PHP泥漿在鉆孔樁施工中的應用

肖洪清 馮澤林 李陽

摘要 文章以肇明高速公路新崀大橋的鉆孔灌注樁施工為例，分析了鉆孔樁施工過程中泥漿護壁的技術要點，介紹了膨潤土泥漿配比、制備，以及泥漿參數的調整技術，實際結果顯示該項技術應用效果較好，滿足規范要求，表現出較高的應用價值。

關鍵詞 鉆孔灌注樁;護壁;PHP

中圖分類號 U445.55+1 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）05-0089-03

0 引言

肇明高速公路項目途經肇慶市廣寧縣、高要區、端州區和佛山市高明區，總里程120.51 km。新崀大橋位于肇慶市廣寧縣賓亨鎮，地質勘察報告顯示，擬建大橋場區的地層主要由粉質黏土、礫砂和礫巖組成，成孔深度內有7個砂層，最厚的砂層厚度為7～8 m。對此類樁基礎而言，是否能夠提供足夠承載力的控制性因素為成孔。該文選擇通過改進泥漿性能來提升鉆孔灌注樁的成孔質量。相關研究結果可為此類地質條件下的鉆孔樁施工提供支持和參考。

PHP泥漿在20世紀80年代開始應用于橋梁工程，在經過幾十年的研究和發展被證明了能有效地解決泥漿失水量大、排渣困難、護壁難度大的通病。但是不同的地理位置、氣候和地質因素都會不同程度地影響到成孔質量。施工工藝的選擇，泥漿的配比同樣至關重要。現有的PHP泥漿的研究都具有唯一性，不同的項目都需要根據環境、地質、設備和工藝等因素來調整技術。

該文通過對肇明高速新崀大橋鉆孔灌注樁施工為對象，結合現場的地質情況、施工工藝。通過現場施工中的真實數據來證明了PHP泥漿的應用能有效地提高鉆孔灌注樁的成孔質量。

1 PHP不分散低固相泥漿簡介

泥漿，作為鉆孔灌注樁的“血液”，在近年來取得了長足的進步[1]。在工程應用上，應用比例較高的泥漿主要有：普通泥漿、油基泥漿、鉻木質磺酸鹽泥漿、聚丙烯酰膠不分散低固相泥漿（簡稱PHP泥漿）等等[2]。

1.1 泥漿的作用

泥漿在鉆孔灌注樁中的作用，一是維護孔壁;二是沖洗孔底，攜帶或懸浮鉆渣，減少孔底沉渣和重復破碎;三是冷卻鉆頭，潤滑鉆具，減少鉆進阻力。

1.2 泥漿護壁原理

根據孔壁穩定的力學條件和定量條件，穩定孔壁的關鍵是要建立孔內靜水壓力。靜水壓力的建立是通過泥漿的作用來實現的，主要是通過泥漿在樁孔內外形成壓差，從而使得孔內泥漿柱對孔壁形成環向靜壓，進而促使泥漿顆粒滲入孔壁，在一定條件下可保持滲透平衡，其后滲入的泥漿粘結成環狀滲透圈（俗稱“泥皮”），這對孔壁可起到一定保護作用，避免滲漏。此外通過泥漿在靜壓下產生的泥皮，有效地阻礙內外部水透過孔壁[3]。

1.3 泥漿的性能指標及要求

泥漿的好壞主要由其性能指標來衡量，在樁孔施工中，起關鍵作用的性能指標有比重（密度）、粘度、含砂率、酸堿度、失水量和膠體率等。不同的地層、不同的鉆進方法、不同的施工階段，對泥漿性能指標的要求不同，有時甚至差別很大[4]。

比重（密度）：增大泥漿的比重，可以增大靜水壓力和水頭高度，有利于孔壁穩定。但泥漿的比重太大，泥漿的失水量增加，泥漿循環所增加的功率增大，特別是泵吸反循環鉆進中，泥漿的壓力損失太大，將嚴重影響反循環的啟動。比重太小，對懸浮鉆渣、穩定孔壁不利，故必須合理掌握。一般來講，反循環鉆進的泥漿比重應盡量小，一般宜控制在1.15×103 kg/m3以內，正循環鉆進時，泥漿比重可以大些，但不宜大于1.35×103 kg/m3[1]。

粘度：根據實際經驗可知，此參數提高后，護壁和懸浮鉆渣效果會改善，不過也會導致糊鉆問題，阻礙了泥漿沉淀。粘度處于較低水平時，鉆渣易沉淀，這種現象對清孔、減小孔底鉆渣不利。正循環鉆進時，粘度取19～24 s，反循環鉆進時取16～20 s。

含砂率：含砂率高則泥漿粘度降低，進而使得泥皮松散，影響到其護壁性。這樣也使得清孔和清理沉渣的難度增加，對反循環也是不利的，因而應該控制此指標在較低水平，對新泥漿而言應該小于4%。

