泥漿調(diào)配與分離技術(shù)試驗(yàn)及應(yīng)用研究

陳一村 張建波 陳志軍 劉 流

云南建投基礎(chǔ)工程有限責(zé)任公司 云南 昆明 650501

近年，城市建設(shè)發(fā)展迅速，建筑高度不斷提升，樁基礎(chǔ)也不斷加深。樁基礎(chǔ)施工質(zhì)量對(duì)建筑沉降控制至關(guān)重要，國(guó)內(nèi)外一些研究者分別從泥漿護(hù)壁施工、泥漿調(diào)配、泥漿處理等方面進(jìn)行研究，以提高樁基施工質(zhì)量。毛燕紅等[1]通過(guò)對(duì)竹節(jié)樁泥漿護(hù)壁技術(shù)的研究及應(yīng)用，有效提高了樁身抗拔力；張欽喜等[2]通過(guò)對(duì)泥漿分離技術(shù)的研究，實(shí)現(xiàn)了泥漿快速分離；劉睦峰等[3]采用經(jīng)典土力學(xué)滑動(dòng)理論對(duì)泥漿護(hù)壁機(jī)理進(jìn)行研究，并指出高分子聚合物泥漿具有較好的護(hù)壁效果，可有效提升成孔速度；王清江等[4]通過(guò)智能測(cè)定泥漿壓力，實(shí)現(xiàn)樁基泥漿護(hù)壁智能化施工；王作成[5]的研究指出，泥漿相對(duì)密度在砂礫地層中與孔壁穩(wěn)定性存在關(guān)系，但在基巖結(jié)構(gòu)中無(wú)必然聯(lián)系；而在泥漿分離設(shè)備使用方面，樓明浩等[6]對(duì)泥漿分離設(shè)備進(jìn)行研究和使用，旨在解決環(huán)保問(wèn)題。但目前，業(yè)內(nèi)在泥漿調(diào)配與泥漿分離綜合技術(shù)方面的研究甚少。為解決含砂地層坍孔嚴(yán)重的問(wèn)題，本文結(jié)合泥漿分離設(shè)備的試驗(yàn)應(yīng)用，開(kāi)展對(duì)泥漿分離與調(diào)配技術(shù)的研究。

1 工程背景

1.1 工程概況

云南某房建工程，在建項(xiàng)目約152 184.16 m2，擬建建筑物為1棟22層雙創(chuàng)中心（22F、高度81.5 m）、1棟23層科研樓（23F、高度98.5 m）以及雙創(chuàng)中心的服務(wù)配套（2—3F、高度10～15 m）、科研樓的會(huì)議交流中心/展示中心（4F、高度20 m），均設(shè)置2層地下室，純地下車(chē)庫(kù)、多層裙房范圍采用長(zhǎng)螺旋灌注樁，直徑600 mm，樁長(zhǎng)30 m，高層塔樓范圍采用旋挖灌注樁，直徑1 000 mm，樁長(zhǎng)48～52 m，共涉及433根樁。基坑開(kāi)挖深度9.1～9.9 m，周長(zhǎng)596.2 m，面積20 594 m2。

1.2 工程地質(zhì)及水文條件

本工程樁基礎(chǔ)成孔范圍內(nèi)主要土層有：第①層雜填土、第②1層粉質(zhì)黏土、第②2層黏土、第③1層有機(jī)質(zhì)土、第③2層黏土、第③3層粉土夾粉砂（粉土為主，含少量腐殖物碎屑及有機(jī)質(zhì)，局部粉土、粉砂互層）、第④1層有機(jī)質(zhì)土、第④2層黏土、第④3層粉土夾粉砂、第⑤1層有機(jī)質(zhì)土、第⑤2層粉土、第⑤3層粉質(zhì)黏土、第⑥層粉質(zhì)黏土、第⑦層白云質(zhì)灰?guī)r。其中，粉土、粉砂層厚度平均為23～26 m。

