不穩定土層鉆孔樁泥漿調配方法研究

楊旭林 ，劉 偉

1.中國港灣西部非洲區域公司，科特迪瓦 999063 KTDW

2.中交一航局第五工程有限公司，河北 秦皇島 066000

1 依托工程概述

科特迪瓦北部公路項目橋梁共計兩座，位于主線PK39和PK63處。該地旱雨季分明，旱季為枯水期，地下水位較低，約在樁頂標高以下3～5m。橋梁基礎采用鉆孔灌注樁，排樁形式，樁徑1.1m，平均樁長15m，樁基類型為摩擦樁和端承樁兩種。

2 工程特點及難點

（1）根據現場實際分析，總結土層分布規律如下：①0～10m為雜填土、淤泥質土、砂性土，其中砂性土最大層厚約5m；②10～17m為強風化花崗巖；③17～25m為中風化花崗巖；④地下水位約樁頂標高以下5m。

（2）由于砂層厚度較大，上部土層極不穩定，在鉆孔樁施工過程中，容易出現塌孔事故。

（3）科特迪瓦旱雨季分明，雨季降雨量較大，地下水位較高，泥漿護壁必須具有良好的性能，否則必然出現塌孔事故。

3 泥漿配比選擇

鉆孔灌注樁傳統造漿工藝采用膨潤土造漿或采用黏性土造漿，旨在形成大于普通水比重的液體，通過泥漿張力支撐孔壁，使施工過程中保證孔壁穩定，避免出現孔壁失穩，造成塌孔事故。普通造漿方法針對地下砂土層護壁效果不佳，原因是普通造漿方法無法保證泥漿中顆粒的懸浮狀態，容易出現沉淀，造成孔內上下層泥漿比重大小不一，局部泥漿張力不足。根據以往施工經驗，純堿和纖維素類物質能夠改善提高泥漿的護壁性能。具體摻配材料作用分析如下。

3.1 膨潤土

（1）吸附性：水中的微顆粒一端吸附在膨潤土顆粒表面，另一端溶于水，使膨潤土顆粒和水分子之間產生了一種間接的聯系。形成了一種橋聯作用，減少了泥漿中的自由水，改變了泥漿的性能參數。

（2）膨脹性：膨潤土遇水膨脹，增加吸附性。

（3）造漿性：膨潤土顆粒在水中分散形成懸浮液，同時增加溶液重度。

3.2 純堿

（1）摻入純堿主要作用是改善膨潤土性能，充分發揮膨潤土的吸水性，減少沉淀。

（2）增加純堿，是為了增加水中鈉離子，鈉質膨潤土晶層吸附水的厚度是三層，鈣質膨潤土晶層吸附水的厚度是四層。在極性水分子的作用下，由于靜電引力較小，鈉質膨潤土晶層之間可以產生較大的晶層間距，而鈣質膨潤土由于晶層間的負電引力較大，極性水分子不易進入晶層之間，因此，鈣質膨潤土晶層間產生的距離明顯比鈉質膨潤土小，表現在鈣質膨潤土比鈉質膨潤土難于在水中分散、膨脹倍數低。

3.3 纖維素

（1）摻入纖維素主要作用是增加泥漿溶液的膠結性。

（2）由于膨潤土是固體顆粒，不能溶解于水，只是其擁有吸附性，可形成溶液，但膨潤土的比重大于水，溶液容易出現分層現象。下層溶液膨潤土含量較大，甚至出現沉淀；上層溶液膨潤土含量較低。

（3）利用纖維素的膠結性可將膨潤土和水吸附牢固，防止出現分層現象，使泥漿溶液各部位性能一致，保證泥漿的護壁作用。

4 對比分析

在協作隊伍配合下，采用不同配合比調制泥漿，具體配合比及結果如下。

4.1 方案一：水∶膨潤土∶純堿=1000∶100∶10

試配結果：泥漿沉淀略有減少，但效果不佳；泥漿調制完成時實測比重為1.11g/cm3，在施工過程中不同時段對孔內泥漿取樣10組，取樣深度均在孔頂以下6m，測得最小泥漿比重為1.02，最大泥漿比重為1.07，平均為1.04。

