采用 PHP泥浆提高大直径钻孔桩施工速度研究

曹占良,蔺敬跃

(1.中铁十八局集团五公司,天津 300453;2.宜兴市市政建设总公司,江苏无锡 214200)

采用 PHP泥浆提高大直径钻孔桩施工速度研究

曹占良,蔺敬跃

(1.中铁十八局集团五公司,天津 300453;2.宜兴市市政建设总公司,江苏无锡 214200)

通过对容桂水道特大桥主跨钻孔桩采用 P.H.P泥浆与普通泥浆施工的优缺点进行对比,提出采用P.H.P泥浆的优越性。通过在膨润土中添加适当的纯碱(Na2CO3)、羟甲基纤维素(C.M.C.)、聚丙烯酰胺 P.H.P,以提高泥浆的提渣、护壁、润滑作用。重点介绍基浆的制备,P.H.P鲜泥浆的配置、施工工艺以及施工中需要注意的问题。

大直径钻孔桩;P.H.P泥浆;施工工艺

1 工程概况

容桂水道特大桥为广州至珠海城际轨道交通控制工程,全长 8.555 km。其中该桥主跨设计为 108m+2×185 m+115 m双线连续刚构。主墩基础采用12φ2.3m钻孔桩,其中左边主墩和中主墩桩长 62 m,右边主墩桩长 75m,设计均为柱桩。

容桂水道特大桥主跨位于容桂水道内,水深 6～12m,地质情况为珠江三角洲海陆互交互相沉积平原地貌单元。水下依次为淤泥及淤泥质粉质黏土 2～4 m、粉细砂 10-14m、全风化泥质砂岩 15～20m、强风化泥质砂岩 15～17m、弱分化泥质砂岩。

2 问题的提出

容桂水道特大桥主跨采用 12φ2.3m钻孔桩承台基础,每个承台 12根钻孔桩,采用在水中搭设钻孔平台,冲击钻机施工。每个施工平台安排 4台冲击钻机,3个循环完成钻孔施工。在第一个循环施工过程中,泥浆采用普通黏土制备泥浆工艺制备泥浆,利用未施工的钻孔桩护筒作为泥浆池。采用泥浆泵循环利用泥浆。泥浆的主要指标见表1。

表1 各施工阶段钻孔桩泥浆性能指标

施工阶段,发现施工进度缓慢,通过分析发现,影响钻孔桩施工进度缓慢的主要原因如下。

(1)采用普通泥浆制备工艺,泥浆悬浮钻渣慢,钻渣出现沉积,影响施工进度。

根据以上原因,决定采用 P.H.P泥浆,以提高钻孔桩施工速度。

3 P.H.P泥浆特点

(1)安全可靠

P.H.P泥浆通过调整指标,能保证在各种复杂的地质情况(除喀斯特地层有时须特别处理外)下钻孔壁具有防塌、防漏、不缩孔的性能。钻孔后进行清孔以及采取措施能保证下放钢筋笼到浇筑水下混凝土前,实现桩底沉淀为零,这样大幅度地提高桩端反力。

(2)效率高

P.H.P泥浆在孔内钻进时不分散作用在孔内悬浮钻屑,在净化系统中很容易实现沉淀。P.H.P泥浆胶体率大,含砂率小,比重轻,特别适用于反循环钻进,其钻进阻力和机件磨损都小,而所携带的钻屑较多,出口含砂率提高到 4%。回流泥浆含砂率低(0.5%～1.0%)这两者之差形成钻机效率高。

(3)经济效益好

式中：ρw为水的密度，kg/m3；vi为断面流速，m/s；xi、xj为距离，m；ρ为压力，N；fi为质量力，m/s2；v为流体运动的黏滞系数。

泥浆造价主要决定于总用量大及回收率高。由于P.H.P不分散泥浆必须采用膨润土,造浆率比黏土高出 4～5倍。再加上完善的循环净化系统,使泥浆能回收 60%。因此按单项计算虽然价格较高,但综合计算后单位体积泥浆的造价反而降低。

4 P.H.P泥浆主要材料

(1)膨润土

膨润土为泥浆胶体质的主要来源。膨润土采用钙质膨润土,膨润土掺量为泥浆体积的 8%～10%。

(2)纯碱(Na2CO3)

纯碱的主要作用为增大 pH值使黏土颗粒分散,并增加表面负电荷来吸附带正电荷的钻屑,使泥浆悬浮钻屑效能更好。在施工过程中要注意随时测定泥浆的 pH值,若 pH值过低时应适当加入纯碱。纯碱掺量为泥浆体积的 0.3%～0.5%。

(3)羟甲基纤维素(C.M.C)

