王建軍 ，彭振斌，劉睦峰 ，彭文祥

(1. 中南大學(xué) 地學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖南 長沙，410083；2. 湖南省煤田地質(zhì)局，湖南 長沙，410014)

大直徑鉆孔灌注樁由于具有能適用各種地層條件、能制成各種樁徑和樁長、能滿足不同承載能力要求等諸多優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于許多特大型基礎(chǔ)工程施工中，尤其是深水、大跨徑橋梁基礎(chǔ)工程施工中，并不斷向超大超深方向發(fā)展。由于工程地質(zhì)條件越來越復(fù)雜，施工風(fēng)險也越來越大。目前，聚丙烯酰胺(PAM)和部分水解聚丙烯酰胺(HPAM)已被廣泛用于大直徑鉆孔灌注樁施工，作為絮凝劑、防塌劑、增黏劑和堵水劑，其效果與吸附作用密切相關(guān)。Scoggins等[1-2]探討了淀粉-碘化鎘比色法及等溫吸附理論方法；李小青等[3-11]分析了大直徑鉆孔灌注樁的泥漿護壁機理與孔壁穩(wěn)定的關(guān)系；Olibar等[12-15]探討了泥質(zhì)砂巖的導(dǎo)電性及泥漿流變的 Herschel-Bulkley模型。在此，本文作者結(jié)合正在施工的某長江大橋的工程特征，對PAM和HPAM在黏土顆粒表面上的等溫吸附規(guī)律和影響吸附的各個因素進(jìn)行試驗研究。

1 橋位區(qū)工程地質(zhì)特征

主墩設(shè)計樁徑為2.8 m，設(shè)計樁長為75.0 m，鉆孔孔深為95.0 m，總樁共22根。工程部分樁孔的地質(zhì)剖面如圖1所示，其主要工程地質(zhì)條件如下：覆蓋層為粉～礫砂層，厚度為24.0～25.0 m(標(biāo)高為+6.1～-18.7 m)，基巖頂部為破碎嚴(yán)重(強風(fēng)化)粉砂質(zhì)泥巖⑨1-3，其下以破碎較嚴(yán)重(中風(fēng)化)粉砂質(zhì)泥巖為⑨1-2主，其中夾有透鏡狀的⑨1-3，⑨1-1或⑨1泥巖，下部以破碎(中風(fēng)化)粉砂質(zhì)泥巖⑨1-1為主，夾有透鏡狀的⑨1-1泥巖；⑨1-3層在該墩發(fā)育的規(guī)模較小，在下游北面局部較厚，達(dá)到25.0 m，最薄處僅3.0～5.0 m，局部甚至未能揭露；⑨1-2層泥巖在位于墩位中心線附近的鉆孔中較多揭露，其次在南面上、下游角分布亦較多；⑨1-1及⑨1層泥巖分布范圍及厚度較大。由圖1可見地層特征主要為：

(1)覆蓋層松散易鉆，但孔壁穩(wěn)定性差，常出現(xiàn)塌孔、超徑等問題，對泥漿性能要求高。

(2)⑨1-3層具有遇水容易軟化崩解的特性，對泥漿的性能也要求較高。因此，最大限度地抑制泥巖的水敏水化，才能起到良好的護壁效果，抑制泥巖水敏水化的關(guān)鍵在于處理劑成分的選擇和組合。

2 實驗條件和方法

2.1 礦物成分分析

從黏土礦物學(xué)可知：泥巖主要由蒙脫石、伊利石和高嶺石礦物組成。黏土礦物具有遇水膨脹、分散的特點。其水化的突破口是裸露在晶胞表面的硅氧四面體的氧原子層．這層氧原子層每6個氧原子形成1個正六角環(huán)，這個氧六角環(huán)的空穴直徑為2.8×10-10m，K+直徑為2.66×10-10m，并因K+吸附能力強，恰好可鑲嵌在這一空穴中，形成最緊密的結(jié)構(gòu)，水和極性分子都不易進(jìn)入層間，并且可通過層間K+把兩層拉得很緊，這就可以有效地控制泥巖分散和水化膨脹。在泥漿中加入K+還會趨向封閉孔壁上泥巖的破壞楔并將其緊密約束。K+含量足夠大的鉀基泥漿具有很強的抑制泥巖水化作用。

