饱和液化砂层中钻孔灌注桩泥浆配合比的选定

梁建军，张 凯

(中交隧道局第二工程有限公司，陕西 西安 710100)

0 引 言

禹门口黄河公路大桥位于陕晋峡谷出口约 400 m、韩城与河津的分界处，大桥分为东引桥、主桥、西引桥3部分。桥梁全长为1 654 m，主桥为三跨双塔双索面钢混结合梁斜拉桥，全长1 055 m，主跨长为565 m，边跨长为245 m，建成后将成为中国西北地区跨径最大的斜拉桥。在中国，冲积平原深厚砂性地层分布十分广泛，因此在多数情况下结构的使用要求决定了设置超长群桩基础的必要性。对这类桩基础而言，承载力能否达到要求的关键性因素之一便是成孔质量。决定成孔质量的关键因素较多，其中桩位环境、地质情况、气候条件等都属于不可逆转的自然因素[1-4]。当钻孔机具、人员条件等因素确定后，改进泥浆自身的性能可以有效提高钻孔桩的成孔质量，使桩基满足承载力，达到设计要求，从而保证成桥质量[5-6]。目前国内PHP泥浆的使用技术已相对成熟，但其在饱和液化砂层地质中的应用实例还较少，本文详细阐述了PHP泥浆在饱和液化砂层地质中的优越性及使用价值，可为同类施工提供借鉴。

1 工程概况

大桥桥址属于典型的河流堆积地貌，宽浅性河床，地形略有起伏，水流散乱，主流摆动不定，具有非常典型的游荡型河道特点[7-8]。东塔位于主河道上方，基础采用钻孔灌注桩群桩基础方案，桩长65 m，桩径2 m，共计60根；西塔位于韩城侧黄河河漫滩上，桩长58 m，桩径2 m，共计50根。110根桩基均为摩擦桩，全部采用C30混凝土水下灌注。

2 PHP泥浆概述

丙烯酰胺泥浆即PHP(partially hydrolyzed polyacrylamide)泥浆，其主要成份为：碳酸钠、膨润土、聚丙烯酰胺、稻草和有机纤维复合物。此种泥浆具有不分散、低固相、黏度高的优点，起初用于油田钻井，经过20余年的研究该泥浆开始应用在桥梁工程中，但绝大多数用在端承桩[9-12]。

3 PHP泥浆制作

桩基施工中钻孔所使用的泥浆主要由水、黏土、添加剂等组成，能起到护壁、固孔和排渣的作用。在钻孔桩施工遇到深厚砂性土层时，影响钻孔需求的主要因素有孔壁土体黏聚力较差，泥浆失水率较大、容易产生沉渣，自然造浆以及普通黏土造浆难以满足要求[13-15]。

PHP泥浆相对自然造浆及普通黏土造浆而言，具有失水率小、泥皮较薄并且致密柔韧、护壁效果好的优点。本工程在桩基施工中钻孔时所采用的PHP泥浆配置如下。

3.1 制浆原料

(1)膨润土。根据工程地质条件及多年积累的施工经验，选用湖南常德飞来峰膨润土有限公司生产的以蒙脱石为主的钠基膨润土，钠基膨润土具有良好的分散悬浮性和造浆性。该土与普通黏土相比，优点在于黏度高、含砂量小、相对密度低、泥皮较薄、失水量小、稳定性优越、钻机回转阻力小、钻进速度快、制浆能力优越，其质量等级为一级。

(2)水。制浆用水取自临近黄河河道深度为80 m的水井中，经过过滤沉淀、检验合格后投入使用，pH值大约为8.0～9.5。

(3)外加剂。外加剂有碳酸钠和羧甲基纤维素(CMC)。

3.2 制作原浆

将水、膨润土、碳酸钠和CMC按比例制成原浆。1 m3泥浆中膨润土含量为8～10%，其中纯碱约为膨润土含量的2%。新制泥浆的具体配比见表1，使用时需根据现场情况由实验室进行具体调配。