場(chǎng)地內(nèi)地表水主要為坑內(nèi)積水，場(chǎng)地表層填土孔隙大、滲透性強(qiáng)，表水與孔隙水相互補(bǔ)給。場(chǎng)區(qū)內(nèi)地下水劃分為上層滯水和承壓水。上層滯水主要賦存于表層雜填土中。承壓水屬孔隙微承性，主要賦存于中下部的③3、④3層粉土、粉砂層中，由于含水層孔隙較大，地下水運(yùn)動(dòng)較快，滲透系數(shù)較大，為透水層。

1.3 樁基施工現(xiàn)狀

本工程樁基所處范圍大多為粉土、粉砂層，其中，粉土層和粉砂層占據(jù)樁身長(zhǎng)度的40%～50%。最初采用旋挖干作業(yè)成孔施工，效果極差，坍孔范圍較大，孔底沉渣極厚。遂采用膨潤(rùn)土泥漿護(hù)壁進(jìn)行旋挖成孔，效果也不佳，粉砂層厚的區(qū)域出現(xiàn)局部坍孔，孔底沉渣多次清洗后，仍難達(dá)到10 cm的最低厚度要求，充盈系數(shù)達(dá)到1.5。

泥漿多次循環(huán)后含砂率增加較明顯，導(dǎo)致無(wú)法形成泥膜，孔壁穩(wěn)定性極差，泥漿相對(duì)密度大，含砂率高，樁底沉渣厚，降低了樁端的承載力。

2 泥漿調(diào)配、分離技術(shù)研究

為解決在極厚含砂地層中膨潤(rùn)土泥漿護(hù)壁施工效果差、充盈系數(shù)大等問(wèn)題，擬通過(guò)泥漿調(diào)配技術(shù)增大漿液黏度和抗?jié)B性，改善護(hù)壁效果，同時(shí)通過(guò)泥漿分離設(shè)備，降低含砂率，保證泥漿成分及效果。

2.1 泥漿調(diào)配、分離技術(shù)簡(jiǎn)介

“泥漿調(diào)配＋泥漿分離技術(shù)”主要通過(guò)對(duì)膨潤(rùn)土泥漿添加外加劑調(diào)節(jié)泥漿效果，并通過(guò)泥漿分離技術(shù)降低泥漿含砂率，提高泥漿純度。為此，針對(duì)該含砂地層開(kāi)展了泥漿調(diào)配和泥漿分離試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)確定最優(yōu)技術(shù)參數(shù)。

2.2 泥漿調(diào)配、分離技術(shù)試驗(yàn)

2.2.1 泥漿調(diào)配技術(shù)試驗(yàn)

膨潤(rùn)土泥漿主要成分有水、膨潤(rùn)土和纖維素，為提高泥漿護(hù)壁效果，對(duì)膨潤(rùn)土泥漿添加一系列外加劑，主要包含分散劑、增黏劑和絮凝劑，以改變水泥漿的分離性、黏度和抗?jié)B性等。為此，設(shè)計(jì)了3組不同試驗(yàn)與膨潤(rùn)土泥漿試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比研究。

試驗(yàn)共分為A、B、C、D這4組，D組為膨潤(rùn)土泥漿，A、B、C這3組為膨潤(rùn)土泥漿中加外加劑。對(duì)A、B、C這3組采用正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)，分別對(duì)分散劑、增黏劑和絮凝劑三因素設(shè)定3組不同的水平。膨潤(rùn)土泥漿成分配比為水∶膨潤(rùn)土∶纖維素＝100∶10∶0.8。分散劑采用Na2CO3、木質(zhì)素，用量0.3%～0.5%，按0.3%、0.4%、0.5%進(jìn)行分組；增黏劑采用鈉羧甲基纖維素，用量0.04%～0.06%，按0.04%、0.05%、0.06%進(jìn)行分組；絮凝劑采用聚丙烯酰胺，用量1%～2%，按1.3%、1.6%、1.9%進(jìn)行分組。試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案如表1所示。

