膠結(jié)地質(zhì)鉆孔泥漿制備及滲透性能研究現(xiàn)狀

王 涵，黃志強(qiáng)

(沈陽工業(yè)大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870)

0 前 言

我國大部分地區(qū)存在著鈣質(zhì)膠結(jié)地質(zhì)，由于沉積物在膠結(jié)作用下，使鈣質(zhì)膠結(jié)地質(zhì)富含大量的碳酸鈣及其難溶的碳酸鹽類物質(zhì)。鈣質(zhì)膠結(jié)地質(zhì)卵石形狀不規(guī)則導(dǎo)致孔隙大從而強(qiáng)度低，并且在施工時，施加壓力很容易破碎。工程實例中，在膠結(jié)鈣質(zhì)地質(zhì)鉆孔施工時，卵石層受到結(jié)構(gòu)擾動使結(jié)構(gòu)物間的應(yīng)力驟減，影響樁基承載力。

在鉆孔過程中，有塌孔、跑漿等現(xiàn)象，遇到卵石的時候，鉆進(jìn)速度較慢，需采用合理的施工工藝，保證樁基的成孔質(zhì)量，其中最有效的方式是優(yōu)化鉆孔泥漿。目前，鉆孔灌注樁技術(shù)已經(jīng)比較成熟，然而在實際工程中，鈣質(zhì)膠結(jié)地層的鉆孔施工很難滿足開挖面穩(wěn)定的條件,從而給施工帶來困難，嚴(yán)重時甚至引發(fā)工程事故。在鉆孔過程中很容易發(fā)生孔壁失穩(wěn)現(xiàn)象，影響施工安全及進(jìn)度，為了解決這一問題，發(fā)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)的泥漿可以起到護(hù)壁的作用。影響泥漿性能的因素包括泥漿的原材料及添加劑的配合比等。泥漿的比重過小，則泥漿護(hù)壁的性能較差，然而泥漿比重并不是越大越好，當(dāng)泥漿的比重過大時，泥漿的粘度也會隨之增加，影響泥漿的流動性，在鉆孔施工過程中出現(xiàn)磨損器具等問題。本文對眾多學(xué)者的研究進(jìn)行總結(jié)分析，希望為實際工程提供參考。

1 鉆孔泥漿各種問題

對于鉆孔施工中鉆孔泥漿的各種問題，一般可概括為：①添加劑在施工中的使用具有一定的盲目性，一般很難滿足鉆孔施工泥漿要求；②目前常用的膨潤土泥漿添加劑，添加量往往憑工程經(jīng)驗添加，其泥漿指標(biāo)難以控制，缺乏相關(guān)理論指標(biāo)支撐，而且單一的膨潤土泥漿效果較差，單純增加膨潤土用量難以滿足施工條件，造成大量浪費(fèi)，還產(chǎn)生了廢棄泥漿難以處理，污染環(huán)境等一系列問題，因此，新型不分散泥漿系統(tǒng)的研究與開發(fā)對材料的保護(hù)和泥漿的應(yīng)用具有重要意義；③目前泥漿優(yōu)化技術(shù)的研究和應(yīng)用缺乏相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，添加劑類型的選擇、漿料比例、性能參數(shù)和指標(biāo)的測定與控制方法、注入?yún)?shù)的選擇和合理控制試驗等都依賴工程經(jīng)驗，往往達(dá)不到預(yù)期效果，造成人力、物力、財力的巨大浪費(fèi)，甚至可能造成工程事故。