先给造浆机内加入清水，紧接着加入膨润土，拌制约0.5 h，使膨润土颗粒充分分散于水中，再按照

表1 新制泥浆材料用量(1 m3泥浆) kg

比例加入碳酸钠进行充分搅拌制成原浆。膨润土泥浆制成后，应静止24 h再使用，确保其黏度达到使用要求。原浆各项性能指标如表2所示。

表2 原浆性能指标

3.3 水解羧甲基纤维素

将羧甲基纤维素加入水中配制成胶体。在配置羧甲基纤维素胶体时，应先在搅拌机内加入清水，在开启搅拌机后，将羧甲基纤维素缓慢均匀地倒入搅拌机中，同时不停搅拌，使其和水充分接触溶化。搅拌时间不小于12 h，当羧甲基纤维素在水中能够均匀分散且没有明显的团块存在时，停止搅拌。

3.4 PHP泥浆制备

在制好的原浆中加入足量的PHP后，不断搅拌，使两者充分混合。PHP的用量需要根据实际测试的泥浆指标来确定，1 m3原浆中大约需加入PHP水解溶液3 kg。新浆必须至少提前24 h配制好。制作好后的泥浆性能指标如表3所示。

表3 PHP泥浆性能指标

3.5 泥浆循环系统

钻孔桩在钻进过程中，为保证成孔质量必须确保泥浆的有效循环。泥浆循环系统主要包括：造浆机、原浆池、新浆池、泥沙分离机、循环沉淀池、絮凝池等。采用循环系统使泥浆来回循环是保证泥浆质量不可或缺的环节。在泥浆使用过程中需要不断检测泥浆指标，通过加入膨润土和纯碱及时调整泥浆的酸碱度及浓度，保证其满足钻孔过程中的使用要求[16-18]。

3.6 钻进过程中泥浆的性能指标

根据地层情况，钻进时需要使用的泥浆性能如表4所示。在钻进过程中，需使用泥沙分离机对抽出的泥浆进行泥沙分离，以此降低泥浆含砂率，加快泥浆循环，保证钻进速度从而确保工程质量和进度。

4 PHP泥浆对钻孔效率影响分析

地层特性和钻机的选择是影响钻进效率的决定

表4 钻机钻进过程中的泥浆性能指标

性因素。在相同的地层条件下，反循环的成孔时间仅为正循环成孔时间的30%～50%。采用反循环钻机时，PHP泥浆对钻头旋转和泵吸阻力的影响较小，因此可以提高钻进速率。通过对在不同地层中泥浆比重大小的调整，所得钻进速率如表5所示。

表5 不地层中泥浆比重下大小对钻进速率影响统计结果

根据统计数据可知，PHP泥浆比重对钻进速率影响系数约为10%。相对于普通黏土造浆而言，PHP泥浆能够提高约20%的钻进速度。

5 PHP泥浆效益分析

目前各种建筑材料市场上PHP泥浆价格明显高于普通黏土(表6)，但PHP泥浆的回收率能达到30%～40%。并且处理弃浆所用成本较低，钻进速率高，虽然在前期增加了成本，但能够提高工程质量，加快工期进度，降低总成本。

表6 PHP泥浆与普通黏土成本对比

假设桩径为1.5 m，桩长为65 m，PHP泥浆与普通黏土造浆相比较，成孔效益如表7所示。

表7 PHP泥浆与普通黏土成孔效益对比

6 砂层钻孔常见问题的原因分析及处理

6.1 塌孔

塌孔在钻孔桩施工中最为常见，在施工过程中随时可能发生,造成塌孔的主要原因包括：泥浆黏度低，护壁效果不足，出现漏水；护筒打入深度不足，周围封堵不密实导致漏水；护筒底部土层较浅,底部发生漏水，造成泥浆水头高度不足，孔壁压力减小；泥浆相对密度不达标，水头对孔壁的压力不够大；进尺过快,泥浆形成护壁速度不能满足钻进速度，导致孔壁渗水；钻进时中途出现停钻且时间较长，孔内水头未达到孔外水位或地下水位线以上2 m，导致水头对孔壁的压力不足；提升钻头或吊放钢筋笼时对孔壁产生破坏；孔内水流失导致水头高度不够；清孔后没有及时进行灌注,停滞时间过长。

