泥浆性能对超深大直径灌注桩成孔效率与成桩质量的分析

1、泥浆性能对超深大直径灌注桩成孔效率与成桩质量的分析熊茂平(江西省建工集团公司，江西南昌 ) 摘要介绍了泥浆的性能和作用，分析泥浆对成孔效率和成桩质量的影响。通过工程实例和分析，论述了超深大直径灌注桩使用优质泥浆的经济技术可行性。 关键词灌注桩；泥浆性能；成孔效率；成桩质量；经济分析中图分类号TU47314 文献标识码A 文章编号1002-8498(2005)01-0037-03 钻孔灌注桩工程中，泥浆的作用是固壁、携砂、冷却和润滑。长期以来，人们在钻进过程中往往选择普通泥浆即粘土和水的拌合物作为循环液，这在一般钻孔过程中是可行的。但是随着高层、超高层建筑、大型桥梁、港口码头的大量建设，超深钻孔

2、灌注桩被广泛使用，此类钻孔成孔时间长，孔底沉碴难于控制，承载力以摩阻力为主等特点，普通泥浆很难满足这些要求，因此，研究泥浆性能对超深大直径钻孔灌注桩成桩质量及成孔效率的影响，并根据不同施工条件配制高性能泥浆有着极其重要的现实意义。1 泥浆的性能和作用由于在各种钻进方法中泥浆所起的作用不完全一样，因此，对泥浆性能的要求也不相同。对冲击钻进和正循环钻进而言，虽然二者的泥浆都须起护壁 和悬浮沉碴的作用，但前者是靠冲击钻头上下冲击搅动产生泥浆，钻碴是随泥浆上升而被携带上来，则希望尽量将钻碴悬浮于泥浆中，不致很快沉淀，使钻头能经常冲击到新的岩土，至于钻碴则是用掏碴筒以机械方式排出孔外的；对正循环回转钻进

3、，因为泥浆被泥浆泵从钻杆中心连续压人孔底，而使泥浆在孔内钻杆处产生连续不断地上升流速。因此，对正循环回转钻进的泥浆性能，既要求它有一定的悬浮钻碴的能力，又要求它能很容易的流动产生上升速度。过稠的泥浆虽然悬浮钻碴能力较高，但不易被泥浆泵泵人钻杆后上升流动，流出孔口后到沉淀池，又不易沉淀，净化后再循环使用，显然也是不合适的。对反循环回转钻进，泥浆是从钻杆与孔壁之间的环状间隙中进入钻孔，携带钻碴从钻杆内返回沉淀池，因此对反循环回转钻进的泥浆性能，既要求它有良好的造壁性和低失水性，同时又要求它能将携带的钻碴凝聚团粒化，使其迅速沉降。2 泥浆性能影响分析21 泥浆的性能对桩承载力的影响 泥浆的性能对桩承

4、载力的影响主要是通过孔壁泥皮来反映的。在孔内压力差的作用下，泥浆中的自由水会透过孔壁或孔隙而流失，留在孔壁上的是一层泥皮，孔内泥皮的存在，导致桩体与桩周土体的粘结力明显降低，影响桩侧摩阻力的发挥。特别是当泥皮厚度较大时，桩土剪切破坏面将发生在泥皮与土体的接触面或泥皮中，因泥皮抗剪强度低，导致桩侧阻损失严重。 武汉某工程采用直径1000mm的钻孔灌注桩，深50m，3根试桩单桩静荷载试验结果显示：3号试桩的单桩极限荷载为8200kN，其中桩侧摩阻力6400kN；1、2号试桩单桩极限荷载分别为13000、12800kN，桩侧摩阻力分别为9000、8d00kN。3根试桩都采用泵吸反循环钻进工艺，场地地

5、层条件比较稳定，动测结果表明3根试桩桩身质量完好，对承载力不构成影响，1、2号试桩同3号试桩桩侧摩阻力相差竟在2000kN以上。事后分析，由于1、2号试桩先行施工，泥浆性能较好，3号试桩施工时，没有及时换浆，泥浆性能变差造成孔壁泥皮较厚，对桩侧摩阻力产生影响。后经桩周土体开挖验证表明：1、2号桩泥皮较薄，只有23mm，而3号桩桩周泥皮竞达5mm。 泥皮厚薄及致密程度的不同会直接影响孔壁摩阻力的发挥，影响桩的承载力。影响孔壁泥皮形成的泥浆性能参数如下： (1)密度 泥浆密度愈大，泥浆对孔壁的侧压力越大，其失水量亦加大，孔壁上的泥皮也增厚，反之，就愈薄。另外，泥浆密度加大，意味着泥浆中固体颗粒加大

6、，所形成孔壁泥皮就越疏松。 (2)失水量 失水量(又叫渗透量)是泥浆在钻孔内受内外水头压差的作用在一定时间内渗入地层的水量。泥浆的失水量越小越好，泥浆的失水量越小则它的胶体率越大。失水量大的泥浆，形成孔壁的泥皮越厚。 (3)酸碱度 酸碱度以810为宜，这时粘土颗粒可进行分散，水分子进入粘土内部使其膨胀，颗粒表面形成一层吸附性水化膜(又称束缚水)，相当于增加了泥浆中的固相成分，使失水量减小。如酸碱度过小，失水量会急剧上升，酸碱度过大则孔壁不稳定。22 泥浆性能对成孔效率的影响 反循环钻进时，泥浆从拌制、储存、输送、回流、除碴、净化、补充等工序组成一个循环系统。表现钻进速度的公式为： S=(N1N