圖1 工程地質(zhì)剖面圖Fig.1 Engineering geological profile

2.2 試驗方法的確定

在吸附試驗中，溫度為(20±0.2)℃，固液比為1∶50，在不停地?fù)u動下吸附2 h。用淀粉-碘化鎘比色法[1]，根據(jù)PAM(或HPAM)標(biāo)準(zhǔn)曲線，測其吸附平衡后的離心液濃度，由吸附前后的PAM(或HPAM)質(zhì)量濃度計算每克黏土的吸附量。

3 聚丙烯酰胺技術(shù)指標(biāo)試驗分析

3.1 PAM溶液質(zhì)量濃度與黏土顆粒表面的吸附因素

PAM被黏土顆粒吸附，主要靠酰胺基與黏土顆粒之間形成氫鍵而吸附。隨著 PAM 溶液質(zhì)量濃度的增加，形成氫鍵的機會越多，黏土的吸附量也逐漸增加。當(dāng)達(dá)到飽和吸附時，黏土的吸附量不再隨 PAM 溶液質(zhì)量濃度的增加而增大。由試驗所得 PAM 等溫吸附曲線見圖2，可見：曲線形狀基本上與Langmuir等溫吸附曲線形狀相同。

圖2 PAM等溫吸附試驗曲線Fig.2 PAM adsorption isotherm test curve

3.2 溶液pH值對吸附量的影響

實驗中，HPAM的水解度為30.2%，初始質(zhì)量濃度205.8 mg/L，將溶液的pH值調(diào)到7；分散黏土和定容所用的蒸餾水，調(diào)至不同pH值。PH值對HPA吸附量的影響見圖3?？梢姡弘S著pH值的增加，黏土顆粒表面吸附HPAM的含量下降，開始降得快，以后變化平緩。其原因是：隨著pH值逐漸降低，HPAM分子長鏈上—COONa基團中的Na+逐漸被 H+取代，變成—COOH基團?！狢OOH基團不僅減少了HPAM分子鏈上的負(fù)電性，也增加了HPAM分子與黏士顆粒形成氫鍵的能力。因此，隨著溶液 pH值降低，黏土顆粒吸附HPAM的含量增加。

圖3 pH值對HPAM吸附量的影響Fig.3 Effect of pH value on adsorption of HPAM

3.3 溫度對HPAM吸附量的影響

將質(zhì)量濃度為617.4 mg/L的HPAM溶液，加入已知黏土質(zhì)量的懸浮液中，在不同溫度的水浴中密閉加熱，在不同溫度下吸附，結(jié)果如圖4所示?？梢姡弘S著溫度升高，黏土顆粒表面上的吸附量降低。

圖4 溫度對HPAM吸附量的影響Fig.4 Effect of temperature on adsorption of HPAM

3.4 水解度對HPAM吸附量的影響

將PAM配成不同的水解度，HPAM溶液質(zhì)量濃度為199.96 mg/L，pH值為8，吸附在含鹽質(zhì)量濃度為30 g/L時進(jìn)行，溶液水解度對吸附量的影響如圖5所示。可見：隨著水解度的增加，黏土顆粒表面上吸附HPAM的含量降低。其原因是：當(dāng)水解度逐漸增加時，HPAM 分子長鏈上的—COONa基團逐漸增多，因負(fù)電性增強而與黏土顆粒的斥力變大，同時，因長鏈拉直，使在黏土顆粒表面上的吸附密度降低；此外，隨著水解度的增大，HPAM分子鏈上吸附性基團減少。

圖5 HPAM吸附量與水解度的關(guān)系Fig.5 Relationship between HPAM adsorption capacity and degree of hydrolysis

