1、深厚砂性土层钻孔桩中 PHP 泥浆应用摘要 结合南通市江海大道东段快速化改造工程 F 标桥梁工程特点，通过现场实践确定适宜的 PHP 泥浆配比及比重、粘度、含砂率等指标，总结 PHP 泥浆对砂性土层中摩擦桩成孔质量、桩基承载力的影响。 关键词深厚砂层钻孔桩 PHP 泥浆成孔质量承载力 中图分类号： TU74 文献标识码： A 引言 在我国广大地区，尤其是众多冲积平原深厚砂性地层分布较广，且在很多情况下结构使用要求决定了需设置超长桩基础。对此类桩基础而言，是否能够提供足够承载力的控制性因素之一便是成孔质量。在影响成孔质量的众多因素中，桩位环境、气候条件、地质情况等属于不可变的自然条件，在钻孔机具
2、、人员条件等确定的前提下，通过改进泥浆性能能极大的提高钻孔灌注桩的成孔质量，使桩基达到设计承载力要求，保证桥梁结构的安全性。 根据相关统计3，自上个世纪 60 年代钻孔灌注桩施工工艺引入我国以来，泥浆大体经历了自然造浆、细分散、粗分散、不分散等几个阶段。在不分散阶段，泥浆的显著特点为通过加入高效有机掺合物使钻渣、桩位土形成絮凝体而排除。PHP（partiallyhydrolyzed polyacrylamide）泥浆即丙烯酰胺泥浆，是以膨润土、碳酸钠、聚丙烯酰胺的水解物和锯木屑、稻草、水泥或有机纤维复合物按一定比例配制的不分散、低固相、高粘度泥浆。最早在石油行业的油田钻井中出现，20 世纪 8
3、0 年代开始应用于桥梁工程，但多见于端承桩。 工程概况 江海大道东段快速化改造工程 F 标位于江苏省南通市通州区，处于长江下游三角洲北翼，项目前提勘察揭示岩土分层共划分 5 个大层，第1 层为近期人工堆填，第 2 层、第 3 层为 Q4 冲淤积地层，第 4 层为 Q4 三角洲浅海相地层，第 5 层为 Q3 河床相沉积，主要为粉土、粉砂及粉土粉砂夹层。 工程设计荷载为城-A 级，共有钻孔灌注桩 744 根，桩径1.01.5m，桩长 4278m。根据工程特点进行 2 根试桩施工，分别为桩径 1.5m、桩长 80m 及桩径 1.2m、桩长 74m，采用反循环钻机成孔。成桩后运用超声波法进行桩身完整性
4、检测、静载法进行桩基承载力检测，由于静载法为破坏性检测，对工程桩不进行。 PHP 泥浆应用 PHP 泥浆制作 桩基钻孔泥浆是由水、黏土、添加剂等组成的混合浆体，主要起到护壁、固孔、排渣的作用。在深厚砂性土层钻孔桩施工时，孔壁土体黏聚力较差、泥浆易失水、易沉渣，自然造浆及普通黏土造浆比较难满足钻孔需要。 相对自然造浆及普通黏土造浆而言，PHP 泥浆是在膨润土配置的基浆中参入 PHP 胶体制成的。PHP 泥浆失水量小，泥皮薄且致密柔韧，护壁效果好。根据工程地质条件，钻孔采用的 PHP 泥浆配置如下： 1）制浆原料 膨润土：根据工程地质条件及施工经验选用浙江吉安生产的以蒙脱石为主的钙基膨润土，该土具
5、有相对密度低、粘度好、含砂量少、失水量少、泥皮薄、稳定性强、固壁能力高、钻具回转阻力小、钻进率高、造浆能力大等优点，质量等级为二级标准。 水：制浆用水取自河道，水质要求属 HCO3-Ca2+型水，PH=8.18.5。 外加剂： a、碱粉：工业碳酸钠，其作用是可增大 PH 值到 10，从而增加水化膜厚度，提高泥浆的胶体率和稳定性，降低失水量。同时可提供 Na+，对钙土进行改性处理。 b、聚丙烯酰胺（PAM）：为高分子聚合物，既可单独制拌泥浆，又可作为膨润土泥浆中的掺加剂，提高泥浆的粘度，降低含砂率。 2）制作基浆 将膨润土、水、纯碱等按比例制成基浆。新制泥浆配比参照表 1，现场根据实际情况由实验
