（岩土工程专业论文）湛江组亚黏土工程特性和提高钻进速度研究.pdf

摘要 摘要 “糊钻”是黏性土层钻进施工中常见的工程问题，而在湛江组亚黏土层的钻进过 程中，此类问题尤为突出。本文以湛江海湾大桥桩基钻孔施工中，遇到的工程问题为 背景，根据湛江组亚黏土的工程特性，分析了糊钻、土体切割及泥浆循环困难等工程 问题出现的原因，并通过刮刀刀片的受力分析，和不同化学性质水溶液配置的泥浆黏 度对比试验，从钻头优化设计和泥浆性能改良两个方面，研究了相应的处置措施，主 要工作包括下述内容： 1 、通过室内物理力学试验、湿化崩解试验、矿物成分试验以及水样分析试验，以 及前人的研究成果和现场地质勘察资料，探讨了湛江组亚黏土的形成过程和工程特性。 2 、根据岩石和土层钻孔特点，在现有岩石可钻性评价方法的基础上，提出了黏性 土层钻进可钻性评价体系，并对湛江组亚黏土进行了可钻性评价。 3 、根据湛江组亚黏土工程特性和可钻性评价结论，分析了湛江海湾大桥桩基钻孔 施工中工程问题出现的原因，并探讨了处置措施。 4 、通过刮刀刀片的受力状态以及磨损过程的能量分析，推导出了刀片入土深度函 数，并分析了在一定土层性质和钻机动力系统条件下，刀片几何参数( 前角占、后角y ) 对刀片切入深度的影响。 5 、分析了刀片几何参数对钻进功率的影响，并以刀片入土深度最大和钻进功率最 小为目的，对刮刀刀片的几何参数进行了优化。 6 、通过泥浆黏度试验，分析了水溶液中钠离子和p h 值对泥浆黏度的影响，并用 多元线性回归方法拟合了黏度与钠离子浓度、p h 值的关系，通过数学方法得到了满足 规范要求的钠离子浓度、p h 值的取值区域。 7 、通过模拟泥浆对土体的侵蚀，分析了钠离子、p h 值对土体强度的影响，并结合 钠离子、p h 值对泥浆黏度的作用，探讨了泥浆处理剂的配置原则。 关键词：钻孔灌注桩、钻孔、糊钻、刮刀钻头、泥浆、湛江组亚黏土 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 随着近代科学技术的发展，桩的种类和桩基形式、施工工艺和设备以及桩基理论 设计方法等都有了很大的发展，桩基已成为土质不良地区修建各种建筑物所采用的最 广泛的基础形式，而且桩基的结构类型越来越趋于多样化。目前，钻孔灌注桩是桩基 础工程中应用最广泛、发展最迅速的施工形式之一川，广泛的应用于高层建筑、重型厂 房、桥梁、码头和具有特殊要求的建筑物等。 钻孑l 灌注桩具有以下优点1 2 j ： ( 1 ) 施工过程，无大的噪声和振动； ( 2 ) 可根据土层分布情况任意改变桩长，以适应持力层高低不同的变化； ( 3 ) 可根据建筑物的荷载分布与土层情况采取不同桩径； ( 4 ) 对于承受横向荷载的桩，可设计成有利于提高承载力的异型桩，还可以设计 成变截面桩，即在受弯矩较大的部位采取较大的断面； ( 5 ) 可穿过各种软、硬夹层，将桩端置于坚硬土层或嵌入基岩，还可扩大桩底以 充分发挥桩身强度和持力层的承载力； ( 6 ) 施工设备比较简单、轻便，可用简单的设备施工出较大的单桩承载力的桩。 ( 7 ) 桩身配筋可根据荷载大小与性质特征以及土层的变化情况配置，其配筋率远 低于预制桩。j 下是由于钻孔灌注桩具有技术、经济以及施工对周边环境少污染等方面 的优点，在工程实践中得到了广泛的应用。 在钻孔灌注桩的施工中，钻孔是最关键的工序1 3 】，其质量若控制的不好，则可能发 生塌孔、缩径、桩孔偏斜及桩端达不到设计持力层要求等，还将直接影响桩身质量和 造成桩承载力下降。而在钻孔环节中，黏性土层的钻进是工程中的一大难题，因为黏 性土层钻进施工中会出现“糊钻”等一系列与泥浆稳定性相关的工程问题，并且其处 置措施错综复杂，仅仅增大功率、提高成本无法解决。可以说，“糊钻 已经成为黏性 土层钻进施工中的“顽症”，令工程界头疼不己。 据调查，湛江组亚黏土层的钻进糊钻现象尤其突出，引起了工程界的广泛关注， 以下介绍湛江海湾大桥桩基钻孔施工情况： 湛江海湾大桥起于湛江市坡头区，于平乐渡口卜游1 3 l ( i i l 处跨越麻斜海湾，终于 湛江市开发区乐山大道，全长3 9 8 1 m ，主桥为双塔双索面混合梁斜拉桥，火炬形主塔 结构新颖美观，构成湛江市的标志性- t 程。湛江海湾大桥的建成对加强粤西地区与珠 河海大学硕士论文 江三角洲地区的经济联系，改善城市规划和促进周边经济发展等都具有重要意义。湛 江海湾大桥的图片，如图1 1 所示。湛江海湾大桥的位置，如图1 2 所示。 图1 1 湛江海湾大桥 采用桩基础施工的湛江海湾大桥，共涉及各类桩6 0 3 根，桩径从1 5 m 2 9 m 不等， 桩身最长达1 0 4 m ，钻孔施_ 根据桩径不同，采用了k p 3 5 0 0 、k p 3 0 0 0 、q j 2 5 0 1 、s 5 0 0 四种规格的钻机，为刮刀钻头，桩基护筒施工，反循环回转钻进。前期的试钻过程中 发现，桩基地层中的湛汀亚黏上上质较纯，具有极强的黏性，是极好的造浆料，可以 替代常规的造浆材料，如黄泥、膨润土等。