復(fù)雜地質(zhì)條件下灌注樁聚合物泥漿與膨潤(rùn)土泥漿應(yīng)用對(duì)比研究

朱文波

中國(guó)石化天然氣分公司 北京 100029

近年來隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)步伐加快，旋挖鉆孔灌注樁作為一種成熟的施工工藝因具有地層適應(yīng)性強(qiáng)，成孔速率快，噪聲較小，樁基承載力高等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)、民用建筑、公路、橋梁等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。

灌注樁在地下水位較高或直立性較差地層旋挖成孔時(shí)，由于鉆頭切削移位原位土體，造成原始地應(yīng)力失去平衡，為防止孔壁坍塌，需要采用泥漿護(hù)壁。泥漿在成孔過程中主要作用為護(hù)壁、攜渣、冷卻、潤(rùn)滑鉆具。工程理論和實(shí)踐研究表明[1]：護(hù)壁泥漿質(zhì)量的好壞將直接影響到樁端沉渣厚度和樁側(cè)泥皮厚度，進(jìn)而影響樁基承載性能。為保證泥漿護(hù)壁效果及提升項(xiàng)目綜合經(jīng)濟(jì)效益，需要在樁基正式施工前，根據(jù)地層情況在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行泥漿試配工作，對(duì)其試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，選取成膜性好、失水量小、綜合經(jīng)濟(jì)效益高的泥漿進(jìn)行護(hù)壁。文中依托某工程，開展泥漿選型對(duì)比試驗(yàn)研究，以期對(duì)類似地質(zhì)條件下旋挖鉆孔灌注樁施工的泥漿選取提供借鑒。

1 工程概況

根據(jù)施工圖設(shè)計(jì)階段《巖土工程勘察報(bào)告》[2]和野外鉆探、原位測(cè)試及室內(nèi)土工試驗(yàn)成果，依據(jù)場(chǎng)地巖土的年代、成因、巖性及物理力學(xué)性質(zhì)，將廠區(qū)勘探揭露深度范圍內(nèi)的地層劃分為4 層，分別為：

（1）1 層，素填土（Q4ml）：灰褐色～褐黃色，土質(zhì)不均，成份主要為黏性土，含少量砂和凝灰?guī)r碎塊，局部夾孤石，局部凝灰?guī)r碎塊集中分布，硬雜質(zhì)含量≤25%。根據(jù)調(diào)查，該層屬于新近回填土，后經(jīng)強(qiáng)夯處理，均勻性差。該層在場(chǎng)地內(nèi)普遍分布，層厚0.9～10.4m。

（2）2 層，中砂夾珊瑚礁碎塊（Q4m）：以中砂為主，夾珊瑚礁碎塊，局部珊瑚礁分布集中，呈層狀堆積。淺灰～灰色，松散～稍密，局部中密，飽和，部分地段為粉細(xì)砂，礦物成分以石英、長(zhǎng)石為主，分選一般。珊瑚礁主要呈灰白色，以珊瑚骨骼為主骨架，輔以其他造礁及喜礁生物的骨骼或殼體所構(gòu)成的鈣質(zhì)堆積體，強(qiáng)度較高，多呈碎塊狀混在中砂層中，部分地段珊瑚礁成層狀分布，層厚0.5～7.7m。

（3）3 層，粉質(zhì)黏土（Q4al+pl）：黃褐色，局部淺灰色，無搖振反應(yīng)，韌性中等，干強(qiáng)度中等，稍有光澤。該層在場(chǎng)區(qū)內(nèi)局部分布，層厚0.90～5.60m。

（4）4 層，中風(fēng)化凝灰?guī)r（νQ2-3）：淺黃色為主，局部淺灰色，主要成分為火山灰和火山碎屑，火山碎屑粒徑1～2mm，凝灰結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，巖芯呈餅狀、短柱狀，巖體較完整，風(fēng)化裂隙較多，巖塊強(qiáng)度一般，由軟巖到極軟巖，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅴ級(jí)。該層在場(chǎng)地內(nèi)普遍分布，層厚1.00～28.70m。