3.5 HPAM對鈉膨潤土泥漿濾失量的影響

不同類型的絮凝劑對鈉膨潤土泥漿濾失量的影響是不同的。無機電解質(zhì)或其他陽離子壓縮雙電層而產(chǎn)生絮凝作用的絮凝劑，它們都會使鈉膨潤土泥漿的濾失量上升。而非離子或陰離子型的高分子絮凝劑在不同程度上會降低鈉膨潤土泥漿的濾失量，試驗結(jié)果如圖6所示。

圖6 HPAM質(zhì)量濃度對鈉膨潤土泥漿濾失量的影響Fig.6 Influence of mass concentration of HPAM on sodium bentonite filtration

結(jié)合泥巖的水理性質(zhì)及其崩解特征，綜合試驗結(jié)果，確定如下聚丙稀酰胺的技術(shù)參數(shù)：陰離子型電解質(zhì)，相對分子質(zhì)量為(3.0～5.0)×108，水解度為 30%～50%。

4 泥漿的護壁作用與泥漿性能指標(biāo)的調(diào)配

4.1 泥漿的護壁作用分析

泥漿的護壁機理主要表現(xiàn)在2個方面：隔水膜的形成及泥漿液態(tài)靜壓力。隔水膜的形成要求土層具有一定的滲透性，否則，很難使孔壁形成隔水膜泥漿在液壓作用下浸入土層，在一定范圍內(nèi)，泥漿凝膠體黏附在土顆粒上，固定了土顆粒的相對位置，在孔壁周圍(0～2 m)形成較穩(wěn)定的土層，使土層抗剪強度增加，從而使孔壁維持穩(wěn)定。泥漿繼續(xù)滲透使泥漿中的土顆粒逐漸填補了孔壁土層的空隙，從而堵塞了水道，在孔壁形成泥皮即隔水膜，如圖7所示。

圖7 泥漿工作機理Fig.7 Mechanism of mud job

泥漿的液態(tài)靜壓力可以有效地作用在孔壁上，且減少了滲透性，保持了孔壁的穩(wěn)定。泥漿的液態(tài)靜壓力可以抵抗作用在孔壁上的土壓力和水壓力，并防止地下水滲入。因為鉆孔破壞了原狀土的受力平衡，孔壁面土體靜土壓力減少，孔壁的空隙水壓成為負(fù)值，對土體產(chǎn)生了抗拉作用。然而，當(dāng)孔內(nèi)充滿泥漿時,液壓力在孔壁面上平衡土壓力，同時，泥漿中的細(xì)小土顆粒向土層滲入也增大了土層的強度，從而保持了孔壁的穩(wěn)定。另一方面，泥皮對樁的強度、壓縮性變形等方面都造成不利影響。因為泥皮改變了樁、土接觸面的性質(zhì)，使樁側(cè)摩阻力下降，從而使樁體承載力下降。泥皮越厚，承載力下降越明顯。

由此可見，泥漿具有穩(wěn)定護壁作用，首先表現(xiàn)為泥漿靜水壓力作用，對地下水產(chǎn)生超壓力，起穩(wěn)定平衡作用；其次表現(xiàn)為泥皮作用。泥漿在孔壁上形成不透水泥皮薄膜，阻止泥漿滲透至周圍土中或者地下水侵入孔內(nèi)與泥漿混合，促進(jìn)孔壁穩(wěn)定。同時，泥漿具有抑制地層的作用，主要表現(xiàn)為泥漿的凝膠作用。

4.2 泥漿的原料和配比分析

鉆孔泥漿由水、黏土(或膨潤土)和添加劑組成。泥漿原料宜盡可能使用膨潤土，膨潤土具有密度低、黏度大、含砂量和失水量少、泥皮厚度小、穩(wěn)定性強、固壁能力強、鉆具回旋阻力小、鉆進(jìn)率高、造漿能力強等優(yōu)點。膨潤土有鈉質(zhì)和鈣質(zhì)2種，鈉質(zhì)膨潤土比鈣質(zhì)膨潤土優(yōu)。結(jié)合本項目的地層特征，為抑制泥巖水化膨脹，并有效地清除沖洗液中的無用固相，選擇聚丙烯酰胺作為絮凝劑。由于黏土礦物晶格結(jié)構(gòu)不同(如蒙脫石負(fù)電性強，水化作用強)，水化膜厚可妨礙高分子物吸附架橋作用，同時，由于負(fù)電性強，雙電子中的電動電位高，對絮凝劑中的陰離子基產(chǎn)生斥力，妨礙絮凝作用。蒙脫石在水中的分散度高，即使有少量被絮凝，影響也不大；而高嶺石等礦物水化膜厚，電動電位低，分散度小，因而容易被吸附絮凝。通過實驗確定泥漿配比見表1，基漿的性能指標(biāo)見表2。

