复杂地质条件下灌注桩聚合物泥浆与膨润土泥浆应用对比研究

朱文波

中国石化天然气分公司 北京 100029

近年来随着我国基础设施建设步伐加快，旋挖钻孔灌注桩作为一种成熟的施工工艺因具有地层适应性强，成孔速率快，噪声较小，桩基承载力高等优点，在工业、民用建筑、公路、桥梁等行业得到广泛应用。

灌注桩在地下水位较高或直立性较差地层旋挖成孔时，由于钻头切削移位原位土体，造成原始地应力失去平衡，为防止孔壁坍塌，需要采用泥浆护壁。泥浆在成孔过程中主要作用为护壁、携渣、冷却、润滑钻具。工程理论和实践研究表明[1]：护壁泥浆质量的好坏将直接影响到桩端沉渣厚度和桩侧泥皮厚度，进而影响桩基承载性能。为保证泥浆护壁效果及提升项目综合经济效益，需要在桩基正式施工前，根据地层情况在现场进行泥浆试配工作，对其试验结果进行对比分析，选取成膜性好、失水量小、综合经济效益高的泥浆进行护壁。文中依托某工程，开展泥浆选型对比试验研究，以期对类似地质条件下旋挖钻孔灌注桩施工的泥浆选取提供借鉴。

1 工程概况

根据施工图设计阶段《岩土工程勘察报告》[2]和野外钻探、原位测试及室内土工试验成果，依据场地岩土的年代、成因、岩性及物理力学性质，将厂区勘探揭露深度范围内的地层划分为4 层，分别为：

（1）1 层，素填土（Q4ml）：灰褐色～褐黄色，土质不均，成份主要为黏性土，含少量砂和凝灰岩碎块，局部夹孤石，局部凝灰岩碎块集中分布，硬杂质含量≤25%。根据调查，该层属于新近回填土，后经强夯处理，均匀性差。该层在场地内普遍分布，层厚0.9～10.4m。

（2）2 层，中砂夹珊瑚礁碎块（Q4m）：以中砂为主，夹珊瑚礁碎块，局部珊瑚礁分布集中，呈层状堆积。浅灰～灰色，松散～稍密，局部中密，饱和，部分地段为粉细砂，矿物成分以石英、长石为主，分选一般。珊瑚礁主要呈灰白色，以珊瑚骨骼为主骨架，辅以其他造礁及喜礁生物的骨骼或壳体所构成的钙质堆积体，强度较高，多呈碎块状混在中砂层中，部分地段珊瑚礁成层状分布，层厚0.5～7.7m。

（3）3 层，粉质黏土（Q4al+pl）：黄褐色，局部浅灰色，无摇振反应，韧性中等，干强度中等，稍有光泽。该层在场区内局部分布，层厚0.90～5.60m。

（4）4 层，中风化凝灰岩（νQ2-3）：浅黄色为主，局部浅灰色，主要成分为火山灰和火山碎屑，火山碎屑粒径1～2mm，凝灰结构，块状构造，岩芯呈饼状、短柱状，岩体较完整，风化裂隙较多，岩块强度一般，由软岩到极软岩，岩体基本质量等级为Ⅴ级。该层在场地内普遍分布，层厚1.00～28.70m。

各土层物理力学性质指标如表1 所示。

表1 土层物理力学性质指标

2 试验方案

聚合物泥浆具有配制时间短、悬凝携渣能力强、沉淀速度快、环保等特点。膨润土泥浆具有适用性强、携渣能力突出、沉淀速度慢等特点。本次泥浆试配方案选取聚合物泥浆与膨润土泥浆,分别按照不同配比进行试配，从中分别选取最优状态泥浆进行现场施工试用，根据试用结果综合分析对比，选取综合效益较高的泥浆供本工程使用。

本次聚合物泥浆选取瀚岳聚合物泥浆粉, 为相对分子量高达2000 万以上的聚合物，进行试配，分散剂选取NaOH,采用1m3淡水进行试配,具体配比如表2 所示。

表2 聚合物泥浆配比方案

根据试配方案现场检测聚合物泥浆性能指标如表3所示。

表3 聚合物泥浆性能指标

根据本工程地层分布情况，结合上述聚合物泥浆性能指标检测结果，选取A1 配比方案进行聚合物泥浆配制，在现场选取20 根Φ600mm,桩长14m 灌注桩进行成孔试验，检验其携渣能力、沉淀速度、一定时间段内沉渣厚度，平均扩孔系数。

膨润土泥浆采用钠基膨润土，增粘剂选用生物黄原胶(XC)，分散剂采用NaOH，采用1000g 淡水进行试配,具体配比如表4 所示。根据试配方案现场检测膨润土泥浆性能指标如表5 所示。

