較長，通常在16.3～25.0 h之間，入巖時間在5.4～12.6 h之間，如圖2所示。對于大直徑樁，樁孔自身的穩(wěn)定性比小直徑樁孔差，其成孔時間、入巖時間均較長，成孔時孔內(nèi)泥漿性能有較大的變化，對樁孔穩(wěn)定性影響也較大。若樁孔暴露時間較長，理論上更易出現(xiàn)塌孔事故，因此成孔時需嚴格監(jiān)測孔內(nèi)泥漿各項指標的變化，并需要及時測量孔內(nèi)泥漿性能的變化。

圖1 1 200 mm樁的成孔時間Fig. 1 Hole-forming time of 1 200 mm pile

圖2 2 400 mm的樁成孔時間Fig. 2 Hole-forming time of 2 400 mm pile

2 泥漿中含砂率、比重分析

2.1 造漿配比

在施工過程中，采用膨潤土造漿對樁孔進行護壁，膨潤土造漿過程中，添加CMC、PCI、PHP以及Na2CO3等多種材料。具體配比如表3所示。

表3 造漿配比Table 3 Properties of slurry t

剛造好的護壁泥漿性質(zhì)較穩(wěn)定，本工程護壁泥漿的初始密度在1.08～1.15 g/cm3之間，護壁泥漿的初始含砂率為0%。成孔時，土屑會分散到護壁泥漿中，同時地下水也會向樁孔內(nèi)滲透，導(dǎo)致樁孔內(nèi)泥漿性質(zhì)發(fā)生改變。成孔時泥漿含砂率（粒徑≥75 μm）會在較大程度上影響泥漿的比重。此外，泥漿在樁孔內(nèi)沿樁身不同深度分布并不均勻，呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，對樁孔的護壁效果也有所差異。

2.2 現(xiàn)場泥漿含砂率與比重統(tǒng)計

以現(xiàn)場Z18號樁和Z40號樁為例，成孔時對孔內(nèi)泥漿含砂率和比重進行測量，其結(jié)果如圖3（a）所示。隨著成樁深度的增加（即成樁時間增加），在自重作用下，孔口泥漿中的砂子向樁底下沉，導(dǎo)致泥漿的含砂率呈現(xiàn)一定的下降趨勢；同時，孔內(nèi)泥漿的比重也呈現(xiàn)相應(yīng)的降低趨勢。終孔后，鋼筋籠的運輸、下放和焊接以及導(dǎo)管的下放過程通常超過2 h，對孔口泥漿擾動影響不大，此時可將孔口泥漿視為靜止?fàn)顟B(tài)，孔口泥漿的含砂率和比重趨向穩(wěn)定狀態(tài)，孔口泥漿的含砂率為0.2%～0.8%，泥漿的比重為1.08～1.10 g/cm3。在清孔時，由于孔底泥漿攜帶沉渣返回孔口，孔口的含砂率呈現(xiàn)略微增加的趨勢，約為0.4%～0.8%，因此孔口泥漿比重也略微增大，約為1.09～1.10 g/cm3。

在Z18號樁和Z40號樁成孔過程中，對孔深一半位置（半孔深）泥漿進行檢測，樁半孔深處泥漿比重和含砂率之間變化規(guī)律如圖3（b）所示。隨著成孔深度的增加，兩根樁半孔深處泥漿含砂率也呈現(xiàn)下降趨勢，泥漿的比重也隨之降低，泥漿比重的降低會導(dǎo)致泥漿對孔壁的有效靜液壓力降低，對于大直徑鉆孔樁而言，粉砂層和卵石層等相應(yīng)部位塌孔概率會增加。

孔底泥漿的含砂率一直較高，尤其是在樁孔入巖過程中，中風(fēng)化花崗巖被鉆機鉆頭磨碎，孔底沉渣激增，從而導(dǎo)致泥漿的含砂率增加，可達64%～86%，泥漿的比重可達1.81～1.82 g/cm3，如圖3（c）所示。過多的沉渣會增加樁孔的清孔難度，同時影響樁的灌漿質(zhì)量。

圖3 泥漿含砂率與比重的關(guān)系Fig. 3 Relation between the sand content and specific gravity

2.3 含砂率與比重關(guān)系擬合分析

對Z18號樁和Z40號樁的孔口和半孔深泥漿中的含砂率和比重進行線性擬合分析，由于樁底泥漿砂子較多，成孔過程中泥漿的含砂率變化幅度較大，且與樁孔其它部位泥漿的差異性較大，因此孔底泥漿不具有代表性，僅對孔口和半孔深處泥漿進行擬合分析，結(jié)果如圖4和表4所示。

