鄭秀華，張新明，于進洋，陳 曦，劉選朋，劉翠娜，梁 楠

(1.中國地質(zhì)大學(北京)，北京 100083;2.中航勘察設(shè)計研究院有限公司，北京 100098)

1 前言

鉆孔灌注樁施工地層常是覆蓋層較厚或軟弱的沖積層，而且很少由單一土質(zhì)構(gòu)成，大多數(shù)是由粘土、粉土、砂和礫石等互層構(gòu)成。對于這樣的復(fù)合地基，一般是不良地質(zhì)體，最容易坍塌。鉆孔灌注樁泥漿主要功能是穩(wěn)定孔壁、懸浮和攜帶鉆渣(Giu，1980;李月良，1987;荊和平，1990;徐奮強等，2004)。鉆孔灌注樁泥漿性能主要包括密度、粘度、靜切力、失水量、泥皮質(zhì)量、含砂量、膠體率和pH值。其中，密度提供液柱壓力平衡地層壓力，正循環(huán)泥漿粘度和切力對于穩(wěn)定孔壁、懸浮和攜帶鉆渣具有重要意義。

泥漿的流變特性和水力參數(shù)在石油鉆井和地質(zhì)勘探中已經(jīng)有比較深入的研究。與石油鉆井和地質(zhì)勘探相比，鉆孔灌注樁具有自身特點，如孔徑大，孔深小、要求泥漿成分簡單、環(huán)保且成本低廉(Zomora et al.，1997;荊和平等，2001;劉睦峰等，2010;占樣烈等，2010)。鉆孔灌注樁泥漿的流變特性評價和水力參數(shù)分析有自己的特點。本文實驗研究表明，鉆孔灌注樁泥漿流變特性可用賓漢塑性流變模式描述。由于其鉆孔灌注樁循環(huán)速度低，孔徑大，其剪切速率低，用低剪速率下的數(shù)據(jù)評價其流變參數(shù)更科學。

2 流變特性分析

2.1 鉆孔灌注樁泥漿流變性能實驗研究

鉆孔灌注樁泥漿根據(jù)所鉆地層不同可以采用膨潤土配制;也可以用清水鉆井，利用地層粘性土自造漿(地層粘土質(zhì)量不好時需要摻加膨潤土);對于復(fù)雜地層，需要添加一些處理劑配制優(yōu)質(zhì)泥漿(DZ/T 0155－95，1995)。用 ZNN－D6S型六速旋轉(zhuǎn)粘度計，對幾種典型鉆孔灌注樁泥漿進行了實驗，實驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 流變性能測試Table 1 Test results of rheological properties of mud with varied components

由公式(1)、(2)和表1數(shù)據(jù)計算出常用鉆孔灌注樁泥漿的剪切應(yīng)力和剪切速率并繪制流變曲線(見圖1)。

式中，τ為剪切應(yīng)力，Pa;θN為轉(zhuǎn)速為Nr/min時的讀數(shù)，無量綱。

式中，γ 為剪切速率，s－1;N 為轉(zhuǎn)速，r/min。

由圖1可以看出，決定系數(shù)R2均接近1，鉆孔灌注樁泥漿的剪切速率與剪切應(yīng)力呈線性關(guān)系，基本滿足賓漢流體模式的流變方程τ=τd+μpγ，因此可以判定鉆孔灌注樁泥漿為賓漢塑性流體(烏效鳴等，2002;鄢捷年，2006)。

2.2 正循環(huán)鉆孔灌注樁泥漿流動特性

在施工中常因為泵量不足影響鉆進速度，使孔底巖屑增多，回轉(zhuǎn)阻力增大，松散地層也會因泵量過大而沖垮孔壁甚至造成事故。根據(jù)有關(guān)資料經(jīng)驗(林宗元，1993)，在非固結(jié)地層鉆進時泥漿上返速度不宜超過0.17m/s;而如穩(wěn)定地層采用牙輪或鋼粒鉆進時，泥漿上返速度一般取 0.25～0.5 m/s。由于環(huán)空內(nèi)泥漿上返速度低，其剪切速率大多數(shù)在0 ～30s－1范圍內(nèi)(見表2)。

2.3 鉆孔灌注樁泥漿流變參數(shù)計算分析

鉆孔灌注樁泥漿屬于賓漢塑性流體，流變參數(shù)包括塑性粘度(μp)、動切力(τd)、動塑比、有效粘度(μe)和靜切力(τs)。用六速粘度計測試，其流變參數(shù)計算如下:

