泥漿調配與分離技術試驗及應用研究

陳一村 張建波 陳志軍 劉 流

云南建投基礎工程有限責任公司 云南 昆明 650501

近年，城市建設發展迅速，建筑高度不斷提升，樁基礎也不斷加深。樁基礎施工質量對建筑沉降控制至關重要，國內外一些研究者分別從泥漿護壁施工、泥漿調配、泥漿處理等方面進行研究，以提高樁基施工質量。毛燕紅等[1]通過對竹節樁泥漿護壁技術的研究及應用，有效提高了樁身抗拔力；張欽喜等[2]通過對泥漿分離技術的研究，實現了泥漿快速分離；劉睦峰等[3]采用經典土力學滑動理論對泥漿護壁機理進行研究，并指出高分子聚合物泥漿具有較好的護壁效果，可有效提升成孔速度；王清江等[4]通過智能測定泥漿壓力，實現樁基泥漿護壁智能化施工；王作成[5]的研究指出，泥漿相對密度在砂礫地層中與孔壁穩定性存在關系，但在基巖結構中無必然聯系；而在泥漿分離設備使用方面，樓明浩等[6]對泥漿分離設備進行研究和使用，旨在解決環保問題。但目前，業內在泥漿調配與泥漿分離綜合技術方面的研究甚少。為解決含砂地層坍孔嚴重的問題，本文結合泥漿分離設備的試驗應用，開展對泥漿分離與調配技術的研究。

1 工程背景

1.1 工程概況

云南某房建工程，在建項目約152 184.16 m2，擬建建筑物為1棟22層雙創中心（22F、高度81.5 m）、1棟23層科研樓（23F、高度98.5 m）以及雙創中心的服務配套（2—3F、高度10～15 m）、科研樓的會議交流中心/展示中心（4F、高度20 m），均設置2層地下室，純地下車庫、多層裙房范圍采用長螺旋灌注樁，直徑600 mm，樁長30 m，高層塔樓范圍采用旋挖灌注樁，直徑1 000 mm，樁長48～52 m，共涉及433根樁。基坑開挖深度9.1～9.9 m，周長596.2 m，面積20 594 m2。

1.2 工程地質及水文條件

本工程樁基礎成孔范圍內主要土層有：第①層雜填土、第②1層粉質黏土、第②2層黏土、第③1層有機質土、第③2層黏土、第③3層粉土夾粉砂（粉土為主，含少量腐殖物碎屑及有機質，局部粉土、粉砂互層）、第④1層有機質土、第④2層黏土、第④3層粉土夾粉砂、第⑤1層有機質土、第⑤2層粉土、第⑤3層粉質黏土、第⑥層粉質黏土、第⑦層白云質灰巖。其中，粉土、粉砂層厚度平均為23～26 m。

場地內地表水主要為坑內積水，場地表層填土孔隙大、滲透性強，表水與孔隙水相互補給。場區內地下水劃分為上層滯水和承壓水。上層滯水主要賦存于表層雜填土中。承壓水屬孔隙微承性，主要賦存于中下部的③3、④3層粉土、粉砂層中，由于含水層孔隙較大，地下水運動較快，滲透系數較大，為透水層。

1.3 樁基施工現狀

本工程樁基所處范圍大多為粉土、粉砂層，其中，粉土層和粉砂層占據樁身長度的40%～50%。最初采用旋挖干作業成孔施工，效果極差，坍孔范圍較大，孔底沉渣極厚。遂采用膨潤土泥漿護壁進行旋挖成孔，效果也不佳，粉砂層厚的區域出現局部坍孔，孔底沉渣多次清洗后，仍難達到10 cm的最低厚度要求，充盈系數達到1.5。

泥漿多次循環后含砂率增加較明顯，導致無法形成泥膜，孔壁穩定性極差，泥漿相對密度大，含砂率高，樁底沉渣厚，降低了樁端的承載力。

2 泥漿調配、分離技術研究

為解決在極厚含砂地層中膨潤土泥漿護壁施工效果差、充盈系數大等問題，擬通過泥漿調配技術增大漿液黏度和抗滲性，改善護壁效果，同時通過泥漿分離設備，降低含砂率，保證泥漿成分及效果。

2.1 泥漿調配、分離技術簡介

“泥漿調配＋泥漿分離技術”主要通過對膨潤土泥漿添加外加劑調節泥漿效果，并通過泥漿分離技術降低泥漿含砂率，提高泥漿純度。為此，針對該含砂地層開展了泥漿調配和泥漿分離試驗，通過試驗確定最優技術參數。

2.2 泥漿調配、分離技術試驗

2.2.1 泥漿調配技術試驗

膨潤土泥漿主要成分有水、膨潤土和纖維素，為提高泥漿護壁效果，對膨潤土泥漿添加一系列外加劑，主要包含分散劑、增黏劑和絮凝劑，以改變水泥漿的分離性、黏度和抗滲性等。為此，設計了3組不同試驗與膨潤土泥漿試驗進行對比研究。

