復雜地質條件下灌注樁聚合物泥漿與膨潤土泥漿應用對比研究

朱文波

中國石化天然氣分公司 北京 100029

近年來隨著我國基礎設施建設步伐加快，旋挖鉆孔灌注樁作為一種成熟的施工工藝因具有地層適應性強，成孔速率快，噪聲較小，樁基承載力高等優點，在工業、民用建筑、公路、橋梁等行業得到廣泛應用。

灌注樁在地下水位較高或直立性較差地層旋挖成孔時，由于鉆頭切削移位原位土體，造成原始地應力失去平衡，為防止孔壁坍塌，需要采用泥漿護壁。泥漿在成孔過程中主要作用為護壁、攜渣、冷卻、潤滑鉆具。工程理論和實踐研究表明[1]：護壁泥漿質量的好壞將直接影響到樁端沉渣厚度和樁側泥皮厚度，進而影響樁基承載性能。為保證泥漿護壁效果及提升項目綜合經濟效益，需要在樁基正式施工前，根據地層情況在現場進行泥漿試配工作，對其試驗結果進行對比分析，選取成膜性好、失水量小、綜合經濟效益高的泥漿進行護壁。文中依托某工程，開展泥漿選型對比試驗研究，以期對類似地質條件下旋挖鉆孔灌注樁施工的泥漿選取提供借鑒。

1 工程概況

根據施工圖設計階段《巖土工程勘察報告》[2]和野外鉆探、原位測試及室內土工試驗成果，依據場地巖土的年代、成因、巖性及物理力學性質，將廠區勘探揭露深度范圍內的地層劃分為4 層，分別為：

（1）1 層，素填土（Q4ml）：灰褐色～褐黃色，土質不均，成份主要為黏性土，含少量砂和凝灰巖碎塊，局部夾孤石，局部凝灰巖碎塊集中分布，硬雜質含量≤25%。根據調查，該層屬于新近回填土，后經強夯處理，均勻性差。該層在場地內普遍分布，層厚0.9～10.4m。

（2）2 層，中砂夾珊瑚礁碎塊（Q4m）：以中砂為主，夾珊瑚礁碎塊，局部珊瑚礁分布集中，呈層狀堆積。淺灰～灰色，松散～稍密，局部中密，飽和，部分地段為粉細砂，礦物成分以石英、長石為主，分選一般。珊瑚礁主要呈灰白色，以珊瑚骨骼為主骨架，輔以其他造礁及喜礁生物的骨骼或殼體所構成的鈣質堆積體，強度較高，多呈碎塊狀混在中砂層中，部分地段珊瑚礁成層狀分布，層厚0.5～7.7m。

（3）3 層，粉質黏土（Q4al+pl）：黃褐色，局部淺灰色，無搖振反應，韌性中等，干強度中等，稍有光澤。該層在場區內局部分布，層厚0.90～5.60m。

（4）4 層，中風化凝灰巖（νQ2-3）：淺黃色為主，局部淺灰色，主要成分為火山灰和火山碎屑，火山碎屑粒徑1～2mm，凝灰結構，塊狀構造，巖芯呈餅狀、短柱狀，巖體較完整，風化裂隙較多，巖塊強度一般，由軟巖到極軟巖，巖體基本質量等級為Ⅴ級。該層在場地內普遍分布，層厚1.00～28.70m。

各土層物理力學性質指標如表1 所示。

表1 土層物理力學性質指標

2 試驗方案

聚合物泥漿具有配制時間短、懸凝攜渣能力強、沉淀速度快、環保等特點。膨潤土泥漿具有適用性強、攜渣能力突出、沉淀速度慢等特點。本次泥漿試配方案選取聚合物泥漿與膨潤土泥漿,分別按照不同配比進行試配，從中分別選取最優狀態泥漿進行現場施工試用，根據試用結果綜合分析對比，選取綜合效益較高的泥漿供本工程使用。

本次聚合物泥漿選取瀚岳聚合物泥漿粉, 為相對分子量高達2000 萬以上的聚合物，進行試配，分散劑選取NaOH,采用1m3淡水進行試配,具體配比如表2 所示。

表2 聚合物泥漿配比方案

根據試配方案現場檢測聚合物泥漿性能指標如表3所示。

表3 聚合物泥漿性能指標

根據本工程地層分布情況，結合上述聚合物泥漿性能指標檢測結果，選取A1 配比方案進行聚合物泥漿配制，在現場選取20 根Φ600mm,樁長14m 灌注樁進行成孔試驗，檢驗其攜渣能力、沉淀速度、一定時間段內沉渣厚度，平均擴孔系數。

膨潤土泥漿采用鈉基膨潤土，增粘劑選用生物黃原膠(XC)，分散劑采用NaOH，采用1000g 淡水進行試配,具體配比如表4 所示。根據試配方案現場檢測膨潤土泥漿性能指標如表5 所示。