羟甲基纤维素能够提高泥浆的黏度,具有使土壁表面形成化学膜泥皮和降低失水量的功能。它常作为膨润土基浆的改性剂,掺量为泥浆体积的 0.5‰～1‰。

(4)聚丙烯酰胺 P.H.P

聚丙烯酰胺的作用是使泥浆具有触变性,保持不分散、低固相、高黏度的优质性能。其掺用量为泥浆体积的 0.03‰左右。

5 P.H.P泥浆制备

5.1 基浆制备

基浆系指由膨润土和纯碱拌制而成的泥浆,即普通泥浆中掺入一定量的纯碱。制备基浆采用膨润土制浆机,膨润土泥粉和水不能在自然状态下混合成泥浆,必须通过强劲的搅动才能形成胶体。膨润土制浆机拌和后注入池中,采用泥浆泵循环自吸 2～3 h使其充分混合。制备好的基浆一般存放 1～2 d后才能使用。

5.2 P.H.P鲜浆制备

(1)P.H.P鲜浆原料

P.H.P鲜浆用原料 PAM为非水解型,分子量为 1 000万左右。使用前要先水解,水解后称“P.H.P”。工地常用常温法,提前水解的步骤如下。

①将 PAM(100)置于清水(6000)中浸泡 1d。

②同时加入烧碱(NaOH)在搅拌筒中搅拌以促溶。NaOH用量可按反应量计算,用量多少与 PAM分子量和水解度成正比。约为 PAM的 10%左右。

③停置 2～3 d,使 PAM分子有效地分散于水中,形成浓 P.H.P鲜浆。

(2)P.H.P水解度的不同表现出不同的特性

①用于钻孔时,为了控制失水量和堵漏以及悬浮钻屑,在回流浆池中加入 60% ～70%的水解度的P.H.P浓鲜浆。

②用于沉淀池中,要求使泥浆中钻屑细颗粒絮凝,要求制作 20%～30%水解度 P.H.P溶液。操作方法是加入补充膨润土淡基浆,来将 P.H.P水解度降低。

(3)P.H.P新鲜泥浆的配制

将 P.H.P(60%～70%)的浓浆液加入到前叙膨润土浓泥浆中,经高压反复喷射混合就形成 P.H.P新鲜浓泥浆。制后时应注意：

①浓鲜浆的黏度要大幅度提高(即黏度 T≥25 s,达到 30 s以上)时,必须先将基浆 pH值加碱调至≥10～12。此种浓度很高的鲜浆,以专用罐存放在施工中可随时掺用到不同泥浆中使用。

②P.H.P掺用剂量为泥浆体积的 0.003%左右。最合理的比例应通过试验来决定,可用表征来观察。

③P.H.P鲜浆的表征：P.H.P含量不足泥浆呈红黄色,含量合适时呈嫩豆腐色果冻状;过量变成清水水土分层。

6 P.H.P泥浆的使用

容桂水道特大桥每个承台共 12根 φ2.3 m钻孔桩,钢护筒直径为 2.5m。一般到河床面高度 10～1 m,因此每个钢护筒可以装泥浆50m3左右。施工时利用没有摆钻机的钢护筒作为泥浆池,如图1所示。

图1 P.H.P泥浆制备工艺示意

钻机采用正循环冲击钻机,泥浆循环路线为钻机→A沉淀池→B过滤池→C沉淀池→D泥浆池→钻机。其中 A沉淀池主要为初次沉淀,在护筒上焊接钢筛,过滤体积比较大的钻渣。然后泥浆经过 B过滤池过滤,再经过 C沉淀池沉淀后,基本为清洁泥浆。在施工过程中根据实测指标逐步用 E池中 P.H.P鲜浆补充,用于调整整个泥浆的质量。施工用膨润土泥浆与 P.H.P基浆对比见表2。

表2 施工用膨润土泥浆与P.H.P基浆对比

7 结语

容桂水道特大桥主跨钻孔桩施工采用 P.H.P泥浆作为循环泥浆,使浮渣效率明显提高,减少了冲击钻机每天重复冲击钻渣的现象。同时采用增加沉淀池和过滤池的办法,更加减少回流泥浆中夹带钻渣的可能性,大大提高了冲击的效率。第一轮施工的 4个钻机完成一个 65m钻孔桩需要 35 d时间,采用 P.H.P泥浆后仅需要 27d,时间缩短了 8 d。对施工完成的钻孔桩取芯结果显示,没有采用 P.H.P泥浆钻孔桩的沉渣厚度有 2～3 cm。而采用 P.H.P泥浆后沉渣几乎为0,达到了预期的目标。通过实践证明,采用 P.H.P泥浆既加快了钻孔进度,同时又降低桩底沉渣厚度,保证了工程质量。

[1]桂业昆,邱式中.桥梁施工专项技术手册[M].北京：人民交通出版社,2005.

[2]殷万寿.深水基础工程[M].北京：中国铁道出版社,2003.

[3]安文汉.铁路工程试验与检测[M].太原：山西科学技术出版社,2006.

U 445.55+1

B

1004-2954(2010)03-0086-02

2009-10-26

曹占良(1974—),男,工程师,1998年毕业于西南交通大学。

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