表2 正循環(huán)環(huán)空內(nèi)剪切速率Table 2 Share rate in annular space

式中，μp為塑性粘度，mPa·s;N1、N2為六速旋轉(zhuǎn)粘度計的轉(zhuǎn)速，r/min;θN1、θN2為轉(zhuǎn)速分別為 N1、N2r/min時的讀數(shù)，無量綱。τd為動切力，Pa;μe為有效粘度，mPa·s。

在石油鉆井和地質(zhì)勘探泥漿中，N2和N1分別取600r/min和300r/min，計算公式分別為 μp= θ600－ θ300，τd=0.511(2θ300－ θ600)，μe=0.5θ600。由于鉆孔灌注樁孔徑大，泥漿在循環(huán)過程中處于低減速率范圍內(nèi)，需要重新推導計算公式。由公式(3)、(4)和表1實驗數(shù)據(jù)，分別計算各轉(zhuǎn)速段內(nèi)的塑性粘度和動切力(見表3)，并由公式(5)和表1實驗數(shù)據(jù)，分別計算不同轉(zhuǎn)速對應(yīng)的有效粘度(見表4)。

表3 不同轉(zhuǎn)速段的塑性粘度和動切力Table 3 Plastic viscosity and yield values in different rotationspeed ranges

表4 不同轉(zhuǎn)速下的有效粘度Table 4 Effective viscosity at different rotation speeds

由表3、4中數(shù)據(jù)可以看出，不同的轉(zhuǎn)速段所得到的塑性粘度和動切力是不同的，不同轉(zhuǎn)速對應(yīng)的有效粘度之間差距很大。鉆孔灌注樁樁徑大，上返速度低，剪切速率低，因此可采用100～6r/min和6～3r/min兩個分段來計算塑性粘度和動切力。但是從表3中6～3r/min分段的計算結(jié)果可以看出由于六速粘度計儀器本身的精度問題會出現(xiàn)異常值，因此采用100～6r/min計算塑性粘度和動切力。根據(jù)鉆孔灌注樁泥漿的低剪切速率范圍(0～30s－1)，采用3r/min計算有效粘度。

綜上分析，將100r/min和6r/min代入公式(3)、(4)，將3r/min代入公式(5)，推導出塑性粘度、動切力和有效粘度的計算公式如下:

動塑比即賓漢塑性流體動切力和塑性粘度的比值，用來表征泥漿剪切稀釋性的強弱。由表2中的計算結(jié)果，得到幾種典型鉆孔灌注樁泥漿的動塑比(見表5)。

表5 鉆孔灌注樁泥漿的動塑比Table 5 Ratios of dynamic stress to plastic viscosity of bored-pile mud

根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗和有關(guān)計算，提出動塑比控制在0.36 ～0.48Pa/(mPa·s)是比較適宜的，有利于實現(xiàn)平板型層流，達到穩(wěn)定井壁和有效攜渣的目的。由表3中數(shù)據(jù)可以看出，幾種典型鉆孔灌注樁泥漿的動塑比一般小于要求值，可以適當加入黃原膠(XC)提高動塑比。

當泥漿停止循環(huán)時，泥漿能迅速形成空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，將鉆渣懸浮起來，或以很慢的速度下沉;而開泵時，泵壓又不能上升太高，以防憋漏地層。提供懸浮能力的決定因素是泥漿的靜切力和觸變性。

假設(shè)鉆渣顆粒為球形(Concha，2009;劉永建等，1990;周鳳石，1982)，根據(jù)它們的重力與泥漿對它們的浮力和豎向切力相平衡的關(guān)系，可以得到懸浮鉆渣所需要的靜切力為:

式中，Ds為鉆渣或加重劑顆粒的直徑，mm;ρs為鉆渣的密度，g/cm3;ρm為泥漿的密度，g/cm3;τs為泥漿的靜切力，Pa;g為重力加速度，取g=9.8m/s2。