表4 膨潤土泥漿配比方案

表5 膨潤土泥漿性能指標

根據本工程地層分布情況，結合上述膨潤土泥漿性能指標檢測結果，選取B3 配比方案進行聚合物泥漿配制，在現場選取20 根Φ600mm,樁長14m 灌注樁進行成孔試驗，檢驗其攜渣能力、沉淀速度、一定時間段內沉渣厚度，平均擴孔系數。

3 試驗結果分析

3.1 不同泥漿一定時間段內沉渣厚度對比分析

根據試驗方案，在旋挖成孔灌注樁鉆孔完成后，在不同時間段內分別量測其沉渣厚度，經數學統計分析，具體結果如表6 所示。

表6 不同時間段沉渣厚度

根據上述實測數據結果，聚合物泥漿與膨潤土泥漿對比結果表明：聚合物泥漿絮凝沉淀較快，孔底沉渣厚度在短時間內得到較大幅度增長，而膨潤土泥漿懸浮作用相對較強，孔底沉渣厚度增幅相對較小，為滿足《建筑樁基技術規范》[3]中關于灌注混凝土前孔底沉渣厚度要求，在施工中應采用氣舉反循環二次清孔施工工藝，將孔底沉渣厚度控制在5cm 以內，確保樁基承載力及沉降滿足規范要求。施工中采用兩種不同性質的泥漿進行對比試驗，在滿足相關規范要求的前提下，為提高其重復利用率，均選用黑旋風除砂器對其進行除砂凈化，通過凈化處理后其各項指標均滿足相關規范要求，通過試驗發現：聚合物泥漿的循環使用次數平均為5 次，而膨潤土泥漿的循環使用次數平均為1.5 次。工程施工所產生的廢棄漿液均按照甲方要求運至相關指定地點處理。

3.2 不同泥漿樁基承載力實測結果對比分析

根據現場采用不同類型泥漿進行護壁成孔的灌注樁，分別從20 根中選取3 根進行樁基豎向靜載荷試驗并進行對比分析，具體試驗結果如表7 所示。

表7 單樁豎向承載力特征值 kN

根據實測單樁豎向極限承載力數據，對比分析結果表明：在相同施工工況下，采用聚合物泥漿進行護壁成孔與膨潤土泥漿相比，單樁豎向承載力特征值提高約11%，這在工程設計中節約工程造價方面經濟效益相當可觀。在施工中采用除砂器對泥漿進行凈化處理，處理后其各項指標均滿足相關規范要求，對于聚合物泥漿護壁，在清孔徹底的情況下，與膨潤土泥漿護壁相比而言，其形成的泥皮厚度相對較小，樁身側摩阻力能夠得到充分發揮，其相應的單樁豎向承載力特征值較高，而膨潤土泥漿護壁，泥皮厚度相對較大，導致樁身側摩阻力降低，進而導致單樁豎向承載力特征值降低。

3.3 綜合經濟效益分析

根據現場泥漿配制消耗材料實際采購價格，測算聚合物泥漿與膨潤土泥漿單方成本與本工程總成本，具體結果如表8 所示。

表8 泥漿綜合成本分析

本工程Φ600mm,樁長14m 灌注樁共計2000 根，由表8 數據，考慮聚合物泥漿循環使用次數為5 次，膨潤土循環使用次數為1.5 次，綜合測算可知本項目使用聚合物泥漿將比使用膨潤土泥漿單項成本節省約64.4 萬元，經濟效益可觀。

根據現場實測數據，采用聚合物泥漿護壁成孔平均擴孔系數為1.16，使用膨潤土泥漿護壁成孔平均擴孔系數為1.25，按市場商品混凝土采購價格為520 元/ m3,綜合測算可知本項目使用聚合物泥漿將比使用膨潤土泥漿混凝土使用單項成本節省約37 萬元。

4 結論

在本工程地質條件下，聚合物泥漿與膨潤土泥漿的現場對比試驗及數據分析，結果表明：

(1) 聚合物泥漿絮凝沉淀速度較快，在施工時注意應二次清孔工藝的采用，確保成樁質量；

(2) 聚合物泥漿護壁成孔與膨潤土泥漿相比，其形成的泥皮厚度較小，樁身側摩阻力能夠得到充分發揮，進而有效提高單樁豎向承載力特征值，單樁豎向承載力特征值提高幅度約11%，在工程設計階段可以適當考慮泥漿護壁類型對單樁豎向承載力特征值的影響；

(3) 聚合物泥漿與膨潤土泥漿相比，聚合物泥漿單方綜合成本較低，且擴孔系數較小，在類似地質條件下可通過試配選取聚合物泥漿進行護壁，節省施工成本，提高項目經濟效益。