韧性环保泥浆在深厚贝壳类地层灌注桩施工中的应用

曾亿忠，向一明

（中交第二航务工程局有限公司第六工程分公司，湖北 武汉 430014）

0 引言

由于地质条件的各类变化等因素，桥梁钻孔灌注桩在成孔过程中易出现种种缺陷，在桩孔钻进过程中常见的问题有缩颈、扩径、短桩、塌孔等[1]，因此成孔过程对桥梁的桩体质量会造成相应的影响[2]。控制钻孔灌注桩成孔的关键是防止孔壁坍塌[3]。在进行桩基钻进施工过程中，护壁泥浆能够在桩基孔壁内侧形成泥皮保护膜，从而阻止桩孔内泥浆向孔外扩散渗流，以避免造成桩基孔壁坍塌的情况[4]。目前我国桥梁工程中多采用化学聚合物或膨润土添加剂制备泥浆作为桩基护壁。

在位于沿海地区富含大量贝壳类覆盖层地质的大型桥梁工程中，由于地层的孔隙率大，桩基钻进的过程中泥浆极易穿透地层直接渗出，且桩基孔壁上的贝壳类易割裂泥皮，导致形成的泥皮性能不稳定，泥浆在涨落潮时大量滤失，从而易诱发孔壁坍塌、漏浆等问题，进而对海域造成严重的环境污染。所以需加强泥浆对大孔隙覆盖层地质的适应性，防止桩基钻孔过程中泥浆大量滤失，保证桩基质量，对同类型地质条件下桩基施工提供参考与解决思路。

1 工程简介

依托工程为漳江湾特大桥及连接线工程，位于福建省东南沿海，为国省道干线公路纵一线的重要组成路段，贯通漳州沿海大通道，为双向六车道一级公路标准，主要的施工段漳江湾跨海大桥为海上预制梁桥，漳江湾大桥全长3.6 km，海上钻孔灌注桩直径为2.0～2.2 m[1]，桩长为50～70 m，采用冲击钻进行施工，钢护筒直径为2.3～2.5 m。

该工程地质为典型冲海积地貌，覆盖层深厚，淤泥厚度达20 m，地层内富含贝壳类（寻氏肌蛤壳），部分桩基墩位有中风化花岗岩孤石分布，数量多且硬度大。

桩基钻进过程中，由于孔壁的孔隙率较大，且由于孔壁上富含的寻氏肌蛤壳类易致使泥皮割裂，影响泥浆护壁稳定性，在桩基钻孔过程中，需预防由于护筒底口处泥浆滤失影响桩基成孔质量并造成环境污染。现有膨润土造浆及化学聚合物添加剂造浆等方法在该特殊海洋环境下性能受到影响，需大量增加使用量，造成成本增加，且仍存在有环境污染的风险。由于施工区域地层存在大量孤石，钢护筒继续跟进受到阻碍，无法穿透该地层，需研究一种对大孔隙覆盖层地质的适应性强的泥浆配比，以适应该地层。

2 泥浆配方研究

在钻进过程中，由于桩孔内泥浆较外部海水的相对密度大，当两者液面处于同样高度时，桩孔内泥浆的压力比外部海水大[5]，因此，泥浆的压力可以同作用在孔壁上的土层压力及海水压力相抵，以防止外部海水渗入。泥浆在桩基孔壁内侧形成的致密泥皮能使泥浆压力均匀地分布在桩基孔壁上，从而阻止桩基孔壁被破坏；泥浆在钻进过程中通过孔壁内侧向外侧土层渗透，在扩散一定范围后便可依附黏连在土颗粒上，可大大降低土层渗水性[6]；再者，泥浆还可使钻渣悬浮并携带钻渣出孔，从而保证钻进正常进行。

