多種砂層地質(zhì)條件下鉆孔樁泥漿護(hù)壁選擇與應(yīng)用

多種砂層地質(zhì)條件下鉆孔樁泥漿護(hù)壁選擇與應(yīng)用摘要樁基旋挖鉆施工過程中遇到厚砂層與黏土層相間分布，穿越多個(gè)厚砂層的復(fù)雜地質(zhì)情況對(duì)樁基施工極為不利。經(jīng)常發(fā)生擴(kuò)孔、塌孔，甚至斷樁現(xiàn)象。通過對(duì)樁孔受力加以分析，從力學(xué)角度定性分析泥漿比重在維持孔壁穩(wěn)定上的重要作用。通過對(duì)泥漿護(hù)壁材料的比選、分析，并結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際，選擇最優(yōu)護(hù)壁材料，從而在特殊地質(zhì)環(huán)境下指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)樁基施工，以便盡可能預(yù)防質(zhì)量事故的發(fā)生。關(guān)鍵詞復(fù)雜地質(zhì)鉆孔樁擴(kuò)孔、塌孔應(yīng)力分析膨潤(rùn)土泥漿化學(xué)泥漿1工程簡(jiǎn)介1.1工程概況308國(guó)道冀魯界至南宮段改建工程清河大橋，全長(zhǎng)281m，上部結(jié)構(gòu)孔跨布置為11-25m預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)小箱梁，下部結(jié)構(gòu)采用柱式墩、肋板臺(tái)、鉆孔樁基礎(chǔ)，全橋共有樁基140根。1.2地質(zhì)概況橋址地區(qū)地層主要為第四系全新統(tǒng)，從上至下分別為：（1） 人工堆積層：人工填筑土、素填土、雜填土；（2） 沖洪積層：粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂、細(xì)砂、中砂；（3） 第四系上更新統(tǒng)沖洪積層：粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂、細(xì)砂、中砂、粗砂、圓礫；（4） 奧陶系中統(tǒng)石灰?guī)r。地層分部為粉質(zhì)黏土、粉砂、細(xì)砂、中砂、粗砂，砂層較厚，最長(zhǎng)一根樁累計(jì)穿過砂層達(dá)23.3米，砂層1.5-8.9米厚，單樁連續(xù)穿過砂層最大厚度達(dá)8.9米，砂層一般為中密稍松，這種地層中鉆孔樁成孔難度較大。圖1清河大橋樁位地基地質(zhì)構(gòu)造圖?1.3樁基參數(shù)樁基采用鉆孔灌注樁方式成樁，樁徑為1.2m、1.8m共2種，最深鉆孔深度達(dá)69.7m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為水下C30，樁身主筋混凝土凈保護(hù)層為75mm，樁基礎(chǔ)均為摩擦樁，孔底沉渣不大于100mm。1.4鉆孔施工過程中存在的問題選用旋挖鉆進(jìn)行樁基成孔施工，在施工過程中遇到厚砂層與黏土層相間分布，穿越多個(gè)厚砂層的復(fù)雜地質(zhì)情況對(duì)樁基施工極為不利。經(jīng)常發(fā)生擴(kuò)孔、塌孔等現(xiàn)象。如何克服在多厚砂層復(fù)雜地質(zhì)中擴(kuò)孔、塌孔等問題屬于橋梁樁基施工中的難題。2泥漿護(hù)壁原理及造漿材料比選在鉆孔樁施工中，泥漿護(hù)壁是鉆孔過程中主要控制因素之一。如何能夠?qū)⒛酀{指標(biāo)控制在一個(gè)臨界狀態(tài)，既能保證泥漿護(hù)壁穩(wěn)定，有保證鉆進(jìn)過程中的泥漿不至于過濃而影響鉆孔速度。