但在该地层钻进时，泥浆浓度卜升很快， 增加钻头刮土阻力，主要遇到以下几个r 程j 、u j 题： 土体切割困难和钻进缓慢，最慢时一个台班进尺仅为5 c m ； 出现“糊钻”现象，如图1 3 所示，从而导致钻进过程需要频繁提钻、清理； 排渣口堵塞等泥浆循环困难； 钻头、刮刀磨损严重，需要时常更换钻头。 上述工程问题的出现，阻碍了工程进度，加大了施工难度，增加了工程成本。 图1 3 施工现场“糊钻”的钻头 1 2 研究目的和意义 近年来，随着大规模城市建设和各项基础设施建设的迅速发展，建筑物密集程度 空 猗增加，政府环保意识增强，施工对周围环境的不利影n 向受到了越来越严格的限制， 第一章绪论 在此背景下，钻孔灌注桩以其应用方便、适应性强、环境影响小、成本较为低廉的特 点而被广泛使用。但在钻孔灌注桩钻孔，尤其是黏性土层钻孔施工过程中，糊钻、泥 浆循环困难等一系列与水一土作用相关的施工困难十分普遍，由此带来的工程问题时有 发生。因此，开展相关钻进困难原因分析以及处置措施的研究，是目前工程界亟需解 决的问题。本文基于黏性土的工程特性，分析钻进困难产生的原因，显然具有重要的 理论指导意义，而通过钻头的优化和泥浆性能改良开展处置措施的研究具有显著的应 用价值。 1 3 研究现状 1 3 1 湛江组亚黏土基本特性研究现状 湛江组的概念，是李树勋【5 j1 9 5 4 年在广东雷州半岛湛江市附近进行地质调查时提 出来的，广泛分布于整个雷州半岛和海南岛北部【6 j ，主要出露在滨海和沟谷被切割处， 地表分布广泛而零散。湛江组在雷州半岛区域见于湛江市的平乐、平岭、赤坎、东海 岛的龟头、坑里和龙安；西北部见于遂溪县的江洪、草潭等一带的滨海和河谷地带； 中部分布于海康县的唐家、洪客、石坑、望楼、洋家、那双、南兴、龙门、东平、遂 溪县的城月等地；南部见于徐闻 县的尖山，田头、迈陈、官田、 那楼、和家、前山、田寨等，分 布面积约5 4 6 k m 2 ，湛江组在海南 岛主要分布在海口市、琼山县、 定安县、澹县、临高和文昌等地。 加上雷州半岛的5 4 6k m 2 总计可 达2 0 0 0l ( i l l 2 。湛江组的地理分布， 如图1 4 所示。 纵观湛江组的研究，大致可 分为发现阶段、力学性质揭示阶 段、和工程性质研究阶段。 第一阶段，从湛江组基本土 类的定义即1 9 5 4 年到8 0 年代， 张治平等【7 叫人建立了湛江组的 基本框架，主要包括：分布、地 质成因、形成年代、土层划分等。 歪趸蒋墩锵巍 豳蔚扮邈赣辫翦i 向褥 圃穗骺孵火国鹚 圆跪鬻三纪盏墟 囱新襁选瞬旋与墟爨蛀酾裂嘲霸绚溉彘麓瞄覆耥糖瓮者 图1 4 湛江组的地理分布图 第二阶段，进入8 0 年代，随着试验手段的提高，对湛江亚黏土的研究转向于力学 性质揭示的研究，主要集中于湛江土体结构性的形成机理，以及结构性对其力学性质 产生影响的研究两个方面。 3 河海大学硕士论文 孔令伟等【l o 】对湛江地区区域性土的地质演变过程作了细致的研究和总结，表明湛 江地区经历红土化和红土退化不完全等演变，游离态氧化物以凝胶状大量的富存予孔 隙液中，使得湛江组黏性土胶结作用较强，而这种强胶结正是结构性的物质基础。 谭罗荣】通过研究得出由于土体组构之间存在物理化学联结力使得湛江组黏性土 具有孔隙性小、无侧限抗压强度高、压缩性小，并有中等灵敏度等特殊工程地质性质。 文献【1 2 】分析了湛江组黏土联结力与孔隙水溶液中酸碱度相关性，表明当p h 值超 过7 2 时，这种联结力作用消失。 罗鸿禧、陈守义、李作勤和张诚厚等学者【b 15 】对湛江黏土的微观结构、物质组成 和物理化学特征等研究取得了较大的进展，发现湛江黏土不良的物理性质与良好的力 学特性指标的矛盾，是由于土体亚稳念的絮凝结构以及颗粒间很强的胶结作用所致。 拓勇飞【l6 】对湛江黏土的结构性在各室内土工试验中进行了验证，最后把双重介质 模型引入到湛江结构性黏土的计算。 蔡羽【1 7 】研究了剪切应变速率对湛江黏土力学性质的影响，并通过蠕变试验，研究 了湛江组黏土结构强度的时间响应。 第三阶段，近年来，随着雷州半岛地区经济的快速发展，公路交通以及民用建筑 的大量兴建，对湛江黏土的工程性质的认识进一步加深。 陈书荣等人【1 8 】认为湛江灰色黏土不同于一般软土，具有较好的力学性质，可以作 为低层建筑的浅基础持力层。 吴卫华等【1 9 2 1 】基于工程经验，对湛江组亚黏土地基承载力、稳定性和膨胀性等方 面进行了总结，得出其具有强度高、高灵敏度和不均匀性的工程特性。 1 3 2 钻孔困难研究现状 钻孔灌注桩技术于2 0 世纪4 0 年代首先在美国出现【2 2 】，自1 9 6 3 年在我国河南安 阳宿桥首次成功使用以来，钻孔灌注桩得到了快速发展，然而与此相关的工程问题也 越来越多，引起了广大工程界广泛的关注。从文献资料来看，针对钻进困难的研究主 要集中在泥浆性能改良和刮刀钻头优化研究两个方面。 ( 1 ) 泥浆性能优化的研究 泥浆在石油工业中得到广泛应用和深入研究，并已经发展了多种形式的泥浆，主 要有：水基泥浆、油基泥浆以及满足各种条件需要的复合泥浆1 2 m 引。相对而言，由于 工程中对泥浆性能要求偏低，因此对泥浆的研究浅显的多，一般利用石油钻探工程中 已有的成熟工艺。