試驗共分為A、B、C、D這4組，D組為膨潤土泥漿，A、B、C這3組為膨潤土泥漿中加外加劑。對A、B、C這3組采用正交設計試驗，分別對分散劑、增黏劑和絮凝劑三因素設定3組不同的水平。膨潤土泥漿成分配比為水∶膨潤土∶纖維素＝100∶10∶0.8。分散劑采用Na2CO3、木質素，用量0.3%～0.5%，按0.3%、0.4%、0.5%進行分組；增黏劑采用鈉羧甲基纖維素，用量0.04%～0.06%，按0.04%、0.05%、0.06%進行分組；絮凝劑采用聚丙烯酰胺，用量1%～2%，按1.3%、1.6%、1.9%進行分組。試驗設計方案如表1所示。

表1 泥漿調配試驗設計方案

按照以上設計方案，對以上16根樁，按照SZ13→SZ14→SZ15→SZ16→SZ1→SZ2→SZ3→SZ4→SZ5→SZ6→SZ7→SZ8→SZ9→SZ10→SZ11→SZ12的施工順序進行現場試驗，試驗中泥漿分離設備暫不參與試驗。為降低試驗過程中其他因素的影響，采取如下措施：

1）采用同一臺旋挖鉆機，同一泥漿分離設備，同一駕駛員和同一泥漿分離設備操作員，保證試驗設備一致，避免人為誤差過大。

2）試驗場地集中在該工程項目場地內，鉆孔位置依據地勘報告、地質剖面圖確認，保證地層類型、地下水條件、地層厚度等條件接近。

3）各組試驗中，泥漿用量保持一致，同時鉆孔深度、孔徑大小一致。

4）各組試驗中，鉆機鉆進速度和機械功率保持一致，清孔方法一致，沉渣厚度控制一致（以設計要求標準，沉渣厚度控制在10 cm）。

5）各組試驗中，混凝土灌注速度和混凝土類型保持一致。

6）混凝土振搗及提升速度保持一致。

本泥漿調配試驗將清渣循環次數和混凝土充盈系數這2個技術指標作為監測數據。經過現場試驗，泥漿調配技術參數指標如圖1～圖4所示。

圖1 A組技術指標

圖2 B組技術指標

圖3 C組技術指標

圖4 D組技術指標

由監測技術指標可知，D組4根樁均采用膨潤土泥漿進行試驗，沉渣厚度較厚，清理樁底沉渣平均需要8次泥漿循環才可達到10 cm的設計深度；A組、B組、C組平均需要5次、5次、4次泥漿循環。相比之下，加入了分散劑、增黏劑和絮凝劑的試驗組，清理沉渣的次數減少約50%，證明其孔底沉渣量少，而孔底沉渣主要來源于孔壁坍塌介質。坍孔處會增加混凝土的填充量，擴大混凝土充盈系數，混凝土充盈系數技術指標顯示，加入了分散劑、增黏劑和絮凝劑的試驗組混凝土比膨潤土泥漿組使用的混凝土量明顯減少，也充分證實了孔底沉渣主要來源于孔壁坍塌介質。所以，針對深厚粉土夾粉砂層，在膨潤土泥漿中添加一定量的分散劑、增黏劑和絮凝劑可有效控制孔壁坍塌。

在分散劑、增黏劑和絮凝劑三者變量比較試驗中：A組試驗中，分散劑添加量為0.4%時，混凝土充盈系數和沉渣次數最少，表明該種外加劑為0.4%時，泥漿護壁效果最佳；B組試驗中，增黏劑添加量為0.05%時，混凝土充盈系數和沉渣次數最少，表明該種外加劑為0.05%時，泥漿護壁效果最佳；C組試驗中，絮凝劑添加量為1.6%時，混凝土充盈系數和沉渣次數最少，表明該種外加劑為1.6%時，泥漿護壁效果最佳。外加劑含量過高會導致泥漿均勻性降低、黏性過大，影響循環使用，因此，外加劑的用量應在適宜范圍內。所以，當分散劑、增黏劑和絮凝劑用量分別為0.4%、0.05%、1.6%時，護壁效果最好。

2.2.2 泥漿分離技術試驗

泥漿經過調配后，護壁效果得到明顯改善，沉渣量相對減少。沉渣除坍孔因素外，部分沉渣來自于樁體含砂層，為進一步減少孔底沉渣，控制泥漿含砂量，通過泥漿分離設備進行泥漿分離試驗。