2.1泥漿護(hù)壁力學(xué)原理為了避免塌孔，使孔內(nèi)保持一定的徑向壓力以控制最大剪切應(yīng)力，鉆孔過程中經(jīng)常采取泥漿護(hù)壁。這是由于孔內(nèi)泥漿的靜水壓力與其深度和泥漿比重相關(guān)，是可以人為控制的，即泥漿對(duì)孔壁形成的徑向應(yīng)力是可以控制的。在采用泥漿護(hù)壁鉆進(jìn)過程中，鉆孔隨深度變化的土壓力和隨深度而變化的泥漿壓力共同作用下，樁孔孔邊的應(yīng)力邊界條件為：同樣，根據(jù)土力學(xué)原理和彈性力學(xué)的拉梅解答，樁孔周邊土體中的水平應(yīng)力分布情況為：式中，此時(shí)，樁孔孔邊的環(huán)向應(yīng)力為：依據(jù)應(yīng)力狀態(tài)理論的第三強(qiáng)度理論可知在樁孔孔邊，環(huán)向與徑向成45°方向、軸向與徑向成45°方向、軸向與環(huán)向成45°方向的最大剪切應(yīng)力分別為：圖2樁孔孔邊應(yīng)力分布由此可見，泥漿的靜水壓力總體上緩解了各個(gè)極大剪切面上的應(yīng)力，進(jìn)而可以減少鉆孔過程中塌孔現(xiàn)象，這就是泥漿護(hù)壁的力學(xué)原理。鉆孔過程中塌孔與否，依賴土的物理力學(xué)性能和施工工藝。土的物理力學(xué)性能是無法改變的，但是鉆孔施工工藝是可以控制的，也就是說孔邊最大剪切應(yīng)力是可控的，造成塌孔的原因是可控的。例如增大徑向壓力，可以降低孔邊最大剪切應(yīng)力，因此在鉆孔過程中，最長(zhǎng)采用的辦法就是采用泥漿護(hù)壁，即在孔內(nèi)保持一定的高度和稠度的泥漿，其比重、粘度、含砂率是嚴(yán)格控制的，在遇到某些特殊特殊地層時(shí)，可以適當(dāng)增大泥漿比重。2.2普通泥漿與化學(xué)泥漿對(duì)比分析在施工中，為保證泥漿護(hù)壁效果，傳統(tǒng)的膨潤(rùn)土造漿所用膨潤(rùn)土用量較大，施工成本較高；通過了解目前市場(chǎng)上有一種化學(xué)聚合物泥漿，具有護(hù)壁效果好、造漿快、用量少、成本低等優(yōu)點(diǎn)。通過引入化學(xué)泥漿和傳統(tǒng)膨潤(rùn)土進(jìn)行對(duì)比分析，選出最適合多厚砂層鉆孔樁施工的泥漿護(hù)壁材料及參數(shù)。2.2.1泥漿制取方法1、 普通膨潤(rùn)土泥漿由于鉆孔穿過砂層時(shí)護(hù)壁難以形成，在施工中針對(duì)這一特點(diǎn)，從制漿原材料入手，在配制優(yōu)質(zhì)泥漿護(hù)壁同時(shí)，又加入了水泥、鋸木屑等，以加強(qiáng)泥漿護(hù)壁效果及加速砂層泥漿護(hù)壁封閉環(huán)的形成。遇到較松散砂層時(shí)，護(hù)壁材料中摻入適量水泥，以提高泥漿粘度，增強(qiáng)泥漿護(hù)壁能力，水泥摻量為膨潤(rùn)土的1/8~1/5。在膨潤(rùn)土中摻入鋸木屑，一方面為了提高泥漿的懸浮能力，在鉆進(jìn)過程中，泥漿可以有效的將砂粒浮出，減少鉆頭阻力，加快鉆進(jìn)速度；另一方面，鋸木屑可以加快泥漿護(hù)壁形成，在處理流砂或易塌孔地層中效果較好。2、 化學(xué)泥漿化學(xué)泥漿是一種高分子量的人工合成聚合物，它可以在較低的濃度條件下，創(chuàng)造極佳的黏度環(huán)境。