由公式可以看出，有效懸浮鉆渣的靜切力與鉆渣粒徑、密度和泥漿密度有關(guān)(Chien，1994)。計算不同粒徑鉆渣在不同泥漿密度中所需靜切力見表6。

表6 有效懸浮鉆渣靜切力表Table 6 Static shear stress of effective suspend drilling residual

對于碎石土，鉆渣粒徑達到60mm時，有效懸浮鉆渣靜切力＞15Pa;當鉆渣粒徑為10mm時，有效懸浮鉆渣靜切力3Pa;對于砂土，其粒徑小于2mm，泥漿靜切力達到0.5Pa，就可以被泥漿有效懸浮。由六速粘度計測得的實驗數(shù)據(jù)計算出幾種典型泥漿的靜切力，包括初切力和終切力(見表7)，從表中數(shù)據(jù)可以看出通過選用不同的泥漿配方一般可以滿足懸浮鉆渣的要求。

表7 泥漿實驗初切力、終切力表Table 7 Initial and final shear stress of mud in tests

3 水力參數(shù)分析

鉆孔灌注樁泥漿的主要功用之一就是清洗井底并將鉆渣攜帶到地面上來，泥漿的清洗能力除取決于泥漿的流變性能外，還取決于循環(huán)系統(tǒng)的水力參數(shù)。泥漿流變參數(shù)直接用于水力學的有關(guān)計算，二者缺一不可。與泥漿攜帶鉆渣密切相關(guān)的兩個水力學參數(shù)是攜帶比(LC)和雷諾系數(shù)(Re)。

3.1 鉆孔灌注樁泥漿環(huán)空流型分析

紊流上返速度高，攜帶土渣能力強，但要求泵的排量大(柳宗仁等，2000;査顯東，2010)。同時，由于上返速度高對巖土層沖刷容易導致地層失去穩(wěn)定性，高的上返速度不利于穩(wěn)定孔/槽壁。因此，鉆孔灌注樁泥漿的環(huán)空流態(tài)應(yīng)保證為層流。由公式(10)、(11)結(jié)合實驗數(shù)據(jù)計算出鉆孔灌注樁泥漿在環(huán)空中的雷諾系數(shù)(見表8)。

式中，μea為有效粘度，mPa·s;va為上返速度，m/s;D為鉆孔直徑，mm;Dp2為鉆桿外徑，mm;ρm為泥漿密度，g/cm3;Rea為環(huán)空雷諾系數(shù)，無量綱。

從表中數(shù)據(jù)可以看出，鉆孔灌注樁泥漿的環(huán)空雷諾系數(shù)Re＜2100，屬于層流。

表8 正循環(huán)鉆孔灌注樁泥漿環(huán)空雷諾系數(shù)Table 8 Reynolds coefficients of borehole－pile mud in annular space

表9 正循環(huán)鉆孔灌注樁泥漿攜渣能力計算Table 9 Carry ability of drilling residual of borehole－pile mud in annular space

3.2 層流攜渣原理

鉆孔灌注樁樁徑大，泥漿上返速度低，環(huán)形空間內(nèi)泥漿處于層流狀態(tài)。泥漿循環(huán)過程中攜帶鉆渣顆粒向上運動，鉆渣顆粒由于重力作用向下滑落，鉆渣顆粒向上運動的速度取決于泥漿的上返速度與顆粒自身滑落速度之差，即

式中，vp－巖屑的凈上升速度，m/s;va－泥漿的上返速度，m/s;vs－鉆渣的沉降速度，m/s。

鉆渣顆粒的沉降速度與鉆渣顆粒的尺寸、鉆渣的密度、泥漿密度和泥漿有效粘度有關(guān)(方國球，1995;SY5234 －2004，2004)，計算公式如下，

式中，符號物理意義同前。

vp/va為泥漿的攜帶比，攜帶比大于等于0.5時認為泥漿能夠穩(wěn)定有效攜帶鉆渣。

從表9數(shù)據(jù)可以看出，對于穩(wěn)定地層(如粘土層)，上返速度在0.17m/s時即可滿足攜渣要求，也可以在泵量允許范圍內(nèi)適當提高返速;對于非固結(jié)地層返速在0.25～0.5m/s時一般也可以滿足攜渣要求，但當鉆渣顆粒尺寸特別大時無法靠提高返速將其攜帶到地面，可以通過重復(fù)破碎將少量大塊鉆渣攜帶出地面。

4 結(jié)論

實驗研究表明鉆孔灌注樁泥漿基本屬于賓漢塑性流體。推導出適合評價鉆孔灌注樁泥漿的流變參數(shù)計算公式。指出鉆孔灌注樁泥漿的層流特性，并對其懸浮和攜渣特性進行了定量分析。

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