近年来，随着钻孔灌注桩的广泛应用，对泥浆性能以及改良的研究 不断深入，熊茂平等【2 6 】归纳了泥浆的性能和作用，结合工程实例讨论了泥浆密度、酸 碱度、失水量等指标与泥皮的关系，以及上述指标对钻孔效率、钻孔质量的影响，根 据所引工程给出了优质泥浆的建议配方并通过其它工程进行验证。 毛志坚等【2 7 2 8 】针对在桩孔钻进过程中会遇到缺乏淡水、泥浆不能很好护壁甚至塌 4 第一章绪论 孔等诸多问题，向海水中加入适当泥浆添加剂造浆，通过泥浆性能指标的试验对比， 配置出能满足钻进工艺要求并且具有经济效益和低污染的海水泥浆，并分析总结出海 水造浆技术。 陈济判2 9 1 针对钙基累托石黏土造浆性能差、动切力太低、钠化改性后有重新钙基 化倾向、性能不稳定、分散性差、易沉降分层等问题，采用复合改性剂对钙基累托石 进行钠化改性，克服了上述缺点，钠化累托石造浆性能明显提高，同时探讨了钠化累 托石钙基化及复合改性增强机理。 肖伯强【3 0 】针对某横跨京杭大运河的双塔双索特大斜拉桥主桥墩钻进施工中，出现 的糊钻问题，用黏土、纯碱和p h p 聚丙烯酞胺按一定比例在护筒内用钻机造浆，取得 了很好的泥浆性能；对老黏土层中出现的糊钻现象，通过向每根桩孔添加洗衣粉1 0 0 0 虹 作试验，试验表明，此法对克服糊钻和加快进度有一定作用但不是很明显，考虑到添 加洗衣粉易使泥浆的p h 值增大，泥皮易裂解造钻孔带容易坍塌，后续施工中停用。杨 明龙1 3 1 j ，针对瑞安飞云江三桥钻孔施工中遇到的糊钻等钻进困难，通过改进钻进工艺 取得了较好的工程效果。 ( 2 ) 回转钻机钻头优化研究 刮刀钻头作为与回转钻机配套使用的钻具，在大口径桩钻孔中应用广泛。它尤其 适用于松软、松散砂土层、砂砾石层、软基岩和风化基岩，在反循环回转钻进中具有 较高的下作效率。尽管刮刀钻头优化目前还没有一套完整的体系和规范，但在工作实 践中，广大岩土工作者针对钻进施工中出现的工程问题，就刮刀刀片的改进总结了大 量的经验。 刘志掣3 2 】通过调整刀片角度和钻进工艺等方面对湛江海湾大桥黏性土层钻进施工 中出现的钻进困难问题进行了试验研究，试验结果表明削角采用5 0 0 、后角采用2 0 0 比 较合适；要选用转速快、扭矩大的钻机，可以减少糊钻，提高钻进速度。 韦然【3 3 】针对洞庭湖区黏土层钻进过程中遇到的糊钻现象，通过将原来四块翼板制 作两阶梯并顺时针倾斜l o o 1 5 0 使之形成螺旋状，同时将前导翼板加大与翼板错开一定 角度焊接原来大八角柱状硬质合金换用一字钎头，收到了处置糊钻现象的很好效果。 王志科3 4 】针对直板式刮刀钻头钻进黏土层过程中出现的裹钻现象，介绍了斜板式 刮刀钻头，并用钎头代替翼板上的合金钢( 如图1 5 所示) ，最后得出，通过该改进刮 刀钻头的钻进效率增加了1 5 2 0 倍。 河海大学硕士论文 图1 6 本文技术路线图 8 第二章湛江组黏土的工程特性 第二章湛江组亚黏土的工程特性 2 1 引言 认识和改造自然世界是人类社会发展进步的两个相辅相成的步骤，而认识世界是 改造世界的前提条件。湛江海湾大桥桩基钻孔工程问题的出现，从表象上看，是对湛 江组亚黏土层可钻性评价产生了偏差，但实质是对湛江亚黏土的工程特性的认识的不 足。湛江亚黏土的工程性质是可钻性评价的物质基础，只有全面系统的掌握湛江组亚 黏土的工程特性，才能对其土层的可钻性进行科学评价，进而合理的选择钻进方法、 钻头类型和结构及钻进规程参数等【3 6 j 。据此，全面系统的掌握湛江黏土的基本力学特 性，并根据其工程特性对湛江亚黏土土层的可钻性进行科学评价，进而对工程问题出 现的原因分析，是处置的关键。 本章通过室内物理力学试验、湿化崩解试验、矿物成分分析试验以及水样分析试 验，以及现有的研究成果和现场资料，探讨了湛江组亚黏土的成土过程和工程特性。 比较了岩石和土层钻进的特点，在现有岩石可钻性评价的基础上，提出了黏性土层钻 进可钻性评价体系，并对湛江组亚黏土进行了可钻性评价。最后，分析了湛江海湾大 桥桩基钻孔施工中工程问题出现的原因，并探讨了处置措施。 本章主要技术路线，如图2 1 所示。 图2 1 主要技术路线 9 河海大学硕士学位论文 2 2 湛江组亚黏土的形成过程 天然土体是地质历史的产物，留有大量地质作用的印记，因而土层的性质复杂且 具有很大的不确定性特征，这也是土层性质具有区域性的本质原因。如果脱离土体的 历史形成过程而研究某一区域性土的工程特性，是形而上学的。因此，有必要对湛江 组的形成过程过程进行研究。 2 2 1 湛江组的形成过程 从1 9 5 4 年李树勋建立湛江组以来，对湛江组的沉积模式及形成过程的争议一直不 断，湛江组究竟为海积、冲积还是湖积，目前尚无同一定论1 3 。上世纪8 0 年代以来， 诸多地质学者通过各种理论和测试研究方法，认为湛江组是第四纪早更新世以陆相沉 积为主的河控三角洲相沉积层，但在海滨前缘地带可能有潮控或三角洲相的成分脚j 。 文献【3 9 】认为早更新世早期，太平洋板块的俯冲作用有所加强，中国东南沿海地壳抬升， 再加上极地冰盖扩大引起的全球冰川型海退的发生，雷琼沉降带相对上升，该南部、 北部沉积了海路交互相湛江组的中、下部。