各土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表1 所示。

表1 土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

2 試驗(yàn)方案

聚合物泥漿具有配制時(shí)間短、懸凝攜渣能力強(qiáng)、沉淀速度快、環(huán)保等特點(diǎn)。膨潤(rùn)土泥漿具有適用性強(qiáng)、攜渣能力突出、沉淀速度慢等特點(diǎn)。本次泥漿試配方案選取聚合物泥漿與膨潤(rùn)土泥漿,分別按照不同配比進(jìn)行試配，從中分別選取最優(yōu)狀態(tài)泥漿進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)施工試用，根據(jù)試用結(jié)果綜合分析對(duì)比，選取綜合效益較高的泥漿供本工程使用。

本次聚合物泥漿選取瀚岳聚合物泥漿粉, 為相對(duì)分子量高達(dá)2000 萬以上的聚合物，進(jìn)行試配，分散劑選取NaOH,采用1m3淡水進(jìn)行試配,具體配比如表2 所示。

表2 聚合物泥漿配比方案

根據(jù)試配方案現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)聚合物泥漿性能指標(biāo)如表3所示。

表3 聚合物泥漿性能指標(biāo)

根據(jù)本工程地層分布情況，結(jié)合上述聚合物泥漿性能指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果，選取A1 配比方案進(jìn)行聚合物泥漿配制，在現(xiàn)場(chǎng)選取20 根Φ600mm,樁長(zhǎng)14m 灌注樁進(jìn)行成孔試驗(yàn)，檢驗(yàn)其攜渣能力、沉淀速度、一定時(shí)間段內(nèi)沉渣厚度，平均擴(kuò)孔系數(shù)。

膨潤(rùn)土泥漿采用鈉基膨潤(rùn)土，增粘劑選用生物黃原膠(XC)，分散劑采用NaOH，采用1000g 淡水進(jìn)行試配,具體配比如表4 所示。根據(jù)試配方案現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)膨潤(rùn)土泥漿性能指標(biāo)如表5 所示。

表4 膨潤(rùn)土泥漿配比方案

表5 膨潤(rùn)土泥漿性能指標(biāo)

根據(jù)本工程地層分布情況，結(jié)合上述膨潤(rùn)土泥漿性能指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果，選取B3 配比方案進(jìn)行聚合物泥漿配制，在現(xiàn)場(chǎng)選取20 根Φ600mm,樁長(zhǎng)14m 灌注樁進(jìn)行成孔試驗(yàn)，檢驗(yàn)其攜渣能力、沉淀速度、一定時(shí)間段內(nèi)沉渣厚度，平均擴(kuò)孔系數(shù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 不同泥漿一定時(shí)間段內(nèi)沉渣厚度對(duì)比分析

根據(jù)試驗(yàn)方案，在旋挖成孔灌注樁鉆孔完成后，在不同時(shí)間段內(nèi)分別量測(cè)其沉渣厚度，經(jīng)數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)分析，具體結(jié)果如表6 所示。

表6 不同時(shí)間段沉渣厚度

根據(jù)上述實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果，聚合物泥漿與膨潤(rùn)土泥漿對(duì)比結(jié)果表明：聚合物泥漿絮凝沉淀較快，孔底沉渣厚度在短時(shí)間內(nèi)得到較大幅度增長(zhǎng)，而膨潤(rùn)土泥漿懸浮作用相對(duì)較強(qiáng)，孔底沉渣厚度增幅相對(duì)較小，為滿足《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[3]中關(guān)于灌注混凝土前孔底沉渣厚度要求，在施工中應(yīng)采用氣舉反循環(huán)二次清孔施工工藝，將孔底沉渣厚度控制在5cm 以內(nèi)，確保樁基承載力及沉降滿足規(guī)范要求。施工中采用兩種不同性質(zhì)的泥漿進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，在滿足相關(guān)規(guī)范要求的前提下，為提高其重復(fù)利用率，均選用黑旋風(fēng)除砂器對(duì)其進(jìn)行除砂凈化，通過凈化處理后其各項(xiàng)指標(biāo)均滿足相關(guān)規(guī)范要求，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：聚合物泥漿的循環(huán)使用次數(shù)平均為5 次，而膨潤(rùn)土泥漿的循環(huán)使用次數(shù)平均為1.5 次。工程施工所產(chǎn)生的廢棄漿液均按照甲方要求運(yùn)至相關(guān)指定地點(diǎn)處理。