表1 PHP泥漿原料和基本配比Table 1 Raw materials and their contents of PHP mud

表2 基漿泥漿性能Table 2 Performance of pulp slurry

4.3 現(xiàn)場泥漿性能指標(biāo)的監(jiān)測與控制

(1)根據(jù)不同地層的巖性特點，配制不同性能的泥漿以滿足不同地層的要求。上部以細(xì)砂巖、黏土為主的層段，砂礫較粗，且易造成漿。為了抑制造漿和護壁，并提高對巖屑的攜帶懸浮能力，以HPAM為主劑，加入適量的輕基纖維素(CMC)，把失水量控制在20 mL/h之內(nèi)；進(jìn)入大段泥巖時，為抑制泥巖的水化膨脹，轉(zhuǎn)入以聚丙烯睛鈣(CPAN)為主，加入適量的HPAM作為護膠穩(wěn)定劑；若遇到破碎嚴(yán)重段時，可加入重晶石粉BaSO4，以提高防塌能力。各層的泥漿性能指標(biāo)見表3。

(2)現(xiàn)場維護，加強泥漿管理。每天對泥漿性能進(jìn)行檢測，根據(jù)檢測結(jié)果，結(jié)合不同地層隨時對泥漿性能進(jìn)行調(diào)整，具體方法如下：

① 若黏度增高、失水偏大，可加入 HPAM 和CPAN水溶液處理。

② 若黏度不高、失水偏大，可加入 CPAN水溶液處理。

③ 若黏度偏高、絮凝物少，且失水不大，可加入HPAM水溶液或清水處理。

④ 若pH值過低，可加入純堿Na2CO3進(jìn)行處理。

⑤ 當(dāng)含砂率超標(biāo)，需開啟泥漿分離器，降低含砂率。

⑥ 當(dāng)鉆進(jìn)深度離終孔還有2 m時，應(yīng)對泥漿的性能進(jìn)行1次調(diào)整，可加入HPAM和CPAN水溶液，將泥漿黏度提高到20 s以上，并開啟泥砂處理器，降低含砂率，慢慢地加入清水，以補充泥砂處理器清除砂后的體積并降低密度。

表3 鉆進(jìn)過程中的泥漿性能Table 3 Performance of mud in process of drilling

5 結(jié)論

(1)黏土顆粒隨著溶液中鈉離子濃度的增加，HPAM的吸附量也增加；隨著溶液pH值、水解度和溫度的增加，HPAM的吸附量降低。

(2)在大口徑深孔作業(yè)過程中，常因絮凝劑的性能參數(shù)選用不當(dāng)，導(dǎo)致泥漿性能指標(biāo)很難達(dá)到施工作業(yè)要求。通過室內(nèi)試驗和工程檢驗，在淡水造漿采用聚丙稀酰胺作為絮凝劑時，其技術(shù)參數(shù)如下：陰離子型電解質(zhì)，相對分子質(zhì)量為(3.0～5.0)×108，水解度為30%～50%。

(3)通過室內(nèi)試驗調(diào)配的泥漿材料及其配合比，有很好的護壁堵漏及防坍塌作用，對大口徑樁基施工具有一定指導(dǎo)意義。

[1]Scoggins M W. Determination of water-soluble polymers containing primary amide groups using the starch-triiodide method[J]. 1979(6): 726-732.

[2]Rauss G K. Adsorption of Elastomers on carbon black[J]. Ind Eng Chem, 1995(47): 1809.