影响泥浆性能的关键因素是添加剂的选择。其性能应当满足：1）具有相对高的分子质量，水溶性好，有很好的抗剪切效果和较好的增黏性能；2）泥浆应具有良好的化学稳定性和耐盐性，能够适用于海水环境条件；3）形成的泥皮致密轻薄稳定，并有较好的抗滤失效果；4） 添加剂取材方便、价格便宜、用量少且绿色环保。目前在国内钻孔灌注桩施工中常用的泥浆添加剂产品主要有部分水解聚丙烯酰胺（HPAM）、羧甲基纤维素（CMC）等。这些聚合物在实际应用中存在用量大、溶液黏度对盐度非常敏感等不足，在海水环境中的应用受到很大限制。

经研究发现，在依托工程施工当地存在大量可能满足上述条件的天然材料——海带，其绿色环保，可生物降解，且就地取材方便。干海带在泥浆中自由膨胀，具有更大的韧性和漂浮作用，同时提高泥浆的比重，具有使泥浆增黏等优异性能，并可以封堵护筒底口处存在的漏浆通道，防止在涨落潮时由于内外压力差导致漏浆的情况。

3 泥浆配比调制及性能测试

3.1 泥浆配比调制及性能检测

对研制的韧性环保泥浆在淡水、海水中进行性能研究。在试验室环境下，首先将干海带材料浸水、剪成块状以模拟现场实施时的施工环境，然后与水、黏土及砂混合造浆，并与膨润土泥浆和掺加聚合物的泥浆性能进行对比，具体配合比和性能参数见表1、表2。

表1 泥浆配合比Table 1 Mud fluid proportion g

表2 泥浆性能试验结果Table 2 Performance test result of mud fluid

由表2 可看出，在淡水中，使用韧性环保泥浆较膨润土泥浆有明显优势，其黏度和胶体率均比膨润土泥浆大，与CMC 加膨润土泥浆的性能相近，但密度明显偏大，主要原因为海带添加量较大，其性能参数均能满足施工要求。 采用海水进行泥浆配制时，膨润土泥浆和聚合物泥浆的性能显著下降，而韧性环保泥浆的性能参数变化相对较小，说明韧性环保泥浆对海水的适应性较好，采用研制的韧性环保泥浆胶体率达到95%，失水量为 25 mL·（30 min）-1，泥皮厚度为 0.8 mm。确定了按照水:黏土:砂:海带=100:10:5:2 的配合比进行调制，可以用于现场施工。

3.2 环境模拟试验

3.2.1 试验原理

由于在泥浆与桩基孔壁外侧海水间存在压力差的情况下，泥浆从孔内向地层中渗透，在泥浆穿过地层孔隙通道的过程中，泥浆中的颗粒能迅速填堵地层内部的孔隙通道并在地层内部孔壁外表面形成一层致密的泥皮，泥皮形成后即可阻止泥浆进一步向地层中渗透，从而使桩孔内的泥浆压力稳定，同时形成的泥皮能够将泥浆压力转化为有效应力作用在桩孔内壁上，起到支撑孔壁土体的作用，从而保证孔壁的稳定[7]。而形成的泥皮质量好坏可以反映泥浆与孔壁地质的匹配程度，若匹配程度高，则泥皮容易形成且质地轻薄致密，若匹配程度不高，泥皮不易形成且泥浆大量滤失，则不适于该现场施工应用。在试验中以失水量大小来评价泥皮质量好坏，失水量越小则说明泥皮质量越好[8]。

3.2.2 试验过程

试验采用模拟地层泥浆渗透试验装置，通过加压装置可以设置不同深度特定土层所受到的压力。在施工当地采集的地层原土250 kg、海水500 kg、海带100 kg，使实验室模拟的土层条件较好地符合实际情况，泥浆按上述3.1 节中所确定配比进行配制。地层颗粒情况见图1，试验装置见图2。