表1 泥漿調(diào)配試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

按照以上設(shè)計(jì)方案，對(duì)以上16根樁，按照SZ13→SZ14→SZ15→SZ16→SZ1→SZ2→SZ3→SZ4→SZ5→SZ6→SZ7→SZ8→SZ9→SZ10→SZ11→SZ12的施工順序進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)中泥漿分離設(shè)備暫不參與試驗(yàn)。為降低試驗(yàn)過(guò)程中其他因素的影響，采取如下措施：

1）采用同一臺(tái)旋挖鉆機(jī)，同一泥漿分離設(shè)備，同一駕駛員和同一泥漿分離設(shè)備操作員，保證試驗(yàn)設(shè)備一致，避免人為誤差過(guò)大。

2）試驗(yàn)場(chǎng)地集中在該工程項(xiàng)目場(chǎng)地內(nèi)，鉆孔位置依據(jù)地勘報(bào)告、地質(zhì)剖面圖確認(rèn)，保證地層類(lèi)型、地下水條件、地層厚度等條件接近。

3）各組試驗(yàn)中，泥漿用量保持一致，同時(shí)鉆孔深度、孔徑大小一致。

4）各組試驗(yàn)中，鉆機(jī)鉆進(jìn)速度和機(jī)械功率保持一致，清孔方法一致，沉渣厚度控制一致（以設(shè)計(jì)要求標(biāo)準(zhǔn)，沉渣厚度控制在10 cm）。

5）各組試驗(yàn)中，混凝土灌注速度和混凝土類(lèi)型保持一致。

6）混凝土振搗及提升速度保持一致。

本泥漿調(diào)配試驗(yàn)將清渣循環(huán)次數(shù)和混凝土充盈系數(shù)這2個(gè)技術(shù)指標(biāo)作為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，泥漿調(diào)配技術(shù)參數(shù)指標(biāo)如圖1～圖4所示。

圖1 A組技術(shù)指標(biāo)

圖2 B組技術(shù)指標(biāo)

圖3 C組技術(shù)指標(biāo)

圖4 D組技術(shù)指標(biāo)

由監(jiān)測(cè)技術(shù)指標(biāo)可知，D組4根樁均采用膨潤(rùn)土泥漿進(jìn)行試驗(yàn)，沉渣厚度較厚，清理樁底沉渣平均需要8次泥漿循環(huán)才可達(dá)到10 cm的設(shè)計(jì)深度；A組、B組、C組平均需要5次、5次、4次泥漿循環(huán)。相比之下，加入了分散劑、增黏劑和絮凝劑的試驗(yàn)組，清理沉渣的次數(shù)減少約50%，證明其孔底沉渣量少，而孔底沉渣主要來(lái)源于孔壁坍塌介質(zhì)。坍孔處會(huì)增加混凝土的填充量，擴(kuò)大混凝土充盈系數(shù)，混凝土充盈系數(shù)技術(shù)指標(biāo)顯示，加入了分散劑、增黏劑和絮凝劑的試驗(yàn)組混凝土比膨潤(rùn)土泥漿組使用的混凝土量明顯減少，也充分證實(shí)了孔底沉渣主要來(lái)源于孔壁坍塌介質(zhì)。所以，針對(duì)深厚粉土夾粉砂層，在膨潤(rùn)土泥漿中添加一定量的分散劑、增黏劑和絮凝劑可有效控制孔壁坍塌。

在分散劑、增黏劑和絮凝劑三者變量比較試驗(yàn)中：A組試驗(yàn)中，分散劑添加量為0.4%時(shí)，混凝土充盈系數(shù)和沉渣次數(shù)最少，表明該種外加劑為0.4%時(shí)，泥漿護(hù)壁效果最佳；B組試驗(yàn)中，增黏劑添加量為0.05%時(shí)，混凝土充盈系數(shù)和沉渣次數(shù)最少，表明該種外加劑為0.05%時(shí)，泥漿護(hù)壁效果最佳；C組試驗(yàn)中，絮凝劑添加量為1.6%時(shí)，混凝土充盈系數(shù)和沉渣次數(shù)最少，表明該種外加劑為1.6%時(shí)，泥漿護(hù)壁效果最佳。外加劑含量過(guò)高會(huì)導(dǎo)致泥漿均勻性降低、黏性過(guò)大，影響循環(huán)使用，因此，外加劑的用量應(yīng)在適宜范圍內(nèi)。所以，當(dāng)分散劑、增黏劑和絮凝劑用量分別為0.4%、0.05%、1.6%時(shí)，護(hù)壁效果最好。