早更新世晚期，全球气候进一步变冷，海 平面进一步降低，区内以陆相为主的海路交互环境中部雷南发展，后期海水退出，形 成湛江组上部土层。文献【4 0 】认为在更早新世时期，海侵退出陆地后，有一个短时期的 停顿，接受风化剥蚀作用，之后又发生海侵，进入全新世时期，雷州半岛地区的古地 理环境伴随着地壳运动不断向前发展，不断改变。下全新统时期，以陆相堆积为主， 到下全新统的后期，地壳下降，逐渐接受海侵。笔者在这些大量已有文献的基础上， 结合现场勘察报告揭示的土层特征分析，总结了湛江组经历的形成历史。 湛江组形成于早更新世晚期( 距今1 6 0 7 0 万年) ，漫漫长河的历史过程大致可以 分为三个阶段。 第一阶段，沉积物的囤积。涓涓细流终归海，各路载满陆源细屑物的水流在经由 湛江海湾注入海域水体时，由于湛江海湾特殊的封闭型地理环境，水动力条件迅速降 低，大量细屑沉积，并且沉积物的粒度在入海口成扇状分布。 第二阶段，红土化过程。湛江地区一直属于亚热带，在该地区干热和湿热交替、 以热为主的气候环境条件下，沉积物不断发生脱盐基、脱硅和富集铁、铝的红土化过 程。随后，由于造陆构造运动，地壳抬升，胶体氧化铁、氧化铝在风化和干热条件下 浓缩、脱水、陈化，转变为微晶态或晶态氧化铁，即为红土化作用的陈化晶态阶段。 第三阶段，红土退化过程。随着地球板块的运动，雷琼断陷层使该地区再度下降， 湛江组重返封闭的浅水海湾，温湿的还原环境使得湛江组发生活化，部分转变为胶态 氧化物铁，三价铁还原为二价铁，随地下水的淋溶作用而脱铁，发生红土退化的过程。 当然，环境对湛江组的地质雕塑作用仍在继续。湛江组的形成过程，如图2 2 所示。 l o 河海大学硕士学位论文 本文室内试验按照土工试验方法标准( g b t5 0 1 2 3 1 9 9 9 ) 执行，土样为扰动样， 取样深度2 5 3 0 m 。 2 3 1 物理力学试验 通过物理力学试验，测得试验结果，见表2 1 和表2 2 。级配盐线，如图2 4 所示。 表2 1 湛江亚黏土物理性质指标 表2 2 粒度分析结果 l 1 ，一、 葶 、_ 删 缸 求 舡 一一 、 1 o 1o 0 1o 0 0 l 土颗粒粒径( 唧) 图2 4 级配曲线 根据试验结果，可以看到以下几点结论： ( 1 ) 依照我国土工规程【4 2 】中对黏粒的定义，直径小于o 0 0 5 m m 的颗粒即为黏粒， 本次试验结果表明，湛江亚黏土黏粒含量近5 0 ，粉粒( o 0 5 m m ) 含量为2 6 ； ( 2 ) 湛江组亚黏土比重为2 7 4 ，比重较大。文献【4 3 1 给出了黏性土的比重与黏粒含 量存在一定对应关系，见表2 3 。 表2 3 黏粒含量与比重的关系1 4 3 l 1 2 第二章湛江组亚黏土的工程特性 根据表2 3 可以得到，湛江组亚黏土比重较一般黏性土大。 ( 3 ) 试验得到，湛江组亚黏土的孔隙比e = o 5 2 ，压缩性口。= 0 1 2 3 。依据现行建 筑地基基础设计规范( g b5 0 0 0 7 2 0 0 2 ) 的规定： 当口。 0 1m p a - 1 时 属低压缩性土 当0 1 m p a - 1 口。 0 5m p a - 1 时属高压缩性土 可以判定，该土属中等压缩性土( 压缩系数值为0 1m p a - 1 o 5m p a - 1 ) 。 基于上述室内试验数据，作以下分析： ( 1 ) 较高含量的细小颗粒，表明土体工程性质方面具有孔隙率小、压缩性小、渗 透性小的特性，水敏性质方面具有黏性较大的可能。根据双电层理论分析，不管是黏 粒还是粉粒对黏性土的性质都是起着决定性的影响，由于颗粒极细，具有巨大的比表 面积和带电性，在水溶液中发生复杂的物理化学变化，在不考虑水溶液性质和矿物成 分的前提下，颗粒越细，带电量高，颗粒间结合水膜越厚，黏性越大，土颗粒之间的 黏结越强，土的凝聚力越大，土体具有越高的抗剪强度。 ( 2 ) 从钻进施工考虑，比重与钻进效率存在一定的制约关系，如图2 5 所示。泥 浆的相对密度取决于泥浆中固相的含量和固相的相对密度。在固相含量一定的情况下， 黏性土颗粒比重大，泥浆的相对密度增大，从而影响到机械钻进速度。这两点表明， 湛江组亚黏土本身的性质决定了其钻进过程较一般亚黏土层复杂、困难。 图2 5 比重与钻进效率的制约关系 2 3 2 强度试验 通过土体强度试验测得的各试验结果，见表2 4 。 表2 4 湛江亚黏土力学性质指标 根据试验结果，可以得到以下几点： ( 1 ) 湛江组亚黏土的c 值为6 0 1 0 0 k p a 之间，摩擦角在1 8 0 2 5 0 之间；统计有关 资料比较得到的结果，见表2 5 。 表2 5 湛江组( 亚) 黏土与一般( 亚) 黏土、岩体的强度指标对比 河海大学硕士学位论文 从表中可以看到，湛江组亚黏土的c 值较一般地区亚黏土要高出2 3 倍，摩擦角大 致相同。 ( 2 ) 据现行建筑地基基础设计规范( g b5 0 0 0 7 2 0 0 2 ) 土灵敏度的划分，见表 2 6 ，湛江组亚黏土为中灵敏度黏土。 表2 6 土灵敏度的划分 根据试验结果，作以下分析： ( 1 ) 抗剪强度高，湛江组亚黏土的c 值较一般地区亚黏土要高出2 3 倍，而摩擦 角大致相同，表明湛江组亚黏土的高强度主要集中在黏聚力上。