图1 地层粒径分布曲线Fig.1 Distribution curve of formation particle size

图2 泥浆渗透试验装置Fig.2 Permeability test device of mud fluid

首先在泥浆渗透试验装置容器的最底层装入粒径为2～5 mm 的砂石至5 cm 高度处位置作为过滤层；然后装入试验地层土至51 cm 高度处；再从容器下部注水使地层饱和；注入已配制好的试验泥浆至105 cm 高度处；将泥浆渗透试验柱完全密封后，打开气压阀门，分级依次施加泥浆压力（0.05 MPa、0.1 MPa、0.15 MPa、0.2 MPa、0.25 MPa及0.3 MPa）；然后打开排水阀门开始静待泥浆渗透；读取不同压力下泥浆的失水情况，直至读数稳定。最后取出泥皮，测量厚度。

3.2.3 试验结果

分别以本课题研制的韧性环保泥浆、膨润土泥浆及添加CMC 的膨润土泥浆进行泥皮厚度试验，统计以上3 种类型的海水泥浆在不同的压力下地层的失水情况及最终形成的泥皮厚度，得到试验数据见表3。

表3 泥浆在各压力下失水量Table 3 Water loss of mud fluid under different pressures

由表3 可得，当泥浆压力达到0.2 MPa 时，对于添加了CMC 的膨润土所配制的海水泥浆，其失水量稳定在3.9 mL/min，测量得最终泥皮的厚度为8 mm。对于采用普通膨润土配制的泥浆，当泥浆压力加至0.25 MPa 时，泥皮的失水量为4.8 mL/min，高于添加CMC 膨润土所配制的泥浆失水量，该泥浆的最终泥皮厚度为9 mm。采用本文中研制的韧性环保泥浆，当泥浆压力加至0.2 MPa时，泥皮的失水量为4.1 mL/min，与添加CMC 膨润土所配制的泥浆数据接近，韧性泥浆最终的泥皮厚度为2.2 mm，相对前面两种泥浆所形成的泥皮更薄。

从试验结果可以看出，采用海水CMC 泥浆失水量最小，但有环境污染的因素，且费用较高；而韧性环保泥浆所形成的泥皮失水量较小，且泥皮更为致密轻薄。通过试验得，韧性环保泥浆的黏度、胶体率、滤失水量和泥皮厚度等各项性能指标均可以满足现场设计和施工需求，可以投入使用。

4 现场应用

经试验检测后，将添加海带的韧性环保泥浆在依托工程漳江湾特大桥及连接线工程中进行了现场应用，根据护筒底口处的不同地层，结合使用新型环保泥浆进行钻进施工步骤如下：

1）按照试验确定的施工配合比，水:黏土:砂:海带=100:10:5:2 在施工现场进行配制。

2）将干海带切碎成约15 mm×15 mm 的方片状，与黏土进行混合，进行造浆，泥浆比重为1.3左右。

3）钢护筒内钻进过程：按照施工配合比对泥浆进行调配后注入钢护筒内，同时采用冲击钻进行钻进，钢护筒内采用大冲程3～4 m。

4）钢护筒外钻进过程：在冲锤将要出护筒底口前，改为小冲程钻进约0.5 m，钻孔过程中勤循环泥浆除渣，及时调控泥浆参数，保持泥浆比重，穿过富含贝壳的覆盖层后，恢复正常冲程，直至成孔。

经现场应用，采用海带配制的韧性环保泥浆能有效防止滨海地区钻孔灌注桩在深厚贝壳覆盖层易出现的漏浆及塌孔问题，在绿色环保的前提下保证了钻孔桩的施工质量。

5 结语

在位于海洋区域的地下桩基钻孔施工过程中，针对普通泥浆在海水环境中综合性能不高、施工过程漏浆易造成环境污染等问题，开展了一种新型韧性环保泥浆的研究及现场应用。通过调研桩基钻孔施工工艺，在泥浆作用机理分析的基础上，设计泥浆配方，因地制宜地采用海带配制韧性环保泥浆，有效地解决和防止了海域钻孔桩成孔过程中钢护筒漏浆问题，既保证了桩基的施工质量，节约了施工成本，同时也防止了漏浆易导致的海域环境污染问题。该泥浆制备操作简单、环保经济、效果较好，为富含贝壳类（寻氏肌蛤壳）覆盖层地质桩基防漏浆提供了参考和经验。