圖4 含砂率與比重擬合結(jié)果Fig. 4 Fitting results between the sand content and specific gravity

表4 擬合數(shù)據(jù)Table 4 Fitting data

通過擬合結(jié)果可知，Z18號樁和Z40號樁的孔口和半孔深泥漿的比重與含砂率呈正相關(guān)，擬合指數(shù)R2在0.858～0.987之間，擬合度較高，表明樁孔內(nèi)泥漿的含砂率是影響其比重的重要因素。

泥漿比重的下降會導(dǎo)致對孔壁的環(huán)向應(yīng)力出現(xiàn)減小的趨勢，當(dāng)孔壁某部位存在容易坍塌的區(qū)域時，由于鋼護筒埋深有限，達不到保護效果，泥漿對樁孔護壁效果的重要性凸顯，泥漿比重不僅要達到規(guī)范規(guī)定（1.10～1.25 g/cm3）的要求[13]，而且泥漿比重需滿足平衡孔壁側(cè)壓力和地下水壓力的作用。在人工造漿這一環(huán)節(jié)，僅增加膨潤土投加量在一定程度上可提高護壁泥漿的比重，但也會使泥漿的黏度增加，不利于泥漿中的砂子析出。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，本工程在泥漿中加一定量的加重劑（重晶石），使孔口部位泥漿在鉆孔時比重達標。

3 泥漿中含砂率-黏度分析

泥漿黏度是泥漿流動難易程度的重要指標[14]，泥漿的黏度指標及流變性對孔壁穩(wěn)定、排渣和清渣的效果都有直接影響[15-17]。有研究表明，隨著泥漿密度的增加，泥漿的黏度也呈增大趨勢[18]。對于本樁基工程，泥漿的比重與黏度之間的相關(guān)性并不明顯，造漿完畢后，泥漿的黏度與含砂率之間有一定聯(lián)系。

Z18號樁和Z40號樁孔內(nèi)泥漿黏度和含砂率之間的關(guān)系如圖5所示。泥漿黏度與含砂率變化呈現(xiàn)較好的相關(guān)性。在入巖過程-終孔這一階段，由于孔底花崗巖被鉆機鉆牙磨碎，以及樁孔泥漿中的砂子向孔底沉降、聚集，孔底一定范圍內(nèi)的固相物含量增多，孔底泥漿含砂率增大[19]，在測量黏度時漏斗黏度計的管口易堵，孔底泥漿的黏度很難準確的測出，因此僅有孔口和半孔深泥漿的黏度數(shù)據(jù)。在清孔后，絕大部分粒徑大于75 μm的固相物都被清理干凈，樁孔內(nèi)各部位泥漿的含砂率都在0.4%～1%之間，泥漿的黏度維持在18.32～22.12 s之間，與剛配好的護壁泥漿（18.12～24.63 s）有一定變化，且多次循環(huán)使用后的泥漿性能很不穩(wěn)定，不滿足規(guī)范要求[20]。護壁泥漿在循環(huán)使用期間，其內(nèi)部膠體會逐漸被消耗，且泥漿中攜帶樁孔中的砂子返回儲漿池，并在儲漿池內(nèi)聚集，使儲漿池內(nèi)的護壁泥漿的性能變差，需及時清理儲漿池中淤積的砂子，并根據(jù)儲漿池內(nèi)泥漿性質(zhì)、狀態(tài)重新造漿對儲漿池進行補漿，可適當(dāng)增加新漿中膨潤土的添加量。

4 沉渣及泥漿含砂率對灌漿影響

樁成孔過程中，泥漿含砂率沿樁孔內(nèi)豎向分布呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，如圖6所示?？卓谥涟肟咨罘秶變?nèi)泥漿的含砂率變化不大，通常在0.1%～3.1%之間。孔底1～4 m范圍，泥漿含砂率在0.3%～5%之間。在樁終孔前，孔底0.5 m位置的泥漿含砂率較大，其值在4.0%～7.2%之間。由于樁孔內(nèi)泥漿中的砂子向孔底沉降，孔底泥漿含砂率一直較高，尤其是在入巖過程中，鉆機提鉆次數(shù)較少，除孔底外其它部位泥漿的擾動都較小，孔底泥漿含砂率激增。此外，入巖時中風(fēng)化花崗巖被鉆牙磨碎也會增加孔底泥漿的含砂率。終孔2 h后，孔底泥漿含砂率最大測量值為86%。實際上，終孔后孔底會形成一定厚度且相對密實的沉渣，取漿器無法到達真實的孔底，取漿器到達的“孔底”實際上是孔底沉渣表面處，孔底含渣率可能大于86%。