从土质学l 4 4 】来看，土 粒间的胶结是强度的物质基础，而对于土粒间的胶结主要表现在两个方面。首先，颗 粒之间由于水膜作用产生的联结产生的原始胶结力；另外，颗粒问胶结物导致的颗粒 胶结。这两部分对湛江组亚黏土高强度的贡献基本相同，但相比较于其他地区亚黏土， 湛江组亚黏土的强度主要体现在颗粒间胶结物对颗粒胶结而产生的力学效应。要合理 解释其中的缘由可以从地质成因讲起，上述提到湛江组与红土形成过程有着很多相似 点，经历了红土化和红土退化两个过程，沉积物红土化过程中不断脱硅、富铁，并生 成次生矿物和大量游离氧化物，主要是游离氧化铁和氧化铝，这些游离氧化氧化物主 要有分布于颗粒表面和呈凝胶悬浮于孔隙液中两种存在形式，此时，该土层强度还没 有得到加强，随着红土化作用到陈晶阶段，悬浮于孔隙液中的氧化铁和氧化铝各种因 素作用下转变为微晶态和晶态时，极大的增大了土颗粒之间的黏结力，尽管在随后的 红土退化过程中部分晶态氧化物转变为胶态，强度有所损失，总的来说，湛江组强度 要高于一般亚黏土。 ( 2 ) 灵敏系数s ，= 3 5 2 ，表明湛江组亚黏土具有较强的结构特性。上述通过对湛 江组亚黏土强度来源的分析，以及强度与其他地区亚黏土强度的比较，可以看到，颗 粒间通过胶结物产生的强度占土体强度权重很高，这部分强度即所谓的结构强度，在 荷载、震动、水等外部因素的作用下容易发生变化，直至破坏消失。因此，在工程中 可以根据需要对结构强度加以利用或者预先消除，即当需要利用这种强度时应该尽可 能多的保护结构不受扰动，当不需要时可以事先加以破坏。 2 3 3 水理性试验 根据界限含水率试验测得，湛江亚黏土的液性指数为一0 1 2 ；塑性指数厶= 1 2 3 ，在 亚黏土1 0 1 7 范围之内，该指数验证了对湛江组亚黏土的分类。依据现行建筑地 基基础设计规范( g b5 0 0 0 7 2 0 0 2 ) 对黏性土状态的划分，见表2 7 。 1 4 第二章湛江组亚黏土的工程特性 表2 7 黏性土状态的划分 从表2 8 可以看出，湛江亚黏土所处于状态要硬于周边地区同类土层。 根据试验结果，分析可得：湛江组亚黏土层处于坚硬状态，印证了其经历的久远 历史沉积过程，土层一般表现为老黏土的性质，即土质较硬、强度较高而土体致密。 从塑性指数来看，塑性指数与颗粒分析所得黏粒的含量相矛盾，通常情况下，当黏粒 含量达到4 0 ，土一般表现出黏土的性质。这两个指标之间的矛盾，可以从矿物成分 上得到解释，矿物中含有较高含量的非黏土矿物，尽管其磨碎粒径小于2 岬，它们与 水搅拌后，仍不显示塑性特征，这表明湛江组亚黏土具有黏性土的性质同时还具有砂 性土较高研磨性的特性。 2 4 湿化试验( 分散性试验) 浸水后，土体孔隙水压力增大，土体中有效应力减小，土体发生膨胀，使其内部 产生不均匀的应力分布，再加之胶体矿物质遇水溶解，导致土体结构逐渐破坏，并崩 解成形式不一的小块，这种现象称为土 x 河海大学硕士学位论文 l 、浮筒 2 、水槽 3 、网架 4 、试样 卜一5 锄一 图2 6 湿化仪式意图 2 4 2 操作步骤 湿化试验具体的操作步骤如下： ( 1 ) 取原状土和扰动土以及佛山地区亚黏土扰动样制备土样，用切土刀切成边长 为5 c m 5 c m 立方体试样； ( 2 ) 按规程测定试样含水率及密度； ( 3 ) 将试样放在网板中央，网板挂在浮筒下，然后手持浮筒颈端，迅速将试样放 入水中，开动秒表； ( 4 ) 立即记录测计开始时浮筒齐水面处刻度的瞬间稳定读数及开始时间； ( 5 ) 在试验开始后按1 m i n ，3 m i n ，6 m i n ，1 0 m i n ，3 0 m i n ，6 0 m i n ，9 0 m i n ， 1 2 0 m i n ，1 5 0 m i n ，1 8 0m i n ，测记浮筒齐水面处的刻度读数，并描述该时刻试样的 崩解情况，根据试样崩解的快慢，可适当缩短或增长测读的时间问隔。 2 4 3 试验结果分析 文中崩解量计算，按照式( 2 1 ) ，即 么：墨二鱼1 0 0 ( 2 1 ) 1 0 0 一r o 式中，么一时间，时的崩解量( ) ； r ，一分别为，时的浮筒读数和开始时的浮筒读数。 根据式( 2 1 ) ，计算得到崩解量与时间的关系，其关系曲线，如图2 7 所示。 1 6 河海大学硕士学位论文 行了x 衍射试验和水样分析试验。 2 5 1 矿物成分分析 土的矿物组成主要指土中的黏土矿物及伴存矿物类型和数量，它们是土中物理化 学性质活跃的物质基础。对岩土工程，土的工程性质最终落实到矿物成分上。目前，x 射线衍射分析是研究矿物晶格构造、鉴定矿物的主要手段。本试验采用瑞士a r l 公司 的x7 t r a 射线衍射仪。 湛江亚黏土x 射线衍射试验分析结果，见表2 9 。 表2 9x 射线衍射分析结果 根据黏土矿物类型和含量分析结果，可以得到，湛江亚黏土中尤为突出的一点是 石英含量很高，试样2 为2 1 9 ，而试样l 更是达近5 0 ；除石英之外矿物中主要成 分为高岭石。 