浅析砂性土层PHP泥浆护壁钻孔桩施工过程控制

[摘要]目前，钻孔灌注桩作为桥梁工程的一种基础形式已被广泛采用，我国幅员辽阔，地质情况千差万别，不同地质条件下钻孔桩施工工艺也不尽相同。本文结合南通市江海大道东段快速化工程F标钻孔桩施工过程中PHP泥浆在砂性土层中的成功应用，主要介绍施工中如何对PHP泥浆进行现场控制，使其施工性能达到最佳。

[关键词] 钻孔桩 施工PHP泥浆护壁施工过程质量控制

中图分类号：O213文献标识码： A

南通市江海大道东段快速化改造工程高架桥采用群桩基础，共有桩基744根，其中：直径1.5m钻孔桩616根，桩深46～78m，总长度35890m；直径1.2m钻孔桩88根，桩深48～74m，总长度5880m；直径1.0m钻孔桩40根，桩深32～42m，总长度1552m。

本工程位于江苏省南通市通州区境内，处于长江下游三角洲北翼。项目前期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。桩基施工采用反循环钻机钻孔，PHP泥浆护壁，成功地在砂性土层进行钻孔桩施工。施工过程中PHP泥浆发挥了重要作用，有效地保证了成孔质量。本文主要介绍钻孔桩施工过程中PHP泥浆的质量控制。

1 PHP泥浆应用

1.1 PHP泥浆的特点

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，它能使钻渣处于不分散的絮凝状态，易于清除。该泥浆在钻孔中能起到保护孔壁、携带钻渣、冷却钻头、提高钻进速度、延长钻机使用寿命、保证成孔质量、密实混凝土等作用。根据相关研究[3]，运用PHP泥浆钻孔施工对提高桩基承载力有较大影响。

1.2 PHP泥浆的组成

制备泥浆的主要原料：

（1）膨润土：PHP泥浆胶体质的主要来源，主要分为钠质和钙质两类，钠质膨润土泥皮薄，稳定性好，造浆率高。钙质膨润土较钠质膨润土性能稍差，但其价格相对低廉，选择适当的配合比也能较好的满足施工需要。

（2）水：取水时要求水质好，水质要求属HCO3- ～Ca+型水，PH值在8.1 ～8.5间。

（3）碱粉：即工业碳酸钠（Na2CO3）,其作用是可增大PH值到10，从而增加水化膜厚度，提高基浆的胶体率和稳定性，降低失水量。同时可提供Na+，对膨润土进行改性处理。

（4）聚丙烯酰胺（PAM）：为水溶性高分子聚合物，具有良好的絮凝性，即可单独拌制泥浆，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 钻孔前准备工作

2.1原材料的质量控制

制浆用土十分重要，土样自身含砂率直接决定了孔中循环泥浆指标和清孔泥浆指标的好坏。好的膨润土颜色一般呈灰黄色。根据工程地质条件及类似施工经验选用浙江吉安生产的以脱蒙石为主的钙基膨润土，该土具有相对密度低、粘度好、含砂量少、失水量低、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。制浆用水取自通吕运河，水质较好。原材料进场集中堆放，下垫上盖，避免受潮变质。

2.2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[4]，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整其浓度和酸碱度。浓度和酸碱度通过加入膨润土及碱粉调整。