7、2 )QF (1)式中：N1为循环管路至沉淀池出口泥浆含砂率(钻碴混合液的体积含量)；N2为泥浆经循环系统沉淀后返回孔内泥浆含砂率；Q为反循环排出流量；9为钻孔截面积。从式(1)可以看出，在排出流量Q和钻孔截面积一定时，钻进速度主要取决于出口泥浆含砂率丹l和流人孔内泥浆含砂率厅2之差值。当N1=12(钻碴体积含量)，N2=2时(优质泥浆含砂率)，N1N2：10；当厅1二12，N2= 7时(一般泥浆含砂率)，N1N2=5。从排碴效率来看优质泥浆是一般泥浆的1倍。影响成孔效率的泥浆性能指标如下：(1)含砂率 一般情况下，由于设备和工艺方法的限制，N1，值大体为一定值，影响钻进速度的因素主要为泥浆的

8、含砂率，泥浆中的含砂率越高，说明泥浆中钻碴没有能充分沉淀，而直接回流至孔内造成重复破碎，重复做功，影响钻进速度。另外，含砂率高的泥浆容易磨损泥浆泵和钻杆，接头及钻头等钻具，停钻时，易造成埋钻、卡钻等事故。(2)密度 泥浆密度加大，意味着泥浆中固体颗粒含量加大，一方面加大对钻具的磨损，另一方面增加了泥浆的含砂率，影响钻进速度。工程实践证明，当泥浆比重超过108时，钻进速度会大大降低。(3)静切力 静切力大的泥浆，说明其结构强度大，则流动阻力越大，流往沉淀池的泥浆不易沉淀， 影响净化速度，使泥浆的密度和含砂率上升，从而影响钻进速度。此外，粘度和胶体过大，也会增加泥浆净化的困难，固体颗粒不易沉淀，影

9、响钻进速度。 3 优质泥浆及工程实例 钻进过程中不同的施工条件、地层情况及施工环境，要求配制不同性能指标的泥浆，地质条件好的浅孔钻进，一般泥浆或孔内自然造浆即可满足钻进要求，但在复杂地层条件下的深孔钻进，一般泥浆很难满足钻进要求，需要根据具体情况配制特殊泥浆，以满足钻进要求。31 超深大直径钻孔灌注桩泥浆性能要求(1)护壁性能好超深大直径钻孔灌注桩由于成孔、成桩周期较长，孔壁裸露时间长，极易造成塌孔、缩径等孔内事故，从而影响成孔效率和成桩质量。所以要求泥浆护壁性能好。(2)具有分散和絮凝性 最初配制的泥浆为均匀分散的泥浆，在钻进过程中能够避免多余的固相混入，防止泥浆比重和含砂率上升。(3)润滑

10、性好可减少机具磨损，降低回转阻力。超深大直径钻孔灌注桩一般选用优质泥浆钻进，根据工程实践经验，砂性土地层，泥浆性能指标如表1所示。 32 工程实例 湖北岳口汉江大桥9号主墩基础为9根直径20m、深89m的钻孔灌注桩。施工地层条件从上至下分别为杂填土、粉砂、亚粘土、粘土、粉砂、细砂、圆砾、风化程度不等的岩土层。施工工艺为泵吸反循环钻进，开始施工时，采用当地粘土加工业用碱拌制普通泥浆，成孔周期为1根桩(810d)，清孔时间长达68h，孔底泥浆含砂率才达到1的要求，孔底沉碴小于规范要求的30mm。后采用优质泥浆，成孔周期缩短为1根桩(68d)，清孔时间(34)h，孔底泥浆含砂率及孔底沉碴满足规范要求

11、。表 1 优质泥浆性能 使用 相对 粘度静切力 含砂酸碱度胶体 失水量 过程 密度 s (mg 率 pH 率 (mL cm2 30min)钻进泥浆106108 1822 06 97 12-18清孑L泥浆 103 1820 04 97 1216本工程钻进地层以砂性地层为主，要求泥浆具备良好的造壁性和低失水性。同时又要求它能够将携带的钻碴凝聚团粒化，使其迅速沉降。泥浆材料选择及配合比如下： (1)膨润土 膨润土具有密度低、粘度好、含砂量小、失水量少、泥皮薄、稳定性强、固壁能力高、钻具回转阻力小、造浆性好等优点。掺量为用水量的8。 (2)羧甲基纤维素(CMC) 使地层土体表面形成薄膜而使之强化，从而

12、降低泥浆的失水量。掺量为膨润土质量的03。 (3)铁铬木质磺酸钠盐(PCIS) 为分散剂，可改善混有土、粉砂、混凝土等而使泥浆变质的性能，并使钻碴颗粒聚集而加速沉淀，达到使泥浆重复使用仍具有高质量性能。掺量为膨润土质量的0103。 (4)水解聚丙烯酰胺(PHP) 对泥浆中的粘土颗粒进行絮凝，以使泥浆维持较低固相。掺量为泥浆量的3010-6。 (5)碳酸钠(Na2C03) 其作用是使pH值增大，使粘土颗粒分散，颗粒表面负电荷增加，为粘土吸收外界的正离子颗粒提供条件，可增加水化膜厚度，提高泥浆的胶体率和稳定性。掺量为膨润土的3-5。在实际操作中，先按以上各种掺入剂的用量试 配，检测其配合液的各项性能指标，符合要求后再使用。各种掺人剂宜先制成水溶剂，按循环周期均匀加入，并及时测定泥浆指标，防止掺人剂过