膠體率：此指標高則抑制黏土顆粒沉淀，沉渣少，這樣可更好的形成泥皮，且形成的泥皮具有更好的護壁能力。一般新配制的泥漿的膠體率均應大于95%。

酸堿度：泥漿應采用偏堿性，pH值在8～9之間有利于孔壁穩定，也滿足環保施工的要求。

失水量：指泥漿受到靜壓作用滲入孔周的速度。

2 鉆孔樁施工難點

新崀大橋鉆孔灌注樁的施工存在一些難點，主要集中在：

（1）場區地質勘察報告顯示，擬建場區的地層主要組分為粉質黏土、礫砂，成孔深度內有7個砂層，最厚的砂層厚度為7～8 m，需要泥漿的護壁和控渣厚度都達到較高水平。

（2）此工程試樁的最大孔深為40 m，泥漿需從基底深處把鉆渣攜帶到地面，對泥漿的攜渣能力要求很高。

（3）鋼筋籠的吊裝時間在24～48 h內，在鋼筋籠吊裝期間，孔內泥漿一直處于靜置狀態，這也要求泥漿的穩定性非常好，有良好的護壁性能及沉渣厚度無明顯增加。

3 鉆孔灌注樁PHP泥漿施工技術

3.1 泥漿的選擇

在結合工程場區巖土工程地質報告，確定成孔工藝設備的條件以及設計單位對試樁的相關技術要求后，從技術角度提出了對泥漿三個方面的要求，即護壁效果好、泥皮薄、沉渣少。并考慮到工程樁將大規模使用，且泥漿比重（密度）、粘度、含砂率、酸堿度、失水量和膠體率等性能指標都合格，再兼顧泥漿的性能及經濟性，經過分析和對比，最終選用PHP低固相不分散泥漿（簡稱PHP泥漿），該泥漿的主要特點有：

（1）比重輕、低固相：表現為比重較低（原漿約為1.02～1.04、含沙量小于5%），低固相對鉆進可起到促進作用，避免出現糊鉆及砂侵問題。

（2）高粘度：低比重條件下向其中加入絮凝劑可使得粘度增加，進而提高膠體率和滲透性。這樣相應的泥漿膠體可形成化學膜，封閉孔壁，起到保護作用，避免鉆進過程中出現漏漿和塌孔問題。也使得泥漿的攜渣性能大幅度改善。

（3）含砂率低。對應的組分主要是膨潤土，造漿率高。

（4）偏堿性。對應的廢料弱堿性，不會產生毒害，因而可以很好地滿足環保性要求。

（5）失水量小。根據大量的統計研究結果表明泥皮厚度與失水率存在正相關關系，這種泥漿的失水率很低，形成的泥皮薄。

（6）膠體率高，形成的泥漿粘度在合理范圍內，靜止時變形為凝膠狀。在流動過程中對應的粘度也出現明顯的變化。粘度恢復后懸浮作用大，這對鉆屑的向下流動可起到阻礙作用。在鉆頭旋轉作用下泥漿的絮凝結構出現一定改變，進而降低粘度，鉆頭阻力也有一定幅度減小。PHP泥漿在鉆進過程中阻力小低，而靜止狀態下表現出良好的穩定性，因而可以很好地滿足這方面應用要求。

（7）成孔后泥皮薄。選擇這種泥漿情況下，孔壁泥皮厚度一般不超過1 mm，因而和普通泥漿相比優勢明顯。

（8）經濟。其主要組分為膨潤土，這種土體的造漿率明顯增加，在實際應用過程中回收率可達60%，這樣可以顯著降低材料成本，也滿足環保性要求。因此，在大型工程中側重于經濟性時一般優先選擇這種泥漿。

（9）不分散：具體表現為它對鉆屑不水化分解。這樣在同樣的條件下失水量少，孔壁的穩定性強，鉆孔過程中攜渣泥漿凈化效果好[5]。

3.2 PHP泥漿制備

3.2.1 制作材料

制作材料：PHP泥漿由優質膨潤土、純堿和聚丙烯酰胺等原料制成。

（1）膨潤土。對比分析選擇了以蒙脫石為主組分的鈉基膨潤土，根據工程經驗可知這種土體的分散懸浮性能強，且造漿率高，在同樣條件下更穩定。

（2）純堿。其主要是提高泥漿的pH值，提高泥漿表面負電荷，起到一定分散作用，使得泥漿懸浮鉆屑的性能提高。在這種體系中純堿的作用主要如下：

分散作用：純堿加入情況下，可適當提高泥漿Na+離子比，提高土體的親水性，顆粒較細可加速膨潤土中粘土顆粒的分解，這對改善泥漿的造漿量有重要意義。

改善泥漿性能：地下水中的鈣、鎂離子混入泥漿，這樣可顯著提高其凝膠化趨向，進而降低了泥漿質量。通過純堿也可沉淀Ca+、Mg+離子，泥漿也可以循環多次利用。

調節pH值：主要是基于實測值設置摻入量，在此基礎上控制酸堿度，達到施工要求。

（3）聚丙烯酰胺。這種材料可起到很強絮凝效果，加入后可激發泥漿觸變性，在鉆進過程中保持穩定性和高粘度特征，同時降低泥漿的失水量。

3.2.2 泥漿制備技術

（1）原漿制作。根據施工經驗：1 m3泥漿中膨潤土占比大約為6%～8%，純堿為膨潤土的3%～4%，在制備過程中將適量的水加入制漿池中，接著向其中混合一定量膨潤土，使用3PNL泥漿泵充分的攪拌30 min，促使膨潤土分散，然后向其中加入一定純堿，對泥漿比重、粘度進行適當的調節。對產生的原漿靜置1 d而確保其膨化。