2.3泥浆制备

由于膨润土的充分水解需要一定时间，一般在开钻之前24小时造好所需要的泥浆。在钻孔前要准备足够的泥浆，一般为孔体积的1.5倍，造好的泥浆储存在泥浆池中备用。

（1）基浆制作

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，现场可根据实际情况由实验室调配。

表1 新制泥浆配比（1m3浆液用量）

膨润土 材料用量（Kg）

水 膨润土 Na2CO3 PHP（当基浆性能无法满足时）

钙土2级 968 58 3.194 0.484

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。

粘度（s） 比重（g/cm3） 含砂率（%） PH 胶体率（%）

20-22 1.02-1.06 0.3 8-10 98

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。

（3）PHP泥浆制备

在原浆中加入一定比例的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如表3所示。

表3 PHP泥浆性能指标

粘度 （s） 比重（g/cm3） 含砂率 （%） PH 胶体率（%） 失水量（ml/30min） 泥皮厚度（mm）

26-35 1.04左右 ≤0.3 8-10 ≥99 ＜18 ≤1.0

3 钻孔过程中泥浆质量控制

钻孔过程中泥浆质量的好坏直接关系到成孔质量，为保证泥浆性能符合要求，钻进过程中一般每2h检测一次泥浆指标，若泥浆指标不符合要求则停止钻机进尺进行调浆，直至泥浆达到要求为止。泥浆各项指标的调节主要通过泥浆循环系统实现。在钻孔过程中泥浆主要检测相对密度、黏度、含砂率和PH值四个重要指标，同时也对胶体率、失水量和泥皮厚度进行检测，具体检测方法参考《公路桥涵施工技术规范》（JTG/T F50-2011）[1]。

（1）相对密度

泥浆的相对密度是泥浆与同体积的水的质量比，是钻孔过程中一个重要参数。泥浆的相

对密度增大时，在钻进中对孔壁的侧压力也增大，孔壁越稳定，悬浮携带钻渣的能力也越大。但相对密度过大的泥浆其失水量也相应增大，孔壁上的泥皮也越厚，这就增大了泥浆原料的消耗，而且会给清孔和混凝土灌注带来困难。对于摩擦桩，泥皮影响混凝土与桩侧土的直接结合，从而降低了混凝土桩桩侧摩阻力，泥皮越厚，降低程度越大[3]。同时，泥浆密度的增大意味着泥浆中固体颗粒含量加大，就会对钻具产生较大的磨损，钻进中泥浆密度控制在1.1～1.2之间。钻进中泥浆的相对密度若是过大，则需往孔中加入基浆或停止钻进进行降砂处理。若基浆合适在施工中一般不存在相对密度偏小的现象，因为只要新泥浆参与钻进，必定携带一定的钻渣。检测的泥浆是钻机从孔底抽出的泥浆而不是经过泥浆循环系统重新流入到孔中的泥浆，这才能真实反映出孔内泥浆的性能。

（2）黏度

黏度是钻孔过程中另一重要参数。一般控制在25～28s，黏度大的泥浆有利于降低失水、稳定孔壁、防止坍塌和缩孔等事故，也有利于泥浆悬浮携带钻渣钻屑的能力，降低孔底沉渣，确保成桩质量。黏度大的泥浆产生的孔壁泥皮厚，对悬浮携带钻渣、防止翻砂和阻隔渗漏有利。但黏度大的泥浆容易糊钻，影响泥浆泵的正常工作，增加泥浆的净化难度，从而影响钻进速度。若黏度偏小，钻渣不易悬浮，泥皮薄，对防止翻砂和渗漏不利。

（3）含砂率

含砂率是泥浆内所含的砂和粘土颗粒的体积百分比。泥浆的含砂率大时，会降低黏度，增加沉淀，容易磨损钻孔机具。停钻时易造成埋钻事故。若提钻时泥浆中含砂率偏大，经过几个小时的沉淀，孔底的沉渣量会积多而超出设计及规范要求，必须进行二次清孔。在钻进中含砂率控制在4%以内，提钻前含砂率需降到2%以下，这样可以有效减少灌注前孔底沉渣厚度，避免或减少二次清孔时间。

（4）PH值

PH值表示泥浆的酸碱度，PH值等于7时为中性泥浆，小于7时为酸性，大于7时为碱性。PHP泥浆的PH值一般控制在8～10，这时粘土颗粒可以进行分散，水分子进入粘土内部使其膨化，颗粒表面形成一层吸附性水化膜，相当于增加了泥浆的固相成分，使失水量小，能较快形成薄而坚韧的泥皮，起到很好的固壁效果。水化膜还可以阻止粗土颗粒黏结在一起而沉淀，因而增加了泥浆的稳定性和胶体率。如PH值过小，失水量会急剧上升；如PH值过大，泥浆滤液将渗透到孔壁的黏土，使孔壁表面软化，黏土颗粒之间的凝聚力减弱，造成裂解而使孔壁坍塌。PH值现场用PH试纸测定。