2 泥漿護(hù)壁研究現(xiàn)狀

目前國內(nèi)外鉆孔泥漿采用的大多是膨潤土、水、添加劑所組成的泥漿體系，但當(dāng)面對不同地質(zhì)情況時，所需要的泥漿性能也不同。

耿永勝曾經(jīng)提出電動泥漿護(hù)壁法施工工藝可以起到泥漿護(hù)壁的作用。李生才等通過對泥漿護(hù)壁機(jī)理研究，發(fā)現(xiàn)泥漿的比重、粘度、靜切力等性質(zhì)對孔壁穩(wěn)定性起到重大作用。蔣龍[1]采用試驗方法分析制漿添加劑對泥漿基本性能的影響規(guī)律，得出了常用的六種制漿添加劑在不同配合比條件下對泥漿主要性能指標(biāo)的影響，將試驗結(jié)果分析與工程實例相結(jié)合，初步確定適合于砂卵石地層的泥漿配合比參考值，對不同性能的泥漿開展?jié)B透試驗，研究了泥漿的三大性能指標(biāo)對其滲透性能的影響。曾帥[2]以武漢地鐵小鎮(zhèn)車站施工為研究對象，分析巖溶地區(qū)鉆孔灌注樁施工時，出現(xiàn)的孔壁失穩(wěn)現(xiàn)象和泥漿護(hù)壁方法，對鉆孔施工在巖溶地區(qū)常出現(xiàn)的質(zhì)量事故提出相適應(yīng)的預(yù)防措施。姚志偉[3]通過厚砂層鉆孔灌注樁泥漿護(hù)壁穩(wěn)定性研究，表明貫穿整個樁基施工流程的關(guān)鍵工序是泥漿工藝，并分析了泥漿制備工藝與孔壁穩(wěn)定性和樁基承載力的聯(lián)系，通過FLAC3D軟件模擬分析了砂層厚度、泥漿比重與孔壁變形的關(guān)系，認(rèn)為砂層厚度與泥漿比重呈反比關(guān)系，泥漿比重越小，孔壁變形越大，穩(wěn)定性越差，為深厚砂層鉆孔灌注樁的成孔工藝積累了一定經(jīng)驗[3]。董宏波、王秀芳采用正交試驗在膨脹性軟土地區(qū)對鉆孔灌注樁泥漿護(hù)壁配比進(jìn)行分析，得出泥皮的厚度主要與試驗材料中的膨潤土有關(guān)，其膨潤土含量越高，泥皮的厚度越大。王建等[4]通過分析泥漿護(hù)壁過程，發(fā)現(xiàn)泥漿失水量和泥皮厚度是水敏性火山灰沉積巖地區(qū)土成孔和提高樁側(cè)摩阻力的關(guān)鍵，并通過正交試驗確定泥漿的最優(yōu)配合比，較好地克服在蘇拉馬都海峽水敏性土體中鉆孔施工時的塌孔、擴(kuò)孔問題。王春河和許滿吉針對目前國內(nèi)單一使用膨潤土泥漿存在成本高、不適應(yīng)復(fù)雜地層等問題，以南京長江隧道為背景，利用廢棄泥漿和高分子材料在不同配合比下，優(yōu)化泥漿的性能以及應(yīng)用在復(fù)雜地層。Bassey Akong在2011 年研究了孔壁失穩(wěn)機(jī)理在于塌孔、開裂現(xiàn)象，同時提出泥漿護(hù)壁除了在保持孔壁穩(wěn)定的同時，大大減少了鉆孔灌注樁的施工成本以及提高了施工效率，減小施工工期。Heinz針對普通膨潤土泥漿在強(qiáng)滲透地層中，經(jīng)常無法形成穩(wěn)定泥膜而導(dǎo)致孔壁失穩(wěn)的問題，研究了添加劑對膨潤土泥漿粘度、失水量等的影響，結(jié)果表明聚合物泥漿的流動性及在強(qiáng)滲透地層中成膜質(zhì)量比普通膨潤土泥漿要好。

3 泥漿滲透研究現(xiàn)狀

程展林等通過室內(nèi)模型試驗，研究了聚合物泥漿在中粗砂地層中的成膜情況，研究表明泥漿的粘度太大時，泥漿無法滲入進(jìn)土體，無法有效成膜保持孔壁穩(wěn)定。袁大軍等[5]以砂卵石地層為背景，研究了泥漿相對密度、粘度以及滲透壓差對泥漿滲透成膜的影響規(guī)律，試驗結(jié)果表明：泥漿在地層中滲透的時間與泥膜抗?jié)B性能呈正比關(guān)系；形成泥膜時的壓差越大，泥膜越致密堅韌，抵抗?jié)B透破壞的能力越強(qiáng)。閔凡路等[6]以不同性質(zhì)的泥漿開展?jié)B透試驗，通過泥漿滲透裝置測定泥膜形成過程中地層超靜孔隙水應(yīng)力的變化規(guī)律，分析影響其分布的因素，明確了泥膜的作用機(jī)理。Tao Xu[7]在改進(jìn)的實驗室裝置中進(jìn)行了膨潤土泥漿滲透到飽和砂土中的試驗，研究泥漿滲入過程及泥膜的形成條件，對于低密度的泥漿，由于泥膜中含有大量顆粒，因而泥膜相對更厚，但是具有更高的滲透性。LIU Dongshuang 以南寧地鐵圓礫石層施工中使用泥漿為例，利用自行設(shè)計的泥漿滲透裝置，進(jìn)行了不同配比泥漿在圓礫石層中的滲透成膜試驗，研究了泥漿比重、粘度、滲透系數(shù)等對成膜的影響，并對灌漿壓力對滲水量、成膜時間、漿膜形狀等進(jìn)行了現(xiàn)場驗證。結(jié)果表明：泥漿比重隨黏土含量的增加而線性增加，粘度隨CMC含量的增加而線性增加。漿液比重越高，成膜質(zhì)量越好。漿液粘度越高，形成漿液膜的時間越早，漿液中滲入的水量越小。泥漿比重對滲透水量的影響大于粘度對滲透水量的影響。日本學(xué)者Takeshi Watanabe 和Hirnobu Yamazaki在強(qiáng)滲透地層開展泥漿滲透實驗，測量泥漿滲透成泥膜時的失水量，分析泥漿比重對泥漿成膜時泥漿失水量的影響，研究表明：泥漿滲透時的失水量與泥漿比重呈反比關(guān)系，與泥漿滲透壓力呈現(xiàn)正比關(guān)系，并且向泥漿中添加細(xì)砂顆粒，可以有效提高泥漿比重，從而達(dá)到降低泥漿滲透成膜時產(chǎn)生的失水量，同時也說明提高一定泥漿比重，滲透形成的泥膜質(zhì)量會較好。

4 結(jié) 語

由于我國地質(zhì)復(fù)雜，很多地方的地質(zhì)都不滿足建筑施工要求，這時就要用到樁基礎(chǔ)。為避免鉆孔過程中孔壁出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，采用優(yōu)質(zhì)性能的泥漿來解決這一問題，而泥漿的性能則是泥漿護(hù)壁成敗的關(guān)鍵因素。因此，對泥漿制備的研究成為施工的關(guān)鍵，而目前泥漿優(yōu)化技術(shù)的研究和應(yīng)用缺乏相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，添加劑類型的選擇、漿料比例、性能參數(shù)和指標(biāo)的測定與控制方法、注入?yún)?shù)的選擇和合理控制試驗等都依賴工程經(jīng)驗，往往達(dá)不到預(yù)期效果，因此，對泥漿的制備仍需進(jìn)行大量研究。

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