粉砂地質(zhì)下泥漿物理性能對(duì)樁基施工的影響及改進(jìn)

張佩明

中交三航第一工程（上海）有限公司 上海 201315

以柬埔寨巴薩河?xùn)|汊大橋施工為背景，以普通地質(zhì)條件下的泥漿指導(dǎo)指標(biāo)為基礎(chǔ)，通過(guò)試驗(yàn)改進(jìn)，總結(jié)在特殊砂性地質(zhì)下旋挖樁施工時(shí)適宜的泥漿指標(biāo)，優(yōu)化施工工藝，進(jìn)一步提升工程質(zhì)量[1-4]。

1 工程概況

柬埔寨巴薩河?xùn)|汊大橋沿線地層有第四系沉積層、泥盆系砂巖等，表部為填土，上部為沖積粉質(zhì)黏土，可塑-硬塑狀，厚3～4 m，局部相變?yōu)檐浰軤?，粉質(zhì)含量高，大里程方向含灰黑色少量泥炭土，厚度較薄，該層黏性土失水較硬，飽水性質(zhì)較差，中部為沖積中細(xì)砂、粉細(xì)砂層，中密為主，厚度較大，厚20.0～41.0 m，間夾灰黃色可塑-硬塑狀粉質(zhì)黏土，下部為沖（湖）積灰黃色粉質(zhì)黏土，可塑-硬塑狀，局部為沖積粉細(xì)砂層。底部基巖為泥巖或砂巖，基巖埋深39～52 m，全強(qiáng)風(fēng)化層厚度較大，巖體強(qiáng)度一般。結(jié)合工程地質(zhì)勘察報(bào)告資料及施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，樁基施工過(guò)程中需嚴(yán)格控制泥漿物理性能指標(biāo)，進(jìn)行工序排布跳鉆施工。

2 施工機(jī)械的選擇與泥漿制備

2.1 施工機(jī)械的選擇

根據(jù)本工程地質(zhì)情況和施工周期安排，結(jié)合當(dāng)?shù)貦C(jī)械設(shè)備的資源情況，項(xiàng)目部選擇旋挖法作為施工工藝。旋挖設(shè)備選用280型號(hào)的旋挖機(jī)。

2.2 泥漿制備

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況及柬埔寨當(dāng)?shù)氐囊蠛土?xí)慣做法，在施工場(chǎng)地周?chē)O(shè)置2～3個(gè)泥漿池，用于收集泥漿，另外設(shè)置1個(gè)蒸發(fā)池，用于晾曬砂石?；炷凉嘧⑦^(guò)程中，排出的泥漿，從大泥漿池的一端進(jìn)入泥漿池進(jìn)行沉淀、過(guò)濾，小碎石、細(xì)砂等留在泥漿池里，過(guò)濾后的泥漿在大泥漿池的另一端用泥漿泵再抽回到泥漿溝里進(jìn)行循環(huán)利用。大泥漿池里的砂石清理到蒸發(fā)池中進(jìn)行晾曬，晾曬干燥后集中運(yùn)輸?shù)街付ǖ膹U土堆積場(chǎng)。

由于本工程地質(zhì)情況較為復(fù)雜，主要地質(zhì)以粉砂層為主，所以在泥漿制備之前，在泥漿池內(nèi)先用優(yōu)質(zhì)黏土造漿，在泥漿內(nèi)添加7%～10%膨潤(rùn)土、0.5%～1.0%工業(yè)用堿、0.1%羥甲基纖維素（CMC）、拌和用水采用檢驗(yàn)合格的自來(lái)水或巴薩河河水。泥漿相關(guān)性能指標(biāo)為：密度1.15～1.30 g/cm3，黏度18～25 s，含砂量＜2%，膠體率≥95%，pH≥6.5。

3 試樁施工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題及原因分析

3.1 試樁發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題

試樁采用旋挖鉆機(jī)鉆孔，位置為巴薩河?xùn)|汊大橋20號(hào)墩b-1樁，長(zhǎng)34 m、樁底標(biāo)高－25.293 m。鉆進(jìn)過(guò)程中泥漿密度控制在1.2 g/cm3左右。20b-1成孔時(shí)間9 h，清孔后成孔檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)以下問(wèn)題：