根据矿物成分试验结果，作以下分析： ( 1 ) 文献i 4 5 j 指出红黏土矿物主要为高岭石、伊利石，并以石英组成骨架，根据 试验结果判断，湛江组亚黏土在矿物成分上与红黏土具有很大的相似点。结合第一节 中从土层形成过程与红黏土的相似性，就从原因和表现两个方面指出湛江组亚黏土和 红黏土的相似性，所以湛江组亚黏土具有红黏土类似的工程特性。 ( 2 ) 矿物成分中富含石英，表明湛江组亚黏土具有砂性土的高研磨性特征。因此， 不难理解钻进过程中钻头的磨损较严重。另外，石英对造浆没有贡献【4 6 。，从而加大了 泥浆中无用固相含量，从而进一步加剧了切削刀片的磨损，降低了泥浆的流动性。 ( 3 ) 高岭石水膜薄，电动电位低，电性斥力小、分散性差，因而易絮凝；并且， 高岭石带有大量的可变电荷，这种可变电荷在酸性环境中呈正电性，而在碱性环境中 呈负电性，因此，受水环境影响较大。矿物成分中高岭石的富含，表明湛江组亚黏土 造浆性状与水溶液性质关系很大，且容易产生泥浆黏度大、流动性差的困难。 2 5 2 水样分析 本试验依据j y t 0 1 5 1 9 9 6 感藕等离子体原子发射光谱方法通则，采用j a l l 0 0 型 电感藕合等离子直读光谱仪。水样取自湛江海湾大桥造浆用水。水样分析结果，见表 2 】0 。 表2 1 0 水样分析结果( 单位：l lg 札) 第二章湛江组亚黏土的工程特性 2 6 2 岩石与土层可钻性评价的区别 分析上节岩石可钻性评价体系，不难发现这种分类方法基本上不适用于土层，就 土体而言，抗压强度这一指标本身就不适用。如果根据土体是由于剪切破坏，而用抗 剪强度代替抗压强度，那么土体的抗压强度远远低于岩石可钻性分级中强度的最低级 别，得出的结论是土层就不存在可钻性的问题，但是实践中我们却遇到了钻进的工程 问题，且这种问题有别于岩石钻进中遇到的问题。因此可以看出目前的可钻性评价体 系不能满足土层钻进需要，所以开展土层可钻性的相关研究，重新制定出相关的评判 体系，是十分必要的。 岩石可钻性表示钻进过程中岩石破碎的难易程度，因此，岩石可钻性的评价指标 体系中强度指标占主导地位。对于土层而言，尽管钻头强度本身钻进一般不存在强度 问题，但要考虑土体剥离后土的工程性质对进一步钻进和泥浆循环的影响，特别是具 有特殊工程性质的土层，而这种影响是复杂而难以量化的。因此，相对于岩石可钻性 评价中能够量化的指标，土层的可钻性评价体系更加复杂。这也是一直以来，还没有 相关土层可钻性评定的标准和规范的原因之一。 2 6 3 黏性土层可钻性评价体系 从某种意义上讲，土层可钻性的评估主要对象是破土后对施工的影响，因此，在 评价体系中强度指标的地位必须弱化，笔者认为黏性土层的可钻性评定体系应该根据 出现问题造成的影响以及处理起来的难易程度建立其中指标的权重。对黏性土层钻进 而言，通常遇到的工程问题【1 5 2 0 】主要有三个：泥浆的性状不满足施工要求；钻头 磨损严重；土体难以切割。 泥浆性状不满足要求有两种表现形式：泥浆黏度过大，泥浆系统循环困难，容 易糊钻，该问题较常见；钻进破土后形成的泥浆黏度太小，出现塌孔等工程问题， 需要配置泥浆进行护壁。土体黏性大导致的“裹钻”，甚至“糊钻”现象的后果很严重， 影响到泥浆的循环，增大钻机的负荷，降低切削刀具的有效切割。其处理过程也是一 个庞大的系统工程，不仅要经济层面而且需要有强大的技术支持，简单的改进某一个 方面是无法得到完善解决的。钻头和切削刀具的磨损严重，必须要频繁的更换钻头， 影响施工造成的工程进度，后果较严重。但其处理措施却相对简单，可以通过提高钻 头的技术指标解决，并且可以事先预防，当然成本相应提高。土体难以切割可以通过 加大钻进功率而得到处置。 从以上的分析中可以看到，土与水溶液形成的泥浆黏度是影响土层钻进施工最为 关键的环节，其次是土体的研磨性，再是强度。据此，土层可钻性评价体系中应该按 照黏度、土层的研磨性、强度三个指标分先后依次进行。 2 6 4 湛江组亚黏土可钻性评价 以下对湛江组亚黏土的可钻性进行评价。 2 l 河海大学硕士学位论文 ( 1 ) 从泥浆的黏度来看 泥浆是水一土分散系的综合性质，就湛江组亚黏土土颗粒本身而言，从矿物成分分 析看到，高岭石的富含使得土体容易絮凝，黏度较大；从水溶液的性质看，呈弱酸性， 在酸性环境下，高岭石絮凝程度增加，进一步提高了泥浆的黏度，降低了其流动性。 据此，表明湛江组亚年土层的可钻性较差。 ( 2 ) 从研磨性来看 土体的研磨性可以用土体的综合研磨系数h 9 】表示，可由式( 2 3 ) 求得，即 v ：三一 ( 2 3 ) 户互甄 眩3 ) y 1y 2y n 式中，y 。一第一种矿物成分的研磨系数； 五一第一种矿物成分的百分含量； y ，一第二种矿物成分的研磨系数； 矗一第二种矿物成分的百分含量 y 。一第，z 种矿物成分的研磨系数( 据表2 1 5 取值) ； x 。一第”种矿物成分的百分含量。 表2 1 5 矿物成分的研磨系数确定 矿物成分分析试验结果表明，湛江亚黏土矿物成分中摩氏硬度高的石英含量较高， 因此其综合研磨系数必定较高，表明湛江组亚黏土钻进过程中土层对钻具的磨损较严 重，可钻性较差。 ( 3 ) 从土体强度来看 目前还没有适合于土体强度的评判标准，只能与其他土层的强度横向进行比较， 从湛江组亚黏土的力学指标可以看到，相对与其他土层其黏聚力较高。由此表明，湛 江组亚黏土可钻性较差。 综合上述分析，不难看出湛江组亚黏土不但具有软岩的高强度力学性质，还具备 砂性土的高研磨特性，因此湛江组亚黏土的可钻性差。 2 7 原因分析与处置措施的探讨 前面从成土过程、工程特性以及可钻性评价三个方面，对湛江组亚黏土开展了相关 研究。本节在此基础上，具体分析原因并讨论处置措施。 2 7 1 原因分析 ( 1 ) 土体切割困难 第二章湛江组亚黏土的工程特性 影响土体切割困难的因素可以分为：“不变 的因素和“变 的因素。“不变”的 因素是土体本身性质，即土质硬、抗剪强度高、土体密实；“变 的因素是在钻进过程 中由于刀片磨损严重以及“糊钻”造成的刀片不能有效切割产生的。 ( 2 ) 切削刀片磨损严重 刀片主要在两个环节磨损，切割土体过程和泥浆循环过程。首先，在切削过程中 土颗粒矿物成分中含有大量的原生矿物石英，由于石英极高的研磨系数，导致切削刀 具磨损严重；另外，刀片在泥浆中旋转过程中，由于石英的富含使得泥浆无用固相的 增加，从而加重了泥浆对切削刀片的磨损。 ( 3 ) “糊钻”现象的产生 土颗粒中高岭石含量高，而造浆水溶液中盐含量很高、电解质浓度大、p h 值小， 使得剥落土体分散性较差，容易凝沉，不能及时携带而在孔底堆积，导致泥块吸附于 刀片上。 ( 4 ) 泥浆循环困难 泥浆循环困难原因主要有三个方面：特殊的水文环境使得湛江组亚黏土形成的 泥浆黏度大、流动性能差；由于土体中石英含量大导致泥浆中无用固相增多，减小 了泥浆流动性；由于“糊钻”现象的出现，土体堵塞了出水口，进一步恶化了泥浆 的循环困难。 综合以上分析可以看到，湛江组亚黏土层钻进施工中出现的工程问题是土层工程 特性的反应，且都是相互影响，彼此制约，所以只要找到切入点，从根本上解决钻进 困难是可能的。 2 7 2 处置措施探讨 为了找到处置该工程问题的关键切入点，基于上节对湛江组亚黏土层钻进困难原 因的分析，对钻进困难进行整体描述，描述如下。 特殊的成土过程造成湛江组亚黏土具有很强的胶结特征和较高的石英含量，导致 土体具有较高的抗剪强度和研磨系数，从而引起钻机钻进过程最初的切割土体困难、 钻进速度缓慢、钻头磨损严重。 随着钻进施工的进行，土体不断剥落，但由于特殊的水文环境( 地下水中盐含量 很高、电解质浓度大、p h 值小) 造成碎土絮凝严重，使得碎土不能很快被泥浆带走运 出钻孔，从而在孔底堆积形成二次切割，并且吸附于刀片之上，最终形成所谓“糊钻 现象。二次切割的发生不但大大消耗了钻进的有效功率，而且加剧了钻头刀片的磨损； “糊钻”现象的出现不仅使刀片“变钝”减小了刀片的有效切割，而且增大了钻机的 负荷。另外，由于泥浆黏度大、流动性小，使得泥浆循环尤其困难，从而单位时间内 带出碎土的量很少，更加恶化了钻进条件，“糊钻”、二次切割现象越加严重，另一个 方面，泥浆高黏度加大了钻机的回转阻力，增加了无用功。 河海大学硕士学位论文 从以上描述明显可以得到：要从根源上处置以上问题，即避免“二次切割 的发 生和防止“糊钻 现象的出现。因此，可以从以下两点着手：优化钻头切削刀片的 几何参数；泥浆黏度的降低。 具体处置措施将是后续第三、第四章的研究内容。 2 8 本章小结 本章主要结论，归纳如下： ( 1 ) 湛江组亚黏土是特殊地理环境和气候条件的产物，经历了红土化和红土退化 过程，具有红黏土类似的工程特性。 ( 2 ) 就湛江组亚黏土层本身，具有强度高、压缩性小、土质硬、中灵敏度的工程 特性；由于特殊的地下水文环境( 盐含量很高、电解质浓度大、p h 值小) ，使得湛江 组亚黏土形成的泥浆具有黏度大，易于絮凝的特点。 ( 3 ) 建立了包含土体黏性、研磨系数以及土体强度三因素的黏性土层可钻性评价 体系，并对湛江组亚黏土进行了可钻性体系，研究表明，湛江组亚黏土可钻性差。 ( 4 ) 湛江组亚黏土层钻进施工中出现的工程问题是土层工程特性的反应，且各影 响因素之间相互影响，彼此制约。其处置的最关键切入点是降低泥浆的黏度和优化切 削刀片的几何参数。 2 4 第三章钻头优化设计础阿e 第三章钻头优化设计研究 3 1 引言 | _ 一章研究了湛汀组亚黏上的t 程特陀，建、，：了黏性上层町钻性的评价体系，并 对湛江组业黏土进行了l i j 钻性评价；最后，分析了湛江海湾大桥桩基钻孔施t 中问题 出现的原囚，并指出钻头优化和泥浆改良是处置该r 程问题的切入点本章就钻头的 优化展开研究，通过刮j 刀片的受力状态分析，推导丫人士深度函数，并分析了刀片 几何参数( 前角f 、后角y ) 对人上深度和水平切削力的影响。通过磨损过程能量分析， 推导出j ，磨损高度函数，并分析了j 片几何参数对磨损高度的影响。综合考虑入_ t 深 度、水j f 切削力以及磨损，优化了刮刀刀片的几何参数，最后，结合湛汀组业黏土的 i ：程特性对钻进r 艺丌展，相关研究。 “t 欲善其事，必先利其器”，刮刀钻头结构简译，j j 【i _ f - 容易，刈上层具柏+ 良好的 可钻。