6、室调配。 表 1 新制泥浆配比（1m3 浆液用量） 先将一定量水加入造浆机中，再按比例加入膨润土，拌制 30 分钟，使膨润土颗粒充分分散，再按比例加入纯碱进行充分搅拌制成基浆，膨润土泥浆在静止 24h 后使用可提高其粘度，基浆性能的各项指标要求如表 2 所示。 表 2 基浆性能指标 3）水解聚丙烯酰胺(PAM) 使用的 PAM 为分子量为 800 万的非速溶水解型，使用前先水解成 PHP胶体。现场水解 PAM 用常温法，提前水解，水解按PAM：NaOH：H2O=10:1:600 比例进行，在搅拌筒搅拌直至 PAM 全部分散于水中，放置 2-3 天后即可使用。 4）PHP 泥浆制备 在原浆中加入
7、一定比例的 PHP 使两者充分搅拌混合即可，PHP 用量根据实际测试的泥浆指标而定，一般情况下，每方原浆中加入 PHP 水溶解液 2.0-3.0Kg。新浆需提前配置，在新浆池中储备 24h 后再使用。制作好的泥浆性能指标表 3 所示。 表 3 PHP 泥浆性能指标 5）泥浆循环系统 钻孔桩钻进过程中，泥浆的循环工艺对成孔质量有着十分重要的影响。根据相关研究成果3，借鉴类似条件的苏通大桥桩基施工经验，泥浆循环系统主要组成为：造浆机、基浆池、新浆池、循环沉淀池、维浆池、泥浆泵、絮凝池、砂石泵等，使泥浆来回循环且净浆以保证泥浆质量。 图 1 泥浆循环系统示意图 泥浆循环系统的布置原理是：钻孔使用过的
8、粗颗粒含量高的泥浆通过净化、循环、絮凝、稀释等过程后，大颗粒沉淀去除，加入 PHP 含量高的新浆，增加其粘度、减少其失水量、调整其性能指标，使其重新满足钻孔需要。 泥浆循环系统中砂石泵的作用是将钻孔形成的携带钻渣的泥浆泵入泥浆净化机净化，并使维浆池中 PHP 含量高的合格泥浆泵入钻孔使用。泵入泥浆净化机的泥浆含渣量较高，一般达到 3%4%。一般情况下，泥浆净化机将粒径 0.075mm 以上的钻渣颗粒及絮凝颗粒清除，粒径小于0.075mm 的颗粒随泥浆流入循环沉淀池沉淀。为增大沉淀效果，可将泥浆沉淀池做成几个隔离仓以加大循环路径。经沉淀池后，泥浆流入絮凝池。絮凝池中的泥浆通过控制流入的基浆性能调
9、整其浓度和酸碱度。浓度和酸碱度通过加入膨润土及碱调整。 运用 PHP 泥浆成桩 1）钻孔桩施工工艺 试桩采用反循环施工工艺，流程如图 2 所示。 图 2 反循环灌注桩施工工艺流程图 2）钻进成孔 采用 GPZ-50 型反循环钻机钻进成孔，施工中首先要使铺设的地面水平、坚实，并在钻机上设置导向装置，成孔时钻机定位准确、水平、稳固，钻机回转盘中心与护筒中心的允许偏差不大于 20mm。钻机定位后应用钢丝绳将护筒上口挂带在钻机底盘上，成孔过程中钻机塔架头部滑轮组，回转器与钻头应始终保持在同一铅垂线上，并保证钻头在吊紧的状态下钻进。 钻进过程中一般每 4h 检测一次泥浆指标，保证泥浆性能符合要求。在钻进
10、及钻杆拆除过程中要及时补充泥浆，保证孔内外水头高差不小于2m，以保证孔壁稳固。加接钻杆时须维持泥浆循环 5 分钟以上以减小孔底沉渣。反循环钻孔时，孔内泥浆要求密度小于 1.2，粘度2528Pa.s，含砂率不大于 4%。试桩施工的实测泥浆指标如表 4 所示。 表 4 钻进过程实测泥浆指标 3）清孔 反循环钻进成孔并检验合格后，停止钻具回转，提升钻锥至距孔底钻渣面 0.1-0.3m，维持泥浆的反循环，并向孔中注入清水。清孔中经常测量孔底沉渣厚度和孔中泥浆性能指标，满足要求后立即停止清孔。应注意在清孔过程中，必须始终保持孔内原有水头高度。灌注水下混凝土前再次对孔内泥浆指标和孔底沉渣厚度进行检查，如超
11、过规定（相对密度 1.03-1.10，粘度 17-20Pa.s，含砂率小于 2%，胶体率大于 98%） ，则进行第二次清孔。 4）钢筋安装 试验桩钢筋笼均采用卡板制作，以保证钢筋笼的尺寸准确。钢筋笼在钢筋加工场地整体加工制作，整体制作好后在机械接头处拆开分节运至桩位处吊装。 荷载箱安装在测试单位指定位置，位移管外套管采用 4 根 60mm 钢管，沿圆周均布，与钢筋笼绑扎牢固，长度为桩顶到荷载箱位置长度加30cm，下端与荷载箱焊接，位移管连接采用对接焊接。钢筋笼主筋到荷载箱截断，并与荷载箱焊接。 图 3 静载法荷载箱安装（1） 图 4 静载法荷载箱安装（2） 每桩声测管采用 4 根外径 60mm