1）孔徑產(chǎn)生頸縮。原設(shè)計(jì)樁徑1.3 m，成孔后探籠無(wú)法下放到底，判斷出現(xiàn)頸縮，重新掃孔。

2）泥漿的含砂率超標(biāo)。成孔和清孔過(guò)程中實(shí)測(cè)泥漿含砂率8%，超過(guò)相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的≤4%的要求。

3）產(chǎn)生坍孔現(xiàn)象。一次清孔后實(shí)測(cè)孔底沉渣厚度正常，二次清孔時(shí)發(fā)現(xiàn)導(dǎo)管口突然冒出大量泥漿，判斷出現(xiàn)坍孔。

4）孔底沉渣厚度嚴(yán)重超標(biāo)。對(duì)沉渣厚度進(jìn)行測(cè)量，實(shí)測(cè)約1.5 m，嚴(yán)重超標(biāo)。對(duì)孔底沉渣進(jìn)行取樣，沉渣為部分中粗砂并摻雜粒徑2～5 mm礫石。

3.2 原因分析

對(duì)比地質(zhì)報(bào)告19.71～－22.51 m處地層，該地層為50%左右中粗砂，灰黃色2～5 mm礫砂占比約15%，由粉細(xì)砂填充；礫質(zhì)以石英質(zhì)為主，局部薄層狀或團(tuán)塊狀粉質(zhì)黏土，分析沉渣中礫石主要來(lái)自該處地層。

分析試樁失敗原因如下。

1）旋挖機(jī)成樁速度過(guò)快，鉆頭提升及下放過(guò)程中對(duì)孔壁產(chǎn)生負(fù)壓，在目前的地質(zhì)條件下導(dǎo)致產(chǎn)生頸縮。

2）試樁時(shí)泥漿各項(xiàng)指標(biāo)按照中國(guó)規(guī)范要求調(diào)制，但是不適用柬埔寨施工現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)狀況，造成清孔效果不理想，引起孔底沉渣嚴(yán)重超標(biāo)。

3）由于粉砂層較厚，造成在成孔和清孔過(guò)程中泥漿含砂率超標(biāo)。

4）對(duì)19.71～－22.51 m這層中粗砂的易坍塌性預(yù)估不足，二次清孔對(duì)該層擾動(dòng)過(guò)大，極易造成坍孔。

4 采取的措施及效果

4.1 采取的措施

針對(duì)以上對(duì)試樁失敗原因的分析，項(xiàng)目部召集各方召開(kāi)專題會(huì)，討論并制定了以下改進(jìn)措施：

1）在原則上遵循中國(guó)相關(guān)規(guī)范的基礎(chǔ)上，按照當(dāng)?shù)貙?shí)際地質(zhì)條件，相應(yīng)調(diào)整泥漿指標(biāo)。

① 在泥漿中添加工業(yè)堿，使黏度提升到25～27 s，加強(qiáng)泥漿的護(hù)壁效果。

② 增加膨潤(rùn)土用量，將泥漿密度控制在1.27～1.30 g/cm3之間，保證護(hù)壁效果，同時(shí)保證該地質(zhì)情況下的砂礫能在泥漿中保持懸浮狀態(tài)。

③ 使用泥砂分離器，將含砂率控制在＜2%的范圍內(nèi)。

2）控制鉆進(jìn)速率，在易坍塌地層放慢鉆進(jìn)速度，黏土層控制在0.2 m/min，砂層0.1 m/min，并及時(shí)補(bǔ)漿。

3）清孔期間對(duì)泥漿池里的泥漿提前30 min進(jìn)行循環(huán)確保泥漿性能達(dá)標(biāo)且穩(wěn)定，并放慢循環(huán)速度減少對(duì)孔底砂層的擾動(dòng)，防止坍孔。

4）實(shí)測(cè)樁孔各項(xiàng)指標(biāo)符合規(guī)范基礎(chǔ)上，取消二次清孔。

4.2 實(shí)施的效果

確定了新的泥漿參數(shù)及局部工藝改進(jìn)后，項(xiàng)目部在18-2、16-1兩個(gè)樁位進(jìn)行試樁，驗(yàn)證新參數(shù)、新工藝在本項(xiàng)目上的可行性。

1）根據(jù)新參數(shù)，旋挖鉆施工時(shí)泥漿制備標(biāo)準(zhǔn)控制為密度1.27～1.30 g/cm3、黏度25～27 s、含砂率＜2%、膠體率95%。為保證泥漿有較高性能及后續(xù)的易調(diào)配性，首池泥漿中增大膨潤(rùn)土用量至15%，火堿比例也適當(dāng)增大。調(diào)配好后進(jìn)行檢測(cè)，各指標(biāo)為密度1.27 g/cm3、黏度28 s、含砂率1%、膠體率97%。

