楊明星，王麗仙

（山西省第三地質(zhì)工程勘察院，山西晉中 030620）

旋挖鉆孔低粘降失水泥漿配制應(yīng)用技術(shù)

楊明星，王麗仙

（山西省第三地質(zhì)工程勘察院，山西晉中 030620）

在厚粘土、粉土、砂層進(jìn)行旋挖鉆孔灌注樁施工，通常由于泥漿孔口補(bǔ)給、泥漿不循環(huán)的工藝缺陷，導(dǎo)致塌孔、埋鉆、卡鉆、縮徑、斷樁事故頻繁發(fā)生。在分析低粘、降失水、加速鉆渣沉淀的解決機(jī)理的前提下，提出了配制低粘度、高降失水、防絮凝的鐵鉻鹽-LV-CMC泥漿并同步孔底補(bǔ)漿工藝，可不需循環(huán)泥漿清孔，保證成孔質(zhì)量，提高工作效率。

旋挖鉆孔灌注樁;鐵鉻鹽-LV-CMC泥漿;低粘降失水泥漿;防絮凝;孔底補(bǔ)漿

1 問(wèn)題的提出

旋挖鉆孔灌注樁技術(shù)由于其工作效率高、塵土泥漿污染少，被譽(yù)為“綠色施工工藝”，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在粘土、粉土、砂土、填土、碎石土及風(fēng)化巖層等施工。在厚粘土、粉土、砂土、填土層，非干作業(yè)旋挖鉆孔需要泥漿護(hù)壁工藝，泥漿使用存在以下問(wèn)題。

（1）由于進(jìn)尺快，短期可遇水敏性地層和松散性地層。

（2）泥漿孔口補(bǔ)給，泥漿不循環(huán)，隨深度增加，孔頂段是優(yōu)質(zhì)泥漿而底段是失水量不斷提高、含砂率不斷增多的報(bào)廢泥漿，新挖孔壁不能及時(shí)形成低滲透率優(yōu)質(zhì)泥皮，必然出現(xiàn)水敏性地層縮徑、松散性地層孔壁剝落或坍塌或廢漿大量滲透堆積孔壁致縮徑、砂率太高，清孔難度大。

施工過(guò)程中，如果配漿、調(diào)漿、補(bǔ)漿工藝不當(dāng)，造成孔壁不穩(wěn)定，可引起如下后果:過(guò)長(zhǎng)時(shí)間反復(fù)掃縮徑孔段，過(guò)長(zhǎng)時(shí)間處理埋鉆、卡鉆、填孔再鉆挖，長(zhǎng)時(shí)間清孔，清孔后再縮徑，灌注中砂沉積造成斷樁。其工作效率甚至遠(yuǎn)低于泥漿循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝。

為此，筆者針對(duì)地質(zhì)情況，配制不需循環(huán)清孔的穩(wěn)定泥漿，同步孔底補(bǔ)漿，充分發(fā)揮旋挖機(jī)械的優(yōu)勢(shì)，僅利用鉆斗或提桶機(jī)械排出終孔后的孔底少量廢漿，滿足成孔要求，大大提高工作效率。

2 泥漿設(shè)計(jì)和使用重點(diǎn)

混凝土灌注樁鉆孔用泥漿都是水基泥漿。對(duì)厚粘土層、粉土層和砂層，泥漿設(shè)計(jì)和使用中要注意以下重點(diǎn)。

（1）降失水護(hù)壁，抑制粘土層水化膨脹，防止縮徑;抑制粉土、砂礫層孔壁剝落;

（2）較低粘度，防絮凝，加速泥漿中漂浮的土顆粒、細(xì)砂沉淀;

（3）選擇合適泥漿密度，平衡孔隙水壓力和構(gòu)造壓力，鞏固孔壁，防止軟弱層、松散層坍塌;