4.2 方案二：水∶膨潤土∶純堿=1000∶100∶30

試配結果：對比方案一的配比，泥漿沉淀有減少，但總體效果不理想；泥漿調制完成時實測泥漿比重為1.12g/cm3，在施工過程中不同時段對孔內泥漿取樣10組，取樣深度均在孔頂以下6m，測得最小泥漿比重為1.03，最大泥漿比重為1.09，平均為1.05。

4.3 方案三：水∶膨潤土∶純堿∶羥丙基甲基纖維素=1000∶100∶20∶1

試配結果：攪拌初期出現絮狀物，但靜置2h后形成穩定溶液，基本無沉淀，溶液呈順滑略有膠凝狀態，性能良好；泥漿調制完成時實測泥漿比重為1.11g/cm3，在施工過程中不同時段對孔內泥漿取樣10組，取樣深度均在孔頂以下6m，測得最小泥漿比重為1.07，最大泥漿比重為1.11，平均為1.09。

4.4 方案四：水∶潤土∶純堿∶羥丙基甲基纖維素=1000∶100∶10∶2

試配結果：攪拌初期出現絮狀物，但靜置3h后形成穩定溶液，基本無沉淀，相比方案三配制的泥漿，溶液膠凝狀態更佳；泥漿調制完成時實測泥漿比重為1.13g/cm3，在施工過程中不同時段對孔內泥漿取樣10組，取樣深度均在孔頂以下6m，測得最小泥漿比重為1.1，最大泥漿比重為1.13，平均為1.12。

5 泥漿調配方法

施工過程中，對泥漿配比不斷優化調整，通過長時間實際施工效果，總結經驗如下。

5.1 泥漿配合比

（1）主要材料。優質膨潤土，純堿和纖維素（羥丙基甲基纖維素）或其他纖維材料（塑料纖維等，本調配方法中采用羥丙基甲基纖維素）。

（2）配合比。泥漿配合比如表1所示。

表1 泥漿配合比表單位：kg

由表1可知，地下水pH值對該調配方法的泥漿性能影響較小。

5.2 操作過程

（1）操作流程。具體操作流程如下：摻入膨潤土→攪拌和循漿→摻拌并摻入純堿→摻拌并摻入纖維素→靜置→重新攪拌。

（2）操作步驟。①將優質膨潤土按3%～5%比例摻入水中，邊摻入邊不停攪拌，不可一次性傾倒，需慢慢加入，保證攪拌均勻，施工現場可采用大口徑泥漿泵循環泥漿代替攪拌或采用泥漿攪拌機制作泥漿。②待優質膨潤土攪拌均勻，保持攪拌或循環泥漿1h以上，使膨潤土充分溶解。③將純堿按1%～3%比例摻入泥漿中，邊摻入邊不停攪拌，方法同上。④純堿溶解較快，不用等待太久，大約10min鐘左右即可將纖維素按0.1%～0.3%比例摻入泥漿中，邊摻入邊不停攪拌。⑤攪拌均勻后保持循漿，纖維素摻入后，初期1～2h會出現絮狀透明體漂浮于泥漿溶液表面，是纖維素沒有充分溶解的現象。⑥調配結束后靜置1～2h，再重新攪拌，使吸水后的纖維素充分溶解到泥漿中，必須靜置一段時間，若繼續攪拌，絮狀物會越來越多，且纖維素溶解較慢。⑦待泥漿中無明顯絮狀物時，即可使用。⑧在大批量生產泥漿前，必須進行試配工作，按照相關摻配比例范圍進行調試，選擇最佳配合比，同時做好各種配合比效果記錄，在施工過程中，根據實際情況，進行必要調整。

6 結論

（1）該調配方法可有效防止塌孔事故發生，調制成功后已在后續樁基施工中應用，塌孔率為零，杜絕了事故的發生。

（2）對于不穩定土層中施工鉆孔灌注樁，在使用本配合比的前提下，可適當加大泥漿比重，同時鉆孔過程中需降低鉆進速度和減小鉆頭對孔壁的擾動。

（3）該方法為現場試驗研制，具體配合比數值調控范圍基本確定，由于受水質pH值影響較小，基本適用于各個地區不穩定地質的鉆孔樁施工。

（4）該方法可有效防止在不穩定地層進行鉆孔樁施工時發生塌孔事故，極大降低了施工風險和安全風險，減小了經濟損失，適合廣泛推廣使用。