圖6 成孔時泥漿含砂率的變化Fig. 6 Variation of sand content of mud in drilling

樁孔內(nèi)泥漿中的砂子向孔底沉淀是孔底沉渣厚度增加的主要原因，樁在終孔后，樁孔內(nèi)泥漿中的砂子在重力作用下向孔底沉降、聚集，使孔底沉渣逐漸加厚，并趨向穩(wěn)定，泥漿含砂率的變化直接影響孔底沉渣厚度[19]。如圖7所示，兩根樁在終孔1 h內(nèi)，完成大部分沉渣淤積，在終孔2 h后兩樁孔底沉渣厚度均超過100 cm，分別為121 cm和106 cm。

圖7 樁孔底沉渣厚度與時間關(guān)系Fig. 7 Relation between the sediment deposition thickness and time at hole bottom

大直徑旋挖鉆孔灌注樁的鉆渣易沉淀，且清渣困難[6]，前一家施工單位因清孔不達標從而導(dǎo)致樁出現(xiàn)斷層、夾砂等事故。通常來講，氣舉反循環(huán)清孔方式在建筑領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛，一般能達到清孔要求。本工程樁徑大多在1 800～2 400 mm之間，在房屋建筑領(lǐng)域非常罕見，無經(jīng)驗可參考，可借鑒橋梁樁基施工經(jīng)驗。

在采用氣舉反循環(huán)清孔的同時，采用除砂機對孔內(nèi)泥漿砂子進行清除。圖8為兩根樁在清孔時孔底沉渣淤積量的變化。該樁在清孔15 min后，孔底沉渣大部分被清除，分別由原始的121 cm和106 cm變?yōu)?4 cm和36 cm。在清孔過程中，導(dǎo)管攪動影響使部分孔底沉渣再次分散到孔中，因此在剛清孔時孔底沉渣厚度下降非常明顯，不完全是砂子清除導(dǎo)致的結(jié)果，因此需確保充足且合適的清孔時間，本工程樁清孔時間為1.5～2 h，清孔后孔底沉渣均未超過5 cm左右。

圖8 樁清孔時孔底沉渣淤積量變化規(guī)律Fig. 8 Variation of sediment deposition at hole bottom during hole clearing

通過試驗，Z18號樁停止清孔后，孔底在20 min左右再次淤積12 cm的沉渣，此時孔底淤積的不一定全是較大顆粒的固相物，但為了安全起見，應(yīng)該繼續(xù)清孔，直到沉渣小于5 cm為止[13,20]，并立即澆筑混凝土。相比較小直徑樁，大直徑鉆孔灌注樁孔底更容易淤積沉渣，且沉渣更難清理干凈，采用的清孔方式更為復(fù)雜，清孔時間更久。

5 結(jié) 論

（1）大直徑鉆孔灌注樁成樁時間更久，孔內(nèi)泥漿的含砂率、比重都有較大的變化，對樁孔穩(wěn)定性影響也大，更易出現(xiàn)塌孔事故。

（2）泥漿的含砂率在較大程度上會影響泥漿的比重，泥漿中的砂子向孔底沉降、淤積，使孔內(nèi)泥漿比重逐漸減小，泥漿含砂率與比重的擬合指數(shù)R2在0.858～0.987之間。在人工造漿過程中，可適當(dāng)加入加重劑使泥漿比重能滿足護壁要求。

（3）成孔過程中泥漿含砂率的降低導(dǎo)致泥漿的黏度下降，泥漿在循環(huán)使用期間，其內(nèi)部膠體會逐漸被消耗，導(dǎo)致清孔時泥漿攜砂性能下降。需及時清理儲漿池中淤積的砂子，并重新造漿對儲漿池進行補漿，可適當(dāng)增加新漿中膨潤土的添加量。

（4）樁在入巖時，孔底泥漿含砂率激增，終孔后孔底泥漿含砂率最高可達86%?？椎自诮K孔1 h內(nèi)，完成大部分沉渣淤積，在終孔2 h后兩樁孔底沉渣厚度均超過100 cm。

（5）大直徑鉆孔灌注樁孔底更容易淤積沉渣，且難以清理干凈；采用氣舉反循環(huán)方式協(xié)同除砂機進行清孔，1.5～2 h可完成清孔，清孔完畢后立即澆灌混凝土，避免樁孔內(nèi)再次淤積沉渣。