2）使用ZX-250濾砂器，含砂率控制目標(biāo)＜2%，實(shí)測(cè)0.5%，有效控制了孔底沉渣厚度。

3）旋挖鉆孔樁長(zhǎng)42 m，成孔用時(shí)6.2 h。成孔檢測(cè)各項(xiàng)指標(biāo)合格，孔底沉渣厚度在30 mm左右，鋼筋籠下放完成后，再次對(duì)孔內(nèi)指標(biāo)進(jìn)行檢驗(yàn)，各項(xiàng)指標(biāo)基本無(wú)浮動(dòng)，沉渣厚度略增加至50 mm。

4）灌注完成后回收泥漿，并對(duì)其進(jìn)行測(cè)定，密度、含砂率有明顯增大，黏度和膠體率出現(xiàn)下降。對(duì)回收后的泥漿進(jìn)行濾砂，將含砂率降低至2%以下，重新測(cè)指標(biāo)密度降至1.15 g/cm3、黏度25 s、膠體率無(wú)明顯變化。泥漿調(diào)配時(shí)添加黏土為主，輔助添加膨潤(rùn)土、火堿，用量相比首池泥漿適當(dāng)降低，分別保證保持7%、0.5%的用量。

5 泥漿性能在后續(xù)施工中的變化跟蹤與分析

后續(xù)工程樁施工中，項(xiàng)目部按照試樁確定的泥漿各項(xiàng)參數(shù)及工藝進(jìn)行施工，同時(shí)按照成孔、灌注前兩個(gè)時(shí)間段分別測(cè)定、記錄泥漿的各項(xiàng)指標(biāo)變化，并進(jìn)行了總結(jié)分析。

1）以泥漿12次循環(huán)為一個(gè)批次，記錄、分析數(shù)據(jù)得出泥漿在循環(huán)使用的過(guò)程中膠體率發(fā)生顯著下降，穩(wěn)定性能變差。以第3次循環(huán)和第7次循環(huán)后的泥漿對(duì)比，兩者密度分別為1.17、1.15 g/cm3，黏度25、23 s、膠體率97%、95%。

2）上述2次循環(huán)過(guò)程中，成孔檢驗(yàn)時(shí)兩者的沉渣厚度相差不大，在30～40 mm，而在灌注前檢測(cè)時(shí)前者沉渣厚度基本沒(méi)有增加，后者厚度增加10～15 mm，泥漿中顆粒沉降速度明顯變快。

3）以泥漿12次循環(huán)的性能記錄與分析，本工程地質(zhì)情況下，泥漿可循環(huán)調(diào)制10次左右，泥漿在多次循環(huán)使用后按相同的調(diào)制方法，密度仍可以調(diào)至預(yù)設(shè)的指標(biāo)，黏度指標(biāo)略有損失，膠體率損失較多，穩(wěn)定性能下降，分析泥漿性能下降的主要原因如下。

① 灌注完成回收泥漿時(shí)有少部分水泥將混入影響泥漿的質(zhì)量。

② 粉砂地層在施工時(shí)存在滲漿的情況，泥漿中的細(xì)顆粒從粉砂層中滲透流失，導(dǎo)致性能變差。

為保證成樁質(zhì)量，泥漿循環(huán)超過(guò)10次后，指標(biāo)較難調(diào)制時(shí)需將該漿舍棄并重新進(jìn)行配制。

6 結(jié)語(yǔ)

在超厚粉砂地質(zhì)下旋挖樁施工時(shí)，要保證泥漿的密度保持在1.25 g/cm3左右，黏度在25 s以上，不超過(guò)30 s為宜，保證含砂率在2%之內(nèi)，特殊情況不宜超過(guò)3%，同時(shí)膠體率小于95%后需及時(shí)對(duì)泥漿進(jìn)行調(diào)整。泥漿懸砂能力也是判斷其性能的重要指標(biāo)，其與物理指標(biāo)的關(guān)系仍需進(jìn)一步探討。本工程中給出的相關(guān)指標(biāo)可為后續(xù)相似施工提供參考，從而達(dá)到優(yōu)化施工工藝的目的。