泥漿分離技術是指在旋挖樁濕作業成孔過程中，通過泥漿分離設備把樁孔中含砂礫石的泥漿混合液進行分離，形成含砂率低、黏度和相對密度略接近原始泥漿的技術。其旨在清理孔內液體中的砂、礫石等，降低含砂率、黏度和相對密度，提高泥漿循環利用率。泥漿分離技術工藝流程：設置泥漿池→泥漿制備→設備安置→樁機成孔→泥漿抽入泥漿分離設備→砂礫石和泥漿分離→分離后的泥漿進入泥漿池→泥漿循環進入樁孔內。

為明確泥漿分離效果，制定E、F這2組（樁號SZ17—SZ22）試驗進行對比分析。E、F這2組試驗中均采用膨潤土泥漿進行樁孔護壁，且泥漿中添加0.4%的分散劑、0.05%的增黏劑和1.6%絮凝劑，各組設3根樁，其中E組加入泥漿分離設備，F組不設泥漿分離設備。泥漿分離設備采用CJHBKJ品牌，型號LTDG-50，其處理能力為250 m3/h，如圖5所示。

圖5 泥漿分離設備

為確保試驗效果，E、F這2組除是否使用分離設備外，其他措施保持一致。試驗中監測并采集的技術指標有泥漿可循環次數、充盈系數、沉渣清理循環次數。其中，泥漿可循環次數主要根據泥漿使用后判定其是否為廢漿，廢漿指標：黏度＞22 s、相對密度＞1.2 g/cm3；含砂率＞8%；pH＞9。沉渣清理循環次數主要依據清理沉渣的循環次數達到指定厚度指標（沉渣厚度10 cm）。試驗技術指標如圖6、圖7所示。

圖6 E組技術指標

圖7 F組技術指標

由E、F這2組技術指標可知：在使用泥漿分離設備后，混凝土充盈系數從1.16降至1.11；清理孔底部沉渣，由4次循環減少至2次；泥漿可循環使用次數增加約50次。可見，使用泥漿分離設備后可有效清除泥漿中的砂、礫等固體顆粒，減少孔底沉渣量；增強護壁效果，降低混凝土充盈系數，節約混凝土用量；最明顯的是，泥漿分離設備極大地增加了泥漿的使用壽命。

“泥漿調配＋泥漿分離技術”試驗表明，在深厚含砂地層中，泥漿中加入分散劑、增黏劑和絮凝劑對改變護壁效果有一定的作用，但外加劑含量過高或過低，護壁效果不明顯，適當劑量的外加劑可有效控制孔壁坍塌。經過優化試驗，該含砂地層中，分散劑、增黏劑和絮凝劑用量分別為0.4%、0.05%、1.6%時，護壁效果最好。泥漿分離技術有效清除了泥漿中的砂礫石，保證泥漿原質量，增強護壁效果，降低混凝土充盈系數，提高泥漿循環使用壽命。

3 工程應用效果

依據“泥漿調配＋泥漿分離技術”試驗，針對該樁基工程進行工程應用。在膨潤土泥漿（膨潤土泥漿成分配比為水∶膨潤土∶纖維素＝100∶10∶0.8）中添加0.4%、0.05%、1.6%的分散劑、增黏劑和絮凝劑；同時，將泥漿分離設備加入旋挖樁施工過程中，對泥漿進行分離。經過監測及現場施工問題反饋，233根（12 116 m）工程樁使用效果良好。

孔底沉渣經過2次循環清理后，沉渣平均厚度控制在4 cm以內；施工統計的混凝土充盈系數平均為1.13。膨潤土泥漿平均可循環使用52次，有效減少了造漿、排漿的成本。

經過現場實施，采用泥漿調配和泥漿分離技術后，明顯改善旋挖成孔護壁效果，有效提高成樁質量，提高了施工效率，降低施工成本，取得了良好的經濟效益，共計節約成本約207.11萬元。

4 結語

針對深厚含砂地層，旋挖樁施工坍孔嚴重，泥漿相對密度大，含砂率高，孔底沉渣厚，樁端承載力差。本文從泥漿外加劑和含砂量方面進行分析研究，優化外加劑含量，降低泥漿含砂率，解決以上施工難題。經過“泥漿調配＋泥漿分離技術”試驗和工程應用，得出以下結論：

1）“泥漿調配＋泥漿分離技術”可有效解決深厚含砂地層中樁基坍孔的施工難題，增強護壁效果，減少孔底沉渣，提高成樁質量。

2）膨潤土泥漿中添加適量的分散劑、增黏劑和絮凝劑，并優化配比，可有效形成泥皮，加強護壁作用，改善砂性地層護壁效果。

3）通過泥漿分離設備對泥漿和砂、礫石進行分離，可有效降低含砂量，保證泥漿原質量，增強泥漿護壁作用，提高泥漿循環使用壽命。

4）“泥漿調配＋泥漿分離技術”降低混凝土充盈系數，提高泥漿循環使用壽命，降低樁基施工成本，經濟效益顯著；同時，可減少泥漿排放，環保效果良好。