钻孔桩施工中的泥浆技术

陆　俊

【摘 要】本文结合钻孔灌注桩的施工工艺，浅述了成孔泥浆的物理特性、制备方法及冬季施工要点，阐述了泥浆技术在钻孔桩基础工程中所起的重要作用，在泥浆原料方面着重分析了膨润土的物理结构及其作用。

【关键词】钻孔桩；泥浆；膨润土；基础

The Mud Technology in the Construction of Bored Piles

Lu Jun

(Nantong channel administrative office Nantong Jiangsu 226006)

【Abstract】The article illustrates that the mud technology takes an important effect in the Construction of the Bored Piles, shows the mud performance, production methods and the key point of the construction in winter. It also analyzes the structure and effect of Bentonite.

【Key words】Bored Piles；Mud；Bentonite；Base

1. 前言

随着国家水运基础设施建设投入的增大以及水工建筑的发展，钻孔桩基础现在被广泛的应用于航道船闸、公路桥梁、高层建筑等工程领域，并向大直径、多样化方向发展。从钻孔开挖至灌注砼成桩，钻孔桩施工自始至终离不开成孔泥浆。在静水压力的作用下，泥浆可在井孔壁形成一层泥皮，阻隔孔内外渗流，保护孔壁免于坍塌；对正循环回转钻，泥浆被泥浆泵从钻杆中心连续压入孔底，从而带起孔底钻渣，使之持续悬浮，并随泥浆上升而溢出到沉淀池；经过沉淀净化，泥浆可循环使用。由此可见，科学运用泥浆技术对确保桩基础的工程质量显得极为重要。

2. 泥浆的作用与性能

控制泥浆的性能指标是掌握泥浆技术的关键。泥浆的主要指标包含相对密度、粘度、静切力、含砂率、胶体率、失水率及酸碱度等。泥浆的相对密度是泥浆与4℃同体积水的质量比；相对密度增大时，泥浆对孔壁的侧压力会相应增大，孔壁越趋稳定，悬浮携带钻渣的能力加大；但孔壁上增厚的泥皮，增加了泥浆原料的消耗，减少了灌注桩与孔壁的摩阻力，降低了成桩质量，泥浆中大量的固体颗粒对钻具产生较大的磨损，降低了钻进速度。泥浆的粘度是指液体分子或颗粒之间的内摩擦力。粘度大，产生的孔壁泥皮厚，对防止翻砂、阻隔渗漏有利，悬浮携带钻渣的能力强；但易产生“糊钻”现象，并影响泥浆泵的正常工作，增加泥浆净化的困难。胶体率是指泥浆静止后，悬浮的粘土颗粒与水分离的程度；胶体率高，其悬浮钻渣的能力强。泥浆的酸碱度适中，水分子可进入分散的粘土颗粒使其膨胀，颗粒表面形成一层吸附性水化膜，增加了泥浆的固相成份，减小了失水率，增强了泥浆固壁性能，水化膜还可阻止粗土颗粒粘结沉淀，增强了泥浆的稳定性和胶体率。调制泥浆的性能指标可参考下表：

3. 泥浆原料

泥浆在钻孔过程中的护壁和悬浮钻渣的双重作用决定了制备泥浆的原料应具备水化快、造浆能力强、粘度大等特性。一般可选用塑性指标大于25、粒径小于0.005mm颗粒含量多于总量的50%的粘土制浆。这种粘土经水浸湿后有粘滑感、并能大量膨胀。当其性能指标不符合要求时，可在泥浆中掺入总量0.3%~0.5%的碳酸钠(Na₂CO₃)、氢氧化钠(NaOH)或膨润土粉末，以提高其性能。当井孔直径达1.2m以上，孔深达30m以上，且地层松散易坍塌时，普通泥浆的固壁和悬浮钻渣效能会大打折扣，这时宜选用以膨润土为主原料的高级泥浆。

1890年，美国的福特•本顿首先发现了膨润土。它具有很强的吸湿性，能吸附相当于自身体积8~20倍的水而膨胀至30倍;在水介质中能分散呈胶体悬浮液，并具有一定的粘滞性、触变性和润滑性，它和泥沙等的掺和物具有可塑性和粘结性，有较强的阳离子交换能力和吸附能力。它的主要成分和对于它作为泥浆固壁-浮渣介质的性能起着决定作用的，乃是其中叫作蒙脱土的一种粘土矿物，这种矿物以其位于法国南方的蒙脱英里翁矿床而得名。

蒙脱土是一种层状结构的结晶氢化硅酸铝。硅酸盐多层体是一种三层结构，其中包括一层SｉO₄四面体、一层氢氧化铝八面体和一层SｉO₄四面体。蒙脱土晶体即由许多这样的硅酸盐叠层组成。蒙脱土晶体遇水膨胀，与此同时水分子便渗入各个叠层之间。于是两个蒙脱土叠层之间的距离就加大了一倍。晶体内部膨胀现象的原因，则在于叠层内部电荷分布的不均匀。在静止的膨润土悬浮液中，薄片状的蒙脱土微粒形成一种巢式结构，其中这些微粒以它们的角隅和棱缘彼此接触或互相支撑。一旦静止状态被扰乱，如搅拌、振动或泵送等，巢式结构就会坍塌，此时悬浮液就会变成溶胶；当这种溶胶再次静止下来，薄片状的蒙脱土微粒又会彼此搭在一起形成巢式结构，溶胶重新凝固，悬浮液结成凝胶，一旦运动起来又变成溶胶，这种从静止到运动又回到静止状态的结构交替，可以永无止境地重复下去，这样的特性叫作触变性。作为钻孔桩施工中的固壁-浮渣介质，膨润土的重要特点即在于它的膨胀性能，而这一点均取决于薄片状蒙脱土微粒的大小和数量。