表4 膨润土泥浆配比方案

表5 膨润土泥浆性能指标

根据本工程地层分布情况，结合上述膨润土泥浆性能指标检测结果，选取B3 配比方案进行聚合物泥浆配制，在现场选取20 根Φ600mm,桩长14m 灌注桩进行成孔试验，检验其携渣能力、沉淀速度、一定时间段内沉渣厚度，平均扩孔系数。

3 试验结果分析

3.1 不同泥浆一定时间段内沉渣厚度对比分析

根据试验方案，在旋挖成孔灌注桩钻孔完成后，在不同时间段内分别量测其沉渣厚度，经数学统计分析，具体结果如表6 所示。

表6 不同时间段沉渣厚度

根据上述实测数据结果，聚合物泥浆与膨润土泥浆对比结果表明：聚合物泥浆絮凝沉淀较快，孔底沉渣厚度在短时间内得到较大幅度增长，而膨润土泥浆悬浮作用相对较强，孔底沉渣厚度增幅相对较小，为满足《建筑桩基技术规范》[3]中关于灌注混凝土前孔底沉渣厚度要求，在施工中应采用气举反循环二次清孔施工工艺，将孔底沉渣厚度控制在5cm 以内，确保桩基承载力及沉降满足规范要求。施工中采用两种不同性质的泥浆进行对比试验，在满足相关规范要求的前提下，为提高其重复利用率，均选用黑旋风除砂器对其进行除砂净化，通过净化处理后其各项指标均满足相关规范要求，通过试验发现：聚合物泥浆的循环使用次数平均为5 次，而膨润土泥浆的循环使用次数平均为1.5 次。工程施工所产生的废弃浆液均按照甲方要求运至相关指定地点处理。

3.2 不同泥浆桩基承载力实测结果对比分析

根据现场采用不同类型泥浆进行护壁成孔的灌注桩，分别从20 根中选取3 根进行桩基竖向静载荷试验并进行对比分析，具体试验结果如表7 所示。

表7 单桩竖向承载力特征值 kN

根据实测单桩竖向极限承载力数据，对比分析结果表明：在相同施工工况下，采用聚合物泥浆进行护壁成孔与膨润土泥浆相比，单桩竖向承载力特征值提高约11%，这在工程设计中节约工程造价方面经济效益相当可观。在施工中采用除砂器对泥浆进行净化处理，处理后其各项指标均满足相关规范要求，对于聚合物泥浆护壁，在清孔彻底的情况下，与膨润土泥浆护壁相比而言，其形成的泥皮厚度相对较小，桩身侧摩阻力能够得到充分发挥，其相应的单桩竖向承载力特征值较高，而膨润土泥浆护壁，泥皮厚度相对较大，导致桩身侧摩阻力降低，进而导致单桩竖向承载力特征值降低。

3.3 综合经济效益分析

根据现场泥浆配制消耗材料实际采购价格，测算聚合物泥浆与膨润土泥浆单方成本与本工程总成本，具体结果如表8 所示。

表8 泥浆综合成本分析

本工程Φ600mm,桩长14m 灌注桩共计2000 根，由表8 数据，考虑聚合物泥浆循环使用次数为5 次，膨润土循环使用次数为1.5 次，综合测算可知本项目使用聚合物泥浆将比使用膨润土泥浆单项成本节省约64.4 万元，经济效益可观。

根据现场实测数据，采用聚合物泥浆护壁成孔平均扩孔系数为1.16，使用膨润土泥浆护壁成孔平均扩孔系数为1.25，按市场商品混凝土采购价格为520 元/ m3,综合测算可知本项目使用聚合物泥浆将比使用膨润土泥浆混凝土使用单项成本节省约37 万元。

4 结论

在本工程地质条件下，聚合物泥浆与膨润土泥浆的现场对比试验及数据分析，结果表明：

(1) 聚合物泥浆絮凝沉淀速度较快，在施工时注意应二次清孔工艺的采用，确保成桩质量；

(2) 聚合物泥浆护壁成孔与膨润土泥浆相比，其形成的泥皮厚度较小，桩身侧摩阻力能够得到充分发挥，进而有效提高单桩竖向承载力特征值，单桩竖向承载力特征值提高幅度约11%，在工程设计阶段可以适当考虑泥浆护壁类型对单桩竖向承载力特征值的影响；

(3) 聚合物泥浆与膨润土泥浆相比，聚合物泥浆单方综合成本较低，且扩孔系数较小，在类似地质条件下可通过试配选取聚合物泥浆进行护壁，节省施工成本，提高项目经济效益。