预防塌孔的主要措施如下：根据地质勘探图对照不同地质情況,选用合适的泥浆比重、泥浆黏度和钻进速度；在地面上埋置护筒时，护筒周围应回填密实；在水中利用振动锤打入护筒时，必须将护筒穿过淤泥层，保证护筒焊缝严密不漏水；在汛期时加高护筒,增加水头保证水头压力相对稳定；钻孔施工过程中无特殊原因必须连续作业；提升钻头或吊放钢筋笼必须保证垂直度,不能破坏孔壁。

发生轻微塌孔时，立即增大泥浆比重,提高泥浆水头，増加水头压力。塌孔深度较浅时可加长护筒,并且将护筒周围夯实,重新开钻。若发生严重塌孔，应将钻机移开，避免钻机被埋入孔内，及时用片石或砂土回填，等回填稳定后重新开钻。

6.2 钻孔偏斜

造成钻孔偏斜的主要原因为：未对表面砂层进行换填,钻机产生不均匀沉降；水上钻孔平台不稳固；遇到孤石,导致钻头受力不均。

预防钻孔偏斜的主要措施如下：钻机就位前,对表面沙土进行换填；水上钻孔平台应严格检查验收,确保平台牢固、水平、机架稳固；保证钻机顶部滑轮槽、钻杆卡盘和桩位中心在同1条垂线上,在钻进过程中定时检查钻机移位情況,随时予以调整；定期检查钻杆，对弯曲损坏的钻杆要及时更换；若突然遇到变硬地层，应控制进尺，保持低速减压钻进。

当钻孔偏斜超标时,应回填重新钻孔。

6.3 缩孔

造成缩孔的主要原因为：地层中出现软弱层,在周围沙土压力下，向孔内挤压形成缩孔；钻头磨损严重，补焊不及时,钻出的孔径不满足设计桩径要求。

预防缩孔的主要措施为：根据地质勘探图,若有软弱层出现时，应经常扫孔；定期对钻头进行补焊,避免因钻头直径不够产生缩孔。

出现缩孔后，必须进行反复扫孔，直至达到设计桩径。

6.4 扩孔

出现扩孔主要原因是在钻进过程中钻头摆动幅度过大。在钻孔过程中应平稳进尺,减压钻进，这种方式可以有效预防扩孔的发生。若扩孔因塌落造成,可加大泥浆比重；若已严重扩孔时，应向孔内回填黏土，等到沉淀密实后再重新开钻。

6.5 卡钻

造成卡钻的主要原因为：孔内出现梅花孔或缩孔；下钻过快或钢丝绳松绳太长，使钻头倾倒卡在孔壁上；塌孔时落下的石块或掉落较大的物体将钻头卡住；出现缩孔后，补焊的钻头尺寸过大，冲击太猛,钻头被吸住。

预防卡钻的主要措施为：上下轻微提动钻头，并辅以转动；下钻时应缓慢匀速；钻头补焊时确保钻头尺寸与设计孔径配套,冲程量不宜过大,防止锤头倾倒造成卡钻。

7 结 语

在饱和液化砂层桩基施工中，使用PHP泥浆钻孔，能够避免砂性土层中泥浆失水量较大、护壁困难、排渣不彻底等问题，并具有减小泥皮厚度、降低沉渣量以及加强护壁效果等优势。由于PHP泥浆的比重比普通泥浆更小，因此可以减小对钻机的阻力，进而提高钻进速率，提高功效。

PHP泥浆循环使用效果好，回收率高，整体经济效益高于普通泥浆。而在废浆处理方面，PHP泥浆弃浆为中性，对周围自然环境影响较小，具有很高的推广价值。

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