（4）隨進(jìn)尺同步孔底補(bǔ)充泥漿，保持新挖孔壁及時(shí)形成低滲透率優(yōu)質(zhì)泥皮，及時(shí)凈化改善孔底段泥漿;

（5）灌注混凝土后，孔內(nèi)排出泥漿調(diào)配再利用。

3 低粘、降失水、加速鉆渣沉淀的解決機(jī)理

3.1 低粘羧甲基纖維素鈉鹽（LV-CMC）降低濾失量［1］

CMC在泥漿中電離生成長(zhǎng)鏈的多價(jià)陰離子，其分子鏈上的羥基和醚氧基為吸附集團(tuán)，而羧鈉基為水化集團(tuán)。羥基和醚氧基通過(guò)與粘土顆粒表面上的氧形成氫鍵或與粘土顆粒斷鍵邊緣上的Al3+之間形成配位鍵（加入鐵鉻鹽會(huì)削弱配位鍵形成）使CMC能吸附在粘土上;而多個(gè)羧鈉基通過(guò)水化使粘土顆粒表面水化膜變厚，粘土顆粒表面ξ電位的絕對(duì)值升高，負(fù)電量增加，從而阻止粘土顆粒之間因碰撞而聚結(jié)成大顆粒（護(hù)膠作用）。

多個(gè)粘土顆粒會(huì)同時(shí)吸附在CMC的一條分子鏈上，形成布滿整個(gè)體系的混合網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而提高了粘土顆粒的聚結(jié)穩(wěn)定性，有利于保持泥漿中細(xì)顆粒的含量，形成致密的泥餅，阻止了泥漿中的水向地層的漏失，降低濾失量。

具有高粘度和彈性的吸附水化層對(duì)泥餅的堵孔作用和CMC溶液的粘度在一定程度上起降濾失的作用。

加入LV-CMC提高了原漿穩(wěn)定性和降濾失的作用，同時(shí)也少許加大泥漿粘度。

碳酸鈉除去膨潤(rùn)土和水中的部分鈣離子，使鈣質(zhì)膨潤(rùn)土轉(zhuǎn)化為鈉質(zhì)膨潤(rùn)土，從而提高土的水化分散能力，使粘土顆粒分散得更細(xì)，提高造漿率?？稍黾铀ず穸?，提高泥漿的膠體率和穩(wěn)定性，降低失水量。有的粘土只加純堿還不行，需要加少量燒堿。灌注混凝土后，孔內(nèi)排出泥漿再利用的調(diào)配，可能因鈣離子的增多，必須鈉化處理。

3.3 加堿調(diào)整泥漿pH值［2］

泥漿中pH值過(guò)小時(shí)，粘土顆粒難于分解，粘度降低，失水量增加，流動(dòng)性降低，pH值＜7時(shí)，還會(huì)使鉆具受到腐蝕;若pH值過(guò)大，則泥漿將滲透到孔壁的粘土中，使孔壁表面軟化，粘土顆粒之間凝聚力減弱，造成裂解而使孔壁坍塌。如果隨著純堿加入失水量反而增大，就說(shuō)明純堿加過(guò)量了。

3.4 鐵鉻木質(zhì)素磺酸鹽（FCLS）稀釋降粘加速鉆渣沉淀［1］

FCLS作稀釋劑，在粘土顆粒的斷鍵邊緣上形成吸附水化層，從而削弱粘土顆粒之間的端-面和端-端連接，從而削弱或拆散空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，致使泥漿的粘度和切力顯著降低。可改善因混雜有土、砂粒、碎卵石及鹽分等而變質(zhì)的泥漿性能，可使上述鉆渣等顆粒聚集而加速沉淀，改善護(hù)壁泥漿的性能指標(biāo)，既達(dá)到重復(fù)使用目的，又具有高質(zhì)量性能。鐵鉻鹽分子在孔壁粘土上吸附，有抑制其水化分散作用，有利于孔壁穩(wěn)定。FCLS必須在pH值為9～11時(shí)使用才會(huì)發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。