（5）胶体率

胶体率亦称稳定率，用于评价泥浆中土颗粒保持悬浮状态的性能。胶体率大的泥浆，黏土颗粒不易沉淀，悬浮钻渣能力强。钻渣中的土颗粒处于悬浮状态，利用泥浆胶体的黏结力使悬浮着的钻渣随着泥浆的循环流动被带出桩孔，最终将桩孔内的钻渣清干净。

（6）失水量

失水量又叫渗透量，是泥浆在钻孔中受内外水头压力差的作用在一定时间内渗入地层的水量，以mL/30min为单位。泥浆的失水量越小，则它的胶体率越大。失水量小的泥浆有利于巩固孔壁；失水量过大的泥浆，形成孔壁泥皮过厚而使钻孔直径缩小，同样不利于孔壁稳定。故泥浆的失水量越小越好。

（7）泥皮厚度

泥皮是泥浆失水的同时，在孔壁表面形成的一层液固相压的结合物。泥皮主要在泥浆相对密度、黏度、PH值、失水量等指标综合作用形成，与泥浆质量有直接关系。对于摩擦桩，泥皮的薄厚对桩侧摩阻力影响十分明显[5]。优质泥浆形成薄而韧、结构致密的泥皮,有利于稳固孔壁。经现场检测，使用PHP泥浆泥皮厚度小于1mm。

泥浆的各项指标是相辅相成的，不是单独孤立的，泥浆中若有一个指标达不到要求，就会影响其他的性能指标不符合要求。为保证泥浆质量，施工时应注意新制备泥浆要静置24小时再使用，且不可将膨润土直接倒入正在钻进的孔内，利用钻头旋转造浆；钻进过程中，要根据地层地质条件，调整现场泥浆指标，以满足施工性能要求。

4 成孔及混凝土灌注前泥浆质量控制

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，并向孔中注入新泥浆。清孔过程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底沉渣厚度和孔内泥浆指标进行检查，如超过规定（孔底沉渣厚度，泥浆相对密度1.03-1.10，粘度17-20Pa.s，含砂率小于2%，胶体率大于98%），则需进行第二次清孔。

5 结束语

在本标段钻孔桩施工过程中，PHP泥浆在砂性土层的使用是成功的，钻孔施工期间没有出现任何质量事故，取得了良好的成桩质量。经检测试桩承载力满足设计要求，全部744根桩均为I类桩。

使用PHP泥浆完全能够满足砂性土层钻孔桩施工要求，但其成本相对较高。在施工过程中如何充分利用其性能优点而降低生产成本，做到投入与产出比最小，这就要求现场控制有理、有利、有节。PHP泥浆在施工中如果现场控制得当，使其工作性能充分发挥，对桩基成孔质量与成孔速度是一项强有力保障，同时桩基的成孔成本也会降低。

参考文献

[1]JTG/T F50―2011.公路工程桥涵施工技术规范[M].北京:中国人民交通出版社.

[2]砂性、粉砂性土层钻孔灌注桩施工要点.探矿工程(岩土钻掘工程)[B].1672-7428(2006)11-0019-02.

[3]吴鹏,龚维明,任伟新,游庆仲.钻孔灌注桩护壁泥浆对桩基承载性能的影响.岩土工程学报[A].2008（9）:1327-1332.

[4]张雄文,管义军,周建华.PHP泥浆在桥梁超长超大直径钻孔灌注桩施工中的应用.岩石力学与工程学报[A].2005（7）:2571-2575.

[5]马茂军,曲学进.护壁泥浆对抗浮桩承载力的影响分析.青岛理工大学学报[A].1673-4602(2007)0-01

14-03.