[3]李小青, 郝行舟, 朱宏平, 等. 大口徑鉆孔灌注樁的孔壁穩(wěn)定研究分析[J]. 華中科技大學(xué)學(xué)報: 城市科學(xué)版, 2007, 24(2):25-28.LI Xiao-qing, HAO Hang-zhou, ZHU Hong-ping, et al. Analysis on the stability of hole wall of large diameter bored pile[J].Journal of Huazhong University of Science and Technology:Urban Science Edition, 2007, 24(2): 25-28.

[4]La R, Wanapum R S. Development-slurry trench and grouted cut-off[C]//Proceedings of Symposium: Grouts and Drilling Mudsin Engineering Practice. Buttreworths, London, 1963:2657-2664.

[5]Gill S A. Aplications of slurry walls in civilengi-neering[J].Journal of Construction Division, ASSE, 1980(106): 156-167.

[6]徐奮強, 王旭. 護壁泥漿與孔壁穩(wěn)定性及極限孔深[J]. 蘭州交通大學(xué)學(xué)報: 自然科學(xué)版, 2004, 23(4): 9-12.XU Fen-qiang, WANG Xu. Research on stability of hole wall of deep bore hole with mud dado and limit deepness of bore hole[J].Journal of Lanzhou Jiaotong University: Natural Sciences, 2004,23(4): 9-12.

[7]張雄文, 管義軍, 周建華. PHP泥漿在橋梁超長超大直徑鉆孔灌注樁施工中的應(yīng)用[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2005, 24(14):2571-2575.ZHANG Xiong-wen, GUAN Yi-jun, ZHOU Jian-hua.Application of PHP slurry to drilling of over-length and extra-large diameter bored-piles[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2005, 24(14): 2571-2575.

[8]張興國, 劉崇建, 楊遠(yuǎn)光, 等. 水泥漿體系穩(wěn)定性對水泥漿失重的重要影響[J]. 西南石油學(xué)院學(xué)報, 2004, 26(3): 68-71.ZHANG Xing-guo, LIU Cong-jian, YANG Yuan-guang, et al.Important influence about stability of the cement mud system to losing the heavy[J]. Journal of Southwest Petroleum Institute,2004, 26(3): 68-71.

[9]肖云輝. 砂卵石地層鉆孔灌注樁基礎(chǔ)的施工[J]. 南平師范?？茖W(xué)院學(xué)報, 2003, 22(2): 62-66.XIAO Yun-hui. Drilling pile construction in sandy gravel[J].Journal of Nanping Teachers College, 2003, 22(2): 62-66.

[10]李奮強, 彭振斌, 楊坪, 等. 海洋中大口徑鉆孔灌注樁施工工藝的探討[J]. 施工技術(shù), 2004, 33(5): 39-41.LI Fen-qiang, PENG Zhen-bin, YANG Ping, et al. The exploration of construction technology of large diameter drilled grouting pile in sea[J]. Construction Technology, 2004, 33(5):39-41.

[11]谷天本, 蔣國盛. 反循環(huán)鉆孔灌注樁鉆進(jìn)技術(shù)探討[J]. 山西建筑, 2001, 34(5): 134-135.GU Tian-ben, JIANG Guo-sheng. Discussion on the reverse circulation drilling cast-in-place pile drilling technique[J].Shanxi Building, 2001, 34(5): 134-135.

[12]Olibar A L, Lima D, Mulul M. A grain conductivity approach to shaly sandstones[J]. Geophysics, 1990, 55(10): 1347-1355.

[13]Zomora M, Bleier R. Prediction of drilling mud rheology using a simplified Herschel-Bulkley model[J]. Journal of Pressure Vessel Technology, 1997, 99(3): 485-490.

[14]McKyes E, Ali O S. The cutting of soil by a narrow blade[J]. J Terramech, 1997, 14(2): 43-58.

[15]ZHANG Ji, Kushwaha R L. A modified model to predict soil cutting resistance[J].Soil & Tillage Research, 1995(34):157-168.