4 泥漿的配制

4.1 膨潤(rùn)土

膨潤(rùn)土分為鈉基土、鈣基土和鋰基土3種。鈉基土具有優(yōu)良的分散性和膨脹性，高造漿率，低失水量及膠體性能和剪切稀釋能力;而鈣基土則需要通過(guò)加入純堿使之轉(zhuǎn)化為鈉基土方可使用;鋰基土不用作造漿土。膨潤(rùn)土由其產(chǎn)地不同而性能不同，應(yīng)以經(jīng)濟(jì)適用為主。易受陽(yáng)離子感染時(shí)，宜選用鈣土，但造漿率低。

一般用量為水的3% ～5%（粘土層）、4% ～6%（粉土層）、7% ～9%（細(xì)砂～粗砂層）。較差的膨潤(rùn)土用量大。優(yōu)質(zhì)膨潤(rùn)土造漿率在10～15 m3/t。

雖然膨潤(rùn)土泥漿具有相對(duì)密度低、粘度低、含砂量少、失水量小、泥皮薄、穩(wěn)定性強(qiáng)、固壁能力高、鉆具回轉(zhuǎn)阻力小、鉆進(jìn)效率高、造漿能力大等優(yōu)點(diǎn)，但仍不能完全適應(yīng)地層，要適量摻加外加劑。

4.2 泥漿性能指標(biāo)

4.2.1 澆注混凝土前的指標(biāo)要求

孔底500 mm以內(nèi)的泥漿密度＜1.25 g/cm3;含砂率≯8%;粘度≯28 s。［3］

對(duì)大直徑樁或有特定要求的樁，要求澆注混凝土前，從樁孔的頂、中、底部分別取樣計(jì)算平均值，泥漿密度1.03～1.10 g/cm3;含砂率＜2%;粘度17～20 s。［2］

4.2.2 初配泥漿或重復(fù)利用再調(diào)制泥漿性能指標(biāo)

pH值8～10;密度1.02～1.06 g/cm3（粘土層取小值，粉土層取中值，砂層取大值，并保證地下水位處有大于1.5個(gè)水頭壓力的泥漿柱）;粘度18～22 s（粘土層取小值，粉土層取中值，砂層取大值）;失水量10～20 mL/30 min。原漿最好使用前24 h時(shí)配制，使膨潤(rùn)土充分鈉化、水化溶脹，泥漿充分陳化。

4.2.3 勤檢測(cè)孔底、中、頂部泥漿性能

勤檢測(cè)孔底、中、頂部泥漿的 pH值、密度、粘度、含砂率、漏失量，對(duì)比澆注混凝土前的指標(biāo)要求，掌握泥漿降失水和凈化作用程度，以決定增減外加劑用量，優(yōu)化泥漿配方，或針對(duì)地質(zhì)情況局部調(diào)整達(dá)到降失水和凈化作用。

4.3 外加劑的用量

純堿的加量依粘土中鈣的含量而異，鈉土少加，鈣土多加，并要調(diào)整泥漿pH值到9～11?？赏ㄟ^(guò)小型實(shí)驗(yàn)求得。

LV-CMC摻入量為膨潤(rùn)土的0.1% ～0.3%。FCLS摻入量為膨潤(rùn)土的0.1% ～0.3%。

4.4 泥漿配制方法

（1）泥漿池的容量宜不小于樁體積的3倍。泥漿池一般分原漿池、調(diào)漿池、沉淀池3種。

（2）將工業(yè)純堿粉加水溶解，拌入原漿池造漿水中。

（3）膨潤(rùn)土造漿最好選用水力攪拌器。土粉加入漏斗中，并利用水泵排出管的液流與土粉在混合器中混合，混合液在混合器中沿螺旋線上升至容器上部，輸出泥漿，反復(fù)循環(huán)。靜置24 h后再反復(fù)循環(huán)。所得泥漿稱原漿或基漿，原漿泵入調(diào)漿池，原漿池可繼續(xù)配制原漿。