它極長(zhǎng)的分子鏈呈卷狀無序地分散于泥漿中，這些單個(gè)的小卷受到剪切力后就會(huì)伸展開來，穿過不同的層面形成連接橋，這種表面吸附與橋接作用在鉆進(jìn)時(shí)會(huì)發(fā)生效力，保證周圍地層的穩(wěn)定；同時(shí)，這種作用也可以幫助泥漿最大限度地黏結(jié)住被切削下的鉆屑，使得鉆頭能夠輕易從鉆孔中移出鉆屑，從而提高鉆進(jìn)效率［1］。2.2.2化學(xué)泥漿優(yōu)點(diǎn)⑴用量極少，100立方的水池加入50公斤左右即可形成良好的漿液，添加量為5/10000左右，可以想象其造漿的簡(jiǎn)捷、迅速，只要有水就可以開鉆［2］。（2） 添加極為方便，化學(xué)泥漿為速溶型化學(xué)泥漿，經(jīng)過測(cè)試，化學(xué)泥漿粉可在10秒內(nèi)溶解，幾分鐘即可達(dá)到極高的粘度值［3］。（3） 化學(xué)泥漿形成的漿液可以循環(huán)重復(fù)利用［3］。（4） 在施工時(shí)，基本無需打理泥漿池子，因?yàn)闊o論成樁多少，泥漿池不會(huì)有大量沉渣出現(xiàn)，無需清理。2.2.3經(jīng)濟(jì)效益分析化學(xué)泥漿和膨潤(rùn)土泥漿成本對(duì)比（以100m3水配制為例）（1） 化學(xué)泥漿：100m3水，化學(xué)泥漿粉按照0.04%需要50kg，化學(xué)泥漿粉國(guó)內(nèi)市場(chǎng)價(jià)14000元/t左右，化學(xué)泥漿粉成本700元，配制時(shí)間5h左右。（2） 膨潤(rùn)土泥漿：100m3水，膨潤(rùn)土按照10%需要10t，膨潤(rùn)土按照市場(chǎng)價(jià)400元/t左右，膨潤(rùn)土成本4000元，配制時(shí)間需要12h左右?；瘜W(xué)泥漿與膨潤(rùn)土泥漿相比，施工成本低，配制所需時(shí)間少，泥漿重復(fù)率高。2.2.4現(xiàn)場(chǎng)施工對(duì)比在現(xiàn)場(chǎng)施工過程中，由于樁長(zhǎng)較長(zhǎng)，完成鋼筋籠安裝、安裝導(dǎo)管等工序到二次清孔間隔時(shí)間較長(zhǎng)，另外由于邢臺(tái)市環(huán)保影響，導(dǎo)致混凝土供應(yīng)的不確定性，導(dǎo)致樁基成孔后不能及時(shí)澆筑。鉆孔出現(xiàn)沉渣后，化學(xué)泥漿二次清孔能力攜渣能力弱，不能保證成樁質(zhì)量，所以在本項(xiàng)目未采用化學(xué)泥漿，而然采用膨潤(rùn)土造漿。3工程實(shí)例3.1施工準(zhǔn)備樁基施工前，通過仔細(xì)地分析工程地質(zhì)資料，結(jié)合施工場(chǎng)地的具體情況和以往的施工經(jīng)驗(yàn)，找出了樁基施工的難點(diǎn)主要是鉆進(jìn)厚砂層和灌注時(shí)的泥漿護(hù)壁問題，由于有較厚的粉細(xì)沙，經(jīng)擾動(dòng)容易變成流沙。針對(duì)這個(gè)問題，在工程的施工方案中重點(diǎn)準(zhǔn)備了一些應(yīng)對(duì)措施，其中有：（1） 加強(qiáng)泥漿制備管理，注重泥漿質(zhì)量；（2） 控制施工順序和機(jī)組的分布，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)及規(guī)范要求進(jìn)行跳鉆施工；（3） 根據(jù)地質(zhì)報(bào)告揭示，減緩厚砂層的鉆進(jìn)速度。3.2實(shí)例分析以清河大橋10#-4樁基現(xiàn)場(chǎng)施工為例，樁長(zhǎng)60米，樁徑為1.8米，鉆孔深度為69.4m。