12、，壁厚 3mm，长度为桩长+100cm 的无缝钢管，呈正方形布置，直接固定在钢筋笼主筋内侧，固定点间距不超过 2m，其中声测管管底端和接头位置必须设固定点。声测管随钢筋笼分段安装，每安装一节均应向声测管内加注清水。声测管安装完毕后将上口用木塞封堵，以免浇灌混凝土时落入异物，致使堵塞孔道。声测管之间互相平行，底部伸至桩底，顶部伸出桩顶 30cm。声测管底端及接头应严格密封，接头采用螺纹连接，接头内部平整、无毛刺等凸出物，接头保证管外泥浆不会渗入管内，声测管上端加盖，管内注满清水。 5）桩基砼灌注 试验桩水下砼采用导管法灌注，按规范要求控制首灌方量及导管埋深。灌注水下混凝土过程中，注意观察管内砼下
13、降和孔内水位升降情况，及时测量并记录导管埋置深度和砼面高度，正确指挥导管的提升和拆除。导管提升时保持轴线竖直和位置居中，逐步提升。导管的埋深控制在26m 范围内。当灌注砼至桩中上部时，泥浆相对密度会越来越大，沉淀越来越厚，可加水稀释，以减少泥浆在钢筋表面及孔壁的粘附，减小混凝土与钢筋握裹力及桩侧摩阻力的损失。可利用导管拆卸时间进行，但要注意不能冲刷孔内混凝土，出水孔距离混凝土面距离 30-50cm。 桩基混凝土灌注完成，在混凝土初凝后对声测管进行预通，以及时疏通管内可能渗入的泥浆，有利于桩身完整性检测，可利用 PVC 管人工预通。 成孔、成桩质量检测 1）成孔质量 在试桩施工中，采用 PHP
14、泥浆取得了较好的成孔质量，极大的缩短了清孔时间，降低了 清孔难度。 表 5 清后孔内泥浆指标 2）桩身完整性检测 在成桩 7d 后利用声测法对桩基完整性进行检测，结果表明桩基完整性良好，判定为 I 类桩。在后续工程桩施工中，运用 PHP 泥浆均取得了较好的成孔质量，已检测的 604 根桩均为 I 类桩。 3）承载力检测 桩身混凝土龄期达 15d 后采用静载法进行桩基承载能力检测，由南京东南大学自平衡桩基检测有限公司进行。 图 5 静载法桩基承载力检测 检测结果桩基竖向承载力满足要求： 表 6 静载法检测结果 PHP 泥浆对钻孔灌注桩承载力影响分析 在钻进及灌注过程中，泥浆性能的好坏都对桩基承载
15、能力有较大的影响，而根据相关研究4，运用 PHP 泥浆能提高桩基承载力约 20%。其影响主要体现在以下几个方面。 1）对桩端承载力的影响 钻孔灌注桩主要利用泥浆进行桩底清孔，防止泥浆中砂、石粒等在孔底沉淀过厚。沉渣过厚时会在桩底形成软垫层，降低桩端的承载力。PHP 泥浆具有较高的粘度，能更好的粘附泥浆中砂粒，排渣效果更理想，能极大的减小孔底的沉渣厚度。根据相关研究4 ，在特定条件下，优化 PHP 泥浆配比及循环系统，提高 PHP 泥浆性能后，甚至能实现孔底零沉渣。 2）对桩侧承载力的影响 在钻孔泥浆循环过程中，泥浆中自由水不可避免的向孔壁四周渗透，泥浆中的土颗粒不断黏附于孔壁形成一层柔韧的黏土
16、膜以抵抗泥浆对孔壁的冲刷。这层黏土膜即为泥皮，泥皮随着钻进的加深不断的加厚，在一定程度上有利于孔壁的稳定，能防止坍塌，但是其影响了桩身混凝土与桩侧土层的直接结合，降低了桩侧摩阻力，泥皮越厚，降低越大。PHP泥浆主要掺加成分为膨润土，膨润土具有泥皮薄的特点，能有效的降低泥皮对桩侧承载力的影响。这种作用在摩擦桩中体现的尤为明显。 3）对桩基本身强度的影响 钻孔灌注桩在灌注水下混凝土时，如果泥浆性能不好，泥浆对混凝土上升的阻碍作用会加大，容易造成混浆，在桩身中形成软弱的泥浆夹层，甚至是断层。PHP 泥浆是不分散低固相泥浆，具有比重小的特点，灌注时在满足护壁要求的前提下，对混凝土上升阻碍作用较小，不易形成软弱夹层、断层。 PHP 泥浆对钻孔效率影响分析 钻进效率的决定性因素为地层特性及钻进机具的选择。工程经验表