（4）LV-CMC提前制成稀溶液。調(diào)漿池泥漿反復(fù)循環(huán)，將LV-CMC稀溶液從漏斗徐徐加入，充分混合均勻。

（5）FCLS提前制成稀溶液，待LV-CMC液加完并循環(huán)幾次后，仍從漏斗徐徐加入，反復(fù)循環(huán)。

（6）灌注時(shí)，從鉆孔中排出的泥漿首先經(jīng)過(guò)沉淀池沉淀，再進(jìn)入調(diào)漿池。檢測(cè)調(diào)漿池泥漿指標(biāo)，補(bǔ)加各種原材料調(diào)配，使其滿足泥漿性能指標(biāo)要求。

5 泥漿應(yīng)用

5.1 泥漿應(yīng)用改進(jìn)情況

京滬高鐵淮海特大橋樁基工程，設(shè)計(jì)孔深55 m，孔徑1000 mm。水位-1 m，汛期和稻田灌溉時(shí)，水位等于地表。開(kāi)孔為厚粉土層，其下為粘土、粉土、粉砂、細(xì)砂、中砂互層，粉土、粉砂、細(xì)砂層居多。

填筑鉆孔平臺(tái)，埋4 m長(zhǎng)護(hù)桶。試驗(yàn)孔用高粘Na-CMC泥漿，孔口補(bǔ)漿工藝。下部粘土層不斷出現(xiàn)縮徑—掃孔—再縮徑—再掃孔。挖至設(shè)計(jì)孔深，1 h后孔底沉砂4 m?？讖津?yàn)收后正循環(huán)泥漿清孔，先增粘后稀釋。清孔驗(yàn)收后再驗(yàn)收孔徑，砂層和粘土層多處縮徑，砂層最小孔徑不足800 mm。統(tǒng)計(jì)挖孔用4 h，掃孔用3 h，清孔用4 h。

改用孔底補(bǔ)漿工藝，未出現(xiàn)縮徑，挖至設(shè)計(jì)孔深后，1 h孔底沉砂20 cm，但泥漿稠度大，砂率達(dá)到12%，清孔前后孔徑驗(yàn)收合格。統(tǒng)計(jì)挖孔用5 h，掃孔用0 h，清孔用6 h。

用鐵鉻鹽-LV-CMC泥漿［4］，孔底補(bǔ)漿工藝，孔壁穩(wěn)定，未出現(xiàn)縮徑、坍塌事故。挖至設(shè)計(jì)孔深，提桶撈出孔底約2 m3廢漿。1 h后孔底沉砂4 cm。孔徑驗(yàn)收合格。檢測(cè)孔底、中、頂部泥漿指標(biāo)平均值，密度 ＜1.07 g/cm3、粘度 ＜18 s、含砂率 ＜1.5%。滿足灌注要求。統(tǒng)計(jì)挖孔用5 h，掃孔用0 h，清孔用15 min。

本工程230個(gè)鉆孔全部使用鐵鉻鹽-LVCMC泥漿，孔壁穩(wěn)定，混凝土灌注順利，經(jīng)檢測(cè)，全部達(dá)到一類樁要求。實(shí)踐證明，鐵鉻鹽-LV-CMC泥漿完全適合厚粘土、粉土、砂層旋挖成孔，施工效率高，質(zhì)量有保證。

5.2 鐵鉻鹽-LV-CMC泥漿配方及配制

5.2.1 泥漿配方及性能要求

不同地層、不同目的的泥漿配方及性能要求見(jiàn)表1。

表1 不同地層的泥漿配方及性能

5.2.2 泥漿配制

首先配制原漿，配方為:水1000 L，膨潤(rùn)土95 kg，工業(yè)純堿粉約 24 kg，LV- CMC 0.095 kg，F(xiàn)CLS溶液（濃度20%）加量0.475 kg。