膨润土的层间阳离子种类决定膨润土的类型，层间阳离子为Na⁺时称钠基膨润土;层间阳离子为Ca²⁺时称钙基膨润土。它们的区别在于起决定作用的蒙脱土是钙蒙脱土还是钠蒙脱土。在膨润土含量相同情况下，钠膨润土悬浮液中所含极薄的硅酸盐叠层片的数量，约为钙膨润土悬浮液中所含数量的15到20倍。这种极薄的硅酸盐叠层片的数量越多，越有利于蒙脱土微粒形成巢式结构，提高悬浮液的膨胀性能，这样既可改善悬浮液在溶胶状态下的流动性，也能改善悬浮液在凝胶状态下的固结性。所以钠膨润土比钙膨润土更适用于钻孔桩施工。

4. 泥浆制备计算

粘土制浆，应先把土块尽量打碎，使在搅拌中易于成浆，缩短搅拌时间，提高泥浆质量。在粘土中钻孔，事先只需调制不多的泥浆，以后可在钻进过程中利用地层粘土造浆补浆。在砂类土中钻孔，事先须备足粘土，其数量可按下述公式和原则计算：

q = Vp₁= p₁×(p₂-p₃)/(p₁-p₃)

式中：q——每立方泥浆所需的粘土质量；

V——每立方泥浆所需的粘土体积；

p₁——粘土的密度；

p₂——要求的粘土密度；

p₃——水的密度。

若造成泥浆的粘度为20s~30s，则各种粘土的造浆能力为：黄土胶泥（1~3立方）/吨；白土、陶土、高岭土（3.5~8立方）/吨；次膨润土为9立方/吨；膨润土为15立方/吨。由此可见，膨润土的造浆能力较黄土胶泥高3~4倍，即准备原料数量只需要普通粘土的1/4~1/5。一个钻孔需要的总粘土量，除要考虑泥浆充满钻孔、泥浆槽及沉淀池，还要考虑钻孔的孔径扩大、井孔壁、泥浆槽等处的渗漏，以及泥浆经多次循环使用后，其性能指标变坏须换掉等情况。一般宜按井孔体积计算的粘土量再增加6%左右。

制备泥浆要求使用不纯物含量少的水。当水质不能得到确保时，应另外准备10~20立方的清水或泥浆储存设备。废泥浆应用罐车送到处理场进行处理，不得在施工现场就地排放。

5. 冬季施工对泥浆的影响

严冬寒季，低于0度的负温条件对循环成孔泥浆的影响是很大的。正循环钻机成孔是靠泥浆浮渣的，孔壁的稳定是靠泥浆在孔中形成护壁薄膜、水头产生压力来完成的。在冬季负温条件下，泥浆的技术指标会发生变化，因泥水不合，粘度大约降低3s~5s，胶体率下降3%~5%，失水率也相应增大；尤其是受冻的泥浆，各项技术指标将严重变劣，使得1cm~3cm的大粒径钻渣很难从深孔中浮出孔外，进尺速度明显下降。一般情况下，相同的孔径、孔深及地质条件，冬季成孔速度较夏季要降低30%左右，成桩时间延长24小时以上，同时泥浆制浆的相对密度、粘度都要增大。这不仅增加了材料用量及人力、物力消耗，同时使孔壁的泥皮厚度相应的增加1mm~2mm左右，减少了桩与孔壁的摩阻力，使成桩质量降低。由于泥浆质量的下降，浮携钻渣能力也相应下降，成孔周期长，成孔后孔底的沉淀层变厚，造成重复清孔的麻烦。对于泥浆溜槽、泥浆池、输浆管等循环系统及其真空管路系统，都易在负温下冻结，造成因泥浆滞留、真空度下降等停工。

6. 结语

钻孔桩基础具有适应性强、成本适中、施工简便等特点，但它属于隐蔽工程，大部分在水下作业，影响钻孔桩施工质量的因素很多，而泥浆质量的掌控是其它施工环节得以保障的前提，所以科学把握泥浆技术，密切配合各道工序，才能确保整个钻孔桩基础的工程质量。

参考文献

［1］ 沙玉清.泥沙运动学引论［M］.北京：中国工业出版社，1965.

［2］ 钱宁，万兆惠.泥沙运动力学［M］.北京：科学出版社，1983.

［3］ 希辛柯 Р.泥浆水力学［M］.袁恩熙，陈家琅译.北京：石油工业出版社，1957.

［文章编号］1006-7619（2008）09-09-524

［作者简介］陆俊(1968-)，男，大学本科，工程师，从事水运工程的施工与监理。