3.2 不同泥漿樁基承載力實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采用不同類型泥漿進(jìn)行護(hù)壁成孔的灌注樁，分別從20 根中選取3 根進(jìn)行樁基豎向靜載荷試驗(yàn)并進(jìn)行對(duì)比分析，具體試驗(yàn)結(jié)果如表7 所示。

表7 單樁豎向承載力特征值 kN

根據(jù)實(shí)測(cè)單樁豎向極限承載力數(shù)據(jù)，對(duì)比分析結(jié)果表明：在相同施工工況下，采用聚合物泥漿進(jìn)行護(hù)壁成孔與膨潤(rùn)土泥漿相比，單樁豎向承載力特征值提高約11%，這在工程設(shè)計(jì)中節(jié)約工程造價(jià)方面經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)可觀。在施工中采用除砂器對(duì)泥漿進(jìn)行凈化處理，處理后其各項(xiàng)指標(biāo)均滿足相關(guān)規(guī)范要求，對(duì)于聚合物泥漿護(hù)壁，在清孔徹底的情況下，與膨潤(rùn)土泥漿護(hù)壁相比而言，其形成的泥皮厚度相對(duì)較小，樁身側(cè)摩阻力能夠得到充分發(fā)揮，其相應(yīng)的單樁豎向承載力特征值較高，而膨潤(rùn)土泥漿護(hù)壁，泥皮厚度相對(duì)較大，導(dǎo)致樁身側(cè)摩阻力降低，進(jìn)而導(dǎo)致單樁豎向承載力特征值降低。

3.3 綜合經(jīng)濟(jì)效益分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)泥漿配制消耗材料實(shí)際采購價(jià)格，測(cè)算聚合物泥漿與膨潤(rùn)土泥漿單方成本與本工程總成本，具體結(jié)果如表8 所示。

表8 泥漿綜合成本分析

本工程Φ600mm,樁長(zhǎng)14m 灌注樁共計(jì)2000 根，由表8 數(shù)據(jù)，考慮聚合物泥漿循環(huán)使用次數(shù)為5 次，膨潤(rùn)土循環(huán)使用次數(shù)為1.5 次，綜合測(cè)算可知本項(xiàng)目使用聚合物泥漿將比使用膨潤(rùn)土泥漿單項(xiàng)成本節(jié)省約64.4 萬元，經(jīng)濟(jì)效益可觀。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，采用聚合物泥漿護(hù)壁成孔平均擴(kuò)孔系數(shù)為1.16，使用膨潤(rùn)土泥漿護(hù)壁成孔平均擴(kuò)孔系數(shù)為1.25，按市場(chǎng)商品混凝土采購價(jià)格為520 元/ m3,綜合測(cè)算可知本項(xiàng)目使用聚合物泥漿將比使用膨潤(rùn)土泥漿混凝土使用單項(xiàng)成本節(jié)省約37 萬元。

4 結(jié)論

在本工程地質(zhì)條件下，聚合物泥漿與膨潤(rùn)土泥漿的現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析，結(jié)果表明：

(1) 聚合物泥漿絮凝沉淀速度較快，在施工時(shí)注意應(yīng)二次清孔工藝的采用，確保成樁質(zhì)量；

(2) 聚合物泥漿護(hù)壁成孔與膨潤(rùn)土泥漿相比，其形成的泥皮厚度較小，樁身側(cè)摩阻力能夠得到充分發(fā)揮，進(jìn)而有效提高單樁豎向承載力特征值，單樁豎向承載力特征值提高幅度約11%，在工程設(shè)計(jì)階段可以適當(dāng)考慮泥漿護(hù)壁類型對(duì)單樁豎向承載力特征值的影響；

(3) 聚合物泥漿與膨潤(rùn)土泥漿相比，聚合物泥漿單方綜合成本較低，且擴(kuò)孔系數(shù)較小，在類似地質(zhì)條件下可通過試配選取聚合物泥漿進(jìn)行護(hù)壁，節(jié)省施工成本，提高項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益。