2.2.2 泥漿分離技術(shù)試驗(yàn)

泥漿經(jīng)過(guò)調(diào)配后，護(hù)壁效果得到明顯改善，沉渣量相對(duì)減少。沉渣除坍孔因素外，部分沉渣來(lái)自于樁體含砂層，為進(jìn)一步減少孔底沉渣，控制泥漿含砂量，通過(guò)泥漿分離設(shè)備進(jìn)行泥漿分離試驗(yàn)。

泥漿分離技術(shù)是指在旋挖樁濕作業(yè)成孔過(guò)程中，通過(guò)泥漿分離設(shè)備把樁孔中含砂礫石的泥漿混合液進(jìn)行分離，形成含砂率低、黏度和相對(duì)密度略接近原始泥漿的技術(shù)。其旨在清理孔內(nèi)液體中的砂、礫石等，降低含砂率、黏度和相對(duì)密度，提高泥漿循環(huán)利用率。泥漿分離技術(shù)工藝流程：設(shè)置泥漿池→泥漿制備→設(shè)備安置→樁機(jī)成孔→泥漿抽入泥漿分離設(shè)備→砂礫石和泥漿分離→分離后的泥漿進(jìn)入泥漿池→泥漿循環(huán)進(jìn)入樁孔內(nèi)。

為明確泥漿分離效果，制定E、F這2組（樁號(hào)SZ17—SZ22）試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析。E、F這2組試驗(yàn)中均采用膨潤(rùn)土泥漿進(jìn)行樁孔護(hù)壁，且泥漿中添加0.4%的分散劑、0.05%的增黏劑和1.6%絮凝劑，各組設(shè)3根樁，其中E組加入泥漿分離設(shè)備，F(xiàn)組不設(shè)泥漿分離設(shè)備。泥漿分離設(shè)備采用CJHBKJ品牌，型號(hào)LTDG-50，其處理能力為250 m3/h，如圖5所示。

圖5 泥漿分離設(shè)備

為確保試驗(yàn)效果，E、F這2組除是否使用分離設(shè)備外，其他措施保持一致。試驗(yàn)中監(jiān)測(cè)并采集的技術(shù)指標(biāo)有泥漿可循環(huán)次數(shù)、充盈系數(shù)、沉渣清理循環(huán)次數(shù)。其中，泥漿可循環(huán)次數(shù)主要根據(jù)泥漿使用后判定其是否為廢漿，廢漿指標(biāo)：黏度＞22 s、相對(duì)密度＞1.2 g/cm3；含砂率＞8%；pH＞9。沉渣清理循環(huán)次數(shù)主要依據(jù)清理沉渣的循環(huán)次數(shù)達(dá)到指定厚度指標(biāo)（沉渣厚度10 cm）。試驗(yàn)技術(shù)指標(biāo)如圖6、圖7所示。

圖6 E組技術(shù)指標(biāo)

圖7 F組技術(shù)指標(biāo)

由E、F這2組技術(shù)指標(biāo)可知：在使用泥漿分離設(shè)備后，混凝土充盈系數(shù)從1.16降至1.11；清理孔底部沉渣，由4次循環(huán)減少至2次；泥漿可循環(huán)使用次數(shù)增加約50次。可見(jiàn)，使用泥漿分離設(shè)備后可有效清除泥漿中的砂、礫等固體顆粒，減少孔底沉渣量；增強(qiáng)護(hù)壁效果，降低混凝土充盈系數(shù)，節(jié)約混凝土用量；最明顯的是，泥漿分離設(shè)備極大地增加了泥漿的使用壽命。