陀，只要设计、j ：i ll ：符合要求，可人人降低钻掘i ：程的成小，。丁：程界在刮刀钻头 结构优化设计中作了很多有益的探索，f f l 较多的是经验总结和现场试验比较，均没有 从力学机理匕分析处王甲。因此，合理地刈_ 舌0 刀了j 片受力状态进行分析，并建市j 片几 何参数与人士深度和水平切削力之问的关系，对刀优化设计具有显著的指导意义。 由于川转刮刀钻头t 艺丰富，羽翼形式、腰带类型多种多样，不可能逐个分析， 但无论对何种形式的钻头从整个钻进过程米石，主要作h j 部位是切削刀片。因此，本 文以湛汀绀海湾大桥桩摹钻孑l 灌注桩所用的刮刀钻头为对象开展相关研究，分析及改 进都是在该i ：程中所用的刮j 钻头为基础。对于钻头的其他t 艺如羽翼形式、腰带类 型将根据已自资料和t 程经验一阐述，刮刀钻头的示意图，如图3 1 所示，其现场实 物冈，如h3 2 所示。 图3 1 现场钻头示意图图3 2 现场钻头实物 河海大学硕士学位论文 本章基本技术路线，如图3 3 所示。 湛江组亚黏土层丁程特性 钻进过程中遇到的施工问题 图3 3 技术路线图 3 2 钻头优化目标 通过第二章的可钻性评估研究可以得到，湛江海湾大桥桩基钻孔钻进施工中出现 的问题是湛江组亚黏土力学特性的工程反映，具体表现为土体强度高、碾磨系数大以 及泥浆黏性大。因此通过钻头的优化设计，拟达到以下几个目标和设想： ( 1 ) 针对湛江组亚黏土强度高、硬度大、难以切割的特点，应尽量降低钻头刀具 的切削阻力，即保证较高的入土深度。 ( 2 ) 针对湛江组亚黏土黏性大容易导致糊钻的特点，应尽量减少刀具与土体、泥 浆的接触面积。 ( 3 ) 针对湛江组亚黏土黏性大，泥浆流变性差，循环困难的特点，应该合理设置 排渣口，保证有足够的流速通道，使得钻头底部获得较大的径向流速，泥浆快速循环。 3 3 刮刀钻头钻进原理 3 3 1 钻进过程描述 刮刀受力情况，如图3 4 所示。其中，y 为后角，口为切削角，为刀刃角，s 为 前角，p 为作用在单个刀片上的轴向作用力，只为作用在单个刀片上的水平切割力。 回转刮刀钻机整个钻进过程可以简略的描述成：通过钻机的轴向力p 的作用下，定向 钻头及切削刀具切入土层办深度后，在水平力只的作用下，发生水平剪切作用，使土 体剥落，然后从外界输入水把土稀释，变成泥浆，经由排渣口排出孔外。 第三章钻头优化设计研究 图3 4 刮刀受力情况示意图 3 3 2 刮刀受力分析 刀片受到轴向压力p 和切向力只的作用，这两个力可以等效为一个9 方向的集中 力尸的作用。为了简化分析，把整个钻进过程看做静态分析，不考虑加速度的影响， 其受力分析示意图，如图3 5 所示。 钻头上切削具切入土层的必要条件是：切削具与土层接触面上的单位压力必须大 于( 等于) 土体的抗压强度，即 式中，一切削具上的作用力； s 。一切削具与土体的接触面积； f 一土的抗剪强度。 2 f 图3 5 受力分析示意图 a ( 3 1 ) 刮刀在集中力p 作用下切入土体，此时，刀片受到以下力的作用：后斜面洲产 生正压力，及摩擦力m 上产生正压力心及摩擦力m 刀片两侧的摩擦力， 轴向压力和切向力只。根据力的平衡有以下关系 2 7 河海大学硕士学位论文 取值在1o 。 7 3 0 。、0 。 占 4 0 。内，并且尽量使得后角较小。 求厅的极值。由于解析解相当复杂， 度的影响。在几何上，乃是个二维曲面。 本文尝试应用数值解分析几何角度对入土深 通过计算程序，可以求出各种角度组合下的 刀片入土深度，图3 6 是绘制出o 占 4 5 。o y 4 5 。区间内办的图形。图3 7 、3 8 分 别是后角，、前角f 与初始入土深度厅的关系曲线。 图3 6 入土深度与刀片几何角度关系曲面 、 吕 制 账 刊 o ( 3 1 8 ) d 奢 2 6 i c o t y t a n 占l c o s 2s 从导数分析可知，前角占对磨损高度的影响与后脚类同，也是随着其增大而增大。 由图3 1 1 可以看到，当后角7 = 5 。和y = 1o o 时，入土深度办几乎不受前角s 值变化的 影响，当y = 2 0 0 、y = 3 0 0 、y = 4 盯时，磨损高度y 随前角s 增大而增大，且不明显。 表明，前角s 对切入深度影响很小。 比较孚、孚表达式可以看到，两个式子仅在分母有差别，当7 、s 都小于4 5 。时，有 a a 1 s i n y 譬。以上分析表明，影响刀片磨损的关键因素也是后角7 ，前 角s 对其影响很小。 河海大学硕士学位论文 3 4 3 刀片几何角度对水平切削力的影响 轴向压力一定条件下，只是关于八s 的函数，联立( 3 1 1 ) 、( 3 1 2 ) 两式可求 得：只= 厂( y ，g ) ；在数学上，该方程是一个曲面。通过数值计算可绘出水平切削力与 几何角度的曲面图，如图3 1 2 所示。曲面只= 厂( 厂，s ) 与z = o 面相交，相交曲线如图 3 1 3 所示。显然曲线上水平切削力最小。 _ 、 z v - r r 一 亡 尽 * * 一疆 氙。山i 。鬟 图3 1 2 水平切削力与刀片几何角度关系曲面 4 5 4 0 3 5 3 0 乙2 5 娄2 0