（2）水解聚丙烯酰胺。在使用前3 d對聚丙烯酰胺水解處理，在水解過程中對應的加入比為PAM∶NaOH∶

H2O=10∶1.15∶700，充分的攪拌處理一直到形成的PAM全部分散，其后靜置2～3 d。

（3）PHP泥漿制作。在原漿中混合適當的PHP膠體，主要是基于粘度及失水率對其加入比進行調節。參考比例為每立方米原漿中PHP膠體0.4～0.6 kg。表1顯示出新漿相關指標情況。

3.3 泥漿循環控制技術

PHP泥漿循環系統在處理過程中對鉆進時的產生的帶鉆屑泥漿通過反循環管輸入到凈化機，而其中的泥漿泵則可以輸送新鮮泥漿到鉆孔內，從而滿足成孔要求。圖1顯示出泥漿循環流程情況。

在對泥漿進行凈化處理時，經過粗濾、靜力沉淀和除砂三個環節，各環節的作用主要如下：粗濾主要利用到振動篩網，對應的直徑大于1 mm顆粒被留下，含沙量一般控制低于15%。靜力沉淀則表示為泥漿顆粒在沉淀池中放置一段時間，大于0.075 mm的顆粒被沉淀，這種方法處理后其中的含沙量可低于8%。除砂主要是沉淀處理小于0.075 mm的顆粒，處理后相應的含沙量不超過2.5%。

對沉淀池后的泥漿，需要對其相關指標進行檢測，主要包括失水率，比重、含砂量、粘度等，根據這些指標判斷是否滿足鉆進需要。在不合理時還需要調節泥漿參數，補充新漿，從而控制其性能滿足鉆進需要。

在調節過程中，主要是對粗顆粒較高的泥漿凈化、循環處理，使得其中較大的顆粒沉淀，接著向其中加入高PHP新漿，以此來起到改性作用。使得泥漿的粘度提高，而失水率降低到合理范圍內，為其后的鉆進提供支持。

3.4 泥漿參數控制與調整技術

（1）對泥漿材料進行嚴格的篩選檢驗。進場時，做好驗收工作，在不滿足要求時禁止入場。

（2）進行科學嚴謹的配比試驗，設置兩種配比方案，進行對比而優化選擇。

（3）嚴格基于設定的配比進行配制。在配制各環節需要測試泥漿性能，檢查是否滿足要求，一般情況下每100 m3泥漿檢測一次。

（4）基于鉆進過程的差異，靈活地調節泥漿的配比。

4 應用效果分析

對成孔質量進行檢測，發現孔壁穩定性好，未出現明顯的塌孔現象，整個施工過程中也未出現糊鉆的現象。該工程試樁設計為摩擦樁，泥皮厚度的控制優劣將直接影響樁基承載力的發揮，通過在施工過程中不同階段控制泥漿比來減小泥皮厚度。現場檢測的泥皮厚度在1.0～

2.0 mm左右，從靜載試驗的結果來看，試樁的沉降量在允許的合理范圍內，可見泥皮的厚度控制較好。灌注樁的孔徑檢測結果如表2，滿足沉渣厚度不超過3 cm的設計要求。

5 結論

PHP泥漿護壁技術可有效解決塌孔及樁縮頸等質量通病，保證成柱質量及效率，并且PHP泥漿護壁工藝可減少對環境的影響，成孔深度大，在保證連續作業的情況下，可有效降低砂侵、糊鉆的概率。此外，PHP泥漿有完善的循環系統，回收率較高，能夠有效地控制鉆孔的總成本。而且PHP泥漿棄漿為中性，能滿足環保的要求。因此，PHP泥漿的應用有助于解決樁基施工中容易出現的質量通病。但對于不同地質情況及施工工況可能出現的新問題，仍需要進一步深入研究。

參考文獻

[1]吳自灶. 淺談沖孔灌注樁基礎施工技術難點[J]. 江西建材， 2021（7）： 140+142.

[2]張濤， 田野， 陳國， 等. 基于泥漿護壁的傾斜鉆孔灌注支護樁施工技術[J]. 建筑施工， 2021（5）： 787-790.

[3]陳冠峰， 宋書彬. 鉆孔灌注樁施工技術在公路橋梁建設中的應用[J]. 建筑技術開發， 2021（8）： 17-19.

[4]董小龍. 路橋施工工程中鉆孔灌注樁施工技術的應用探微[J]. 中小企業管理與科技， 2021（2）： 176-177.

[5]孟仁帆， 鄧榮貴， 孫怡， 等. 泥漿護壁型鉆孔灌注樁沉渣厚度試驗研究[J]. 路基工程， 2021（1）： 109-115.