“泥漿調(diào)配＋泥漿分離技術(shù)”試驗(yàn)表明，在深厚含砂地層中，泥漿中加入分散劑、增黏劑和絮凝劑對(duì)改變護(hù)壁效果有一定的作用，但外加劑含量過(guò)高或過(guò)低，護(hù)壁效果不明顯，適當(dāng)劑量的外加劑可有效控制孔壁坍塌。經(jīng)過(guò)優(yōu)化試驗(yàn)，該含砂地層中，分散劑、增黏劑和絮凝劑用量分別為0.4%、0.05%、1.6%時(shí)，護(hù)壁效果最好。泥漿分離技術(shù)有效清除了泥漿中的砂礫石，保證泥漿原質(zhì)量，增強(qiáng)護(hù)壁效果，降低混凝土充盈系數(shù)，提高泥漿循環(huán)使用壽命。

3 工程應(yīng)用效果

依據(jù)“泥漿調(diào)配＋泥漿分離技術(shù)”試驗(yàn)，針對(duì)該樁基工程進(jìn)行工程應(yīng)用。在膨潤(rùn)土泥漿（膨潤(rùn)土泥漿成分配比為水∶膨潤(rùn)土∶纖維素＝100∶10∶0.8）中添加0.4%、0.05%、1.6%的分散劑、增黏劑和絮凝劑；同時(shí)，將泥漿分離設(shè)備加入旋挖樁施工過(guò)程中，對(duì)泥漿進(jìn)行分離。經(jīng)過(guò)監(jiān)測(cè)及現(xiàn)場(chǎng)施工問(wèn)題反饋，233根（12 116 m）工程樁使用效果良好。

孔底沉渣經(jīng)過(guò)2次循環(huán)清理后，沉渣平均厚度控制在4 cm以?xún)?nèi)；施工統(tǒng)計(jì)的混凝土充盈系數(shù)平均為1.13。膨潤(rùn)土泥漿平均可循環(huán)使用52次，有效減少了造漿、排漿的成本。

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施，采用泥漿調(diào)配和泥漿分離技術(shù)后，明顯改善旋挖成孔護(hù)壁效果，有效提高成樁質(zhì)量，提高了施工效率，降低施工成本，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，共計(jì)節(jié)約成本約207.11萬(wàn)元。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)深厚含砂地層，旋挖樁施工坍孔嚴(yán)重，泥漿相對(duì)密度大，含砂率高，孔底沉渣厚，樁端承載力差。本文從泥漿外加劑和含砂量方面進(jìn)行分析研究，優(yōu)化外加劑含量，降低泥漿含砂率，解決以上施工難題。經(jīng)過(guò)“泥漿調(diào)配＋泥漿分離技術(shù)”試驗(yàn)和工程應(yīng)用，得出以下結(jié)論：

1）“泥漿調(diào)配＋泥漿分離技術(shù)”可有效解決深厚含砂地層中樁基坍孔的施工難題，增強(qiáng)護(hù)壁效果，減少孔底沉渣，提高成樁質(zhì)量。

2）膨潤(rùn)土泥漿中添加適量的分散劑、增黏劑和絮凝劑，并優(yōu)化配比，可有效形成泥皮，加強(qiáng)護(hù)壁作用，改善砂性地層護(hù)壁效果。

3）通過(guò)泥漿分離設(shè)備對(duì)泥漿和砂、礫石進(jìn)行分離，可有效降低含砂量，保證泥漿原質(zhì)量，增強(qiáng)泥漿護(hù)壁作用，提高泥漿循環(huán)使用壽命。

4）“泥漿調(diào)配＋泥漿分離技術(shù)”降低混凝土充盈系數(shù)，提高泥漿循環(huán)使用壽命，降低樁基施工成本，經(jīng)濟(jì)效益顯著；同時(shí)，可減少泥漿排放，環(huán)保效果良好。