然后進(jìn)行調(diào)漿，每立方米原漿加0.35 m3水稀釋，控制pH值到10，得到適合粉土、粘土層的泥漿;每立方米原漿加0.18 m3水稀釋，加LV-CMC 90 g，F(xiàn)CLS溶液（濃度20%）470 g，控制pH值到11，得到適合粉砂、細(xì)砂層的泥漿;每立方米原漿加LV-CMC 180 g，控制pH值到10，得到適合中砂層的泥漿。

5.2.3 重復(fù)使用的泥漿性能調(diào)整方法

如不需補(bǔ)充膨潤(rùn)土，工業(yè)純堿粉的補(bǔ)充量以滿足pH值10來(lái)確定，LV-CMC、FCLS的補(bǔ)充量以上述不同地層對(duì)應(yīng)加量的1/4～1/3來(lái)確定;如還需再補(bǔ)充膨潤(rùn)土，各外加劑再補(bǔ)充量以上述不同地層對(duì)應(yīng)加量按比例加入。

6 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)旋挖鉆孔厚土砂層，闡述所需泥漿的設(shè)計(jì)重點(diǎn)、解決機(jī)理、配、調(diào)應(yīng)用技術(shù)。實(shí)踐證明，鐵鉻鹽-LV-CMC泥漿配調(diào)技術(shù)，結(jié)合孔底補(bǔ)漿工藝，使旋挖鉆孔在節(jié)約成本的前提下，有效保證成孔、成樁質(zhì)量，大大提高經(jīng)濟(jì)效益，深受好評(píng)。筆者認(rèn)為該工藝技術(shù)有推廣應(yīng)用價(jià)值。

［1］ 鄭秀華.鉆井液配漿材料與處理劑（巖心鉆探關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)展與應(yīng)用培訓(xùn)班材料）［Z］.北京:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京），2009.

［2］ JTGTF 50-2011，公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范［S］.

［3］ JGJ 94-2008，建筑工程樁基施工規(guī)范［S］.

［4］ 烏效鳴.鉆井液與巖土工程漿液［M］.湖北武漢:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社，2002.

Application Technology of Preparation of Low Viscosity and Fluid Loss Control Mud for Rotary Drilling Borehole

YANG Ming-xing，WANG Li-xian（Shanxi Province No.3 Institute of Hydrogeology and Engineering Geology Investigation，Jinzhong Shanxi 030620，China）

For rotary drilling bored grouting pile construction in thick clay，silt and sand layer，borehole collapsing，drill rod burying，drill rod sticking，diameter shrinking and pile breaking often occur because of technical defects such as mud surpplying at borehole orifice and non-recirculation.On the premise of analysis on the mechanism in which low viscosity，fluid loss reduction and speed-up cuttings precipitation were solved，the formula of FCLS LV-CMC mud with low viscosity，high-level fluid loss reduction and anti-precipitation was put forward with simultaneous mud surpplying at hole bottom;hole cleaning by circulating mud was unnecessary to improve working efficiency.

rotary drilling bored grouting pile;FCLS LV-CMC mud;mud with low viscosity and fluid loss reduction;anti-precipitation;mud surpplying at hole bottom

TU473.1+4

A

1672-7428（2012）02-0064-03

2011-08-06;

2011-11-14

楊明星（1969-），男（漢族），山西平陸人，山西省第三地質(zhì)工程勘察院工程師，探礦工程專業(yè)，從事地基與基礎(chǔ)工程、地質(zhì)災(zāi)害治理設(shè)計(jì)、施工與研究工作，山西省晉中市，yangmingxing8881@163.com;王麗仙（1970-），女（漢族），山西晉中人，山西省第三地質(zhì)工程勘察院工程師，地質(zhì)專業(yè)，從事地質(zhì)工程技術(shù)工作。