因樁基開工初期對(duì)地質(zhì)情況認(rèn)識(shí)僅停留在地質(zhì)勘察報(bào)告上，對(duì)多砂層復(fù)雜地質(zhì)情況沒有深刻體會(huì)，按照常規(guī)方式采用旋挖鉆成孔，從11月20日14:00開孔鉆進(jìn)，直至11月21日13:30成孔，耗時(shí)共計(jì)23.5小時(shí)。選用水化性能較好、造漿率高、成漿快的膨潤(rùn)土進(jìn)行造漿，入孔泥漿比重為1.15，黏度19；鉆進(jìn)過程很順利，12#-16樁基成孔時(shí)間用了23.5小時(shí)，成孔后的沉淀厚度約20cm，含砂率為12%。第一次清孔階段，孔內(nèi)含砂率一直維持在9%左右，在泥漿池中粉細(xì)砂附著在泥漿中，很難沉淀下來，通過降低泥漿比重為1.1,孔內(nèi)含砂率才符合要求。經(jīng)監(jiān)理驗(yàn)孔合格后，進(jìn)行鋼筋籠安裝施工。鋼筋籠下孔用了4小時(shí)，導(dǎo)管安裝用了1.5小時(shí)，再次測(cè)量孔底沉渣約100cm，采用7.5kw泥漿泵，通過導(dǎo)管進(jìn)行二次清孔，清孔效率較高，將近1小時(shí)砂率降到了3%，沉渣厚度小于10cm，混凝土灌注前孔內(nèi)泥漿比重為1.05。混凝土灌注過程中發(fā)現(xiàn)部分混凝土上升異常，混凝土實(shí)際灌注方量和設(shè)計(jì)方量幾乎吻合。旋挖鉆機(jī)鉆進(jìn)過程順利，但在清孔、下放鋼筋籠、砼澆注過程中就陸續(xù)出現(xiàn)明顯的流沙和局部的縮孔、塌孔現(xiàn)象。經(jīng)檢查施工記錄，泥漿的質(zhì)量明顯下降，比重高了；粘度小了；含砂率高達(dá)5%—8%。很明顯：泥漿護(hù)壁效果差。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況選擇合適的鉆進(jìn)速度，鉆進(jìn)砂層速度減慢，在厚砂層段要加大泥漿比重，必要時(shí)添加水泥、鋸木屑提高護(hù)壁護(hù)壁效果。在鉆進(jìn)過程中指派專人測(cè)定泥漿的粘度、含砂率、失水量等參數(shù)，通過除砂桶降低泥漿砂率，必要時(shí)換漿處理，隨時(shí)對(duì)泥漿成份進(jìn)行調(diào)整。通過對(duì)泥漿參數(shù)的密切監(jiān)控，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行及時(shí)調(diào)整，剩余樁基施工鉆孔、灌注過程都很順利。4產(chǎn)生效益分析本工程樁基質(zhì)量檢測(cè)成果優(yōu)良。在破樁頭時(shí)有2根樁基在樁頂1~2米左右有不同程度的夾砂現(xiàn)象，主要原因就是在砼灌筑到樁頂時(shí)壓力減小灌筑過程中沉淀下來的粉細(xì)砂裹到了砼中，且砼超灌筑高度過低，建議在砼灌筑到樁頂3~5m處采用大漏斗，砼超灌筑1.5米。其余的樁經(jīng)超聲波檢測(cè)全部為一類樁，取得了一定的經(jīng)濟(jì)利益和社會(huì)效益。5結(jié)束語隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，鉆孔樁的樁長(zhǎng)和樁徑不斷加大，單樁承載力越來越高，設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量要求越來越嚴(yán)格。特別是鉆孔樁發(fā)生質(zhì)量事故后處理難度大，處理費(fèi)用高。因此有必要對(duì)鉆孔樁及其樁孔受力加以分析，從力學(xué)角度定性分析泥漿比重在維持孔壁穩(wěn)定上的重要作用。通過對(duì)