PHP泥浆在钻孔桩施工中的应用

肖洪清 冯泽林 李阳

摘要 文章以肇明高速公路新崀大桥的钻孔灌注桩施工为例，分析了钻孔桩施工过程中泥浆护壁的技术要点，介绍了膨润土泥浆配比、制备，以及泥浆参数的调整技术，实际结果显示该项技术应用效果较好，满足规范要求，表现出较高的应用价值。

关键词 钻孔灌注桩;护壁;PHP

中图分类号 U445.55+1 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）05-0089-03

0 引言

肇明高速公路项目途经肇庆市广宁县、高要区、端州区和佛山市高明区，总里程120.51 km。新崀大桥位于肇庆市广宁县賓亨镇，地质勘察报告显示，拟建大桥场区的地层主要由粉质黏土、砾砂和砾岩组成，成孔深度内有7个砂层，最厚的砂层厚度为7～8 m。对此类桩基础而言，是否能够提供足够承载力的控制性因素为成孔。该文选择通过改进泥浆性能来提升钻孔灌注桩的成孔质量。相关研究结果可为此类地质条件下的钻孔桩施工提供支持和参考。

PHP泥浆在20世纪80年代开始应用于桥梁工程，在经过几十年的研究和发展被证明了能有效地解决泥浆失水量大、排渣困难、护壁难度大的通病。但是不同的地理位置、气候和地质因素都会不同程度地影响到成孔质量。施工工艺的选择，泥浆的配比同样至关重要。现有的PHP泥浆的研究都具有唯一性，不同的项目都需要根据环境、地质、设备和工艺等因素来调整技术。

该文通过对肇明高速新崀大桥钻孔灌注桩施工为对象，结合现场的地质情况、施工工艺。通过现场施工中的真实数据来证明了PHP泥浆的应用能有效地提高钻孔灌注桩的成孔质量。

1 PHP不分散低固相泥浆简介

泥浆，作为钻孔灌注桩的“血液”，在近年来取得了长足的进步[1]。在工程应用上，应用比例较高的泥浆主要有：普通泥浆、油基泥浆、铬木质磺酸盐泥浆、聚丙烯酰胶不分散低固相泥浆（简称PHP泥浆）等等[2]。

1.1 泥浆的作用

泥浆在钻孔灌注桩中的作用，一是维护孔壁;二是冲洗孔底，携带或悬浮钻渣，减少孔底沉渣和重复破碎;三是冷却钻头，润滑钻具，减少钻进阻力。

1.2 泥浆护壁原理

根据孔壁稳定的力学条件和定量条件，稳定孔壁的关键是要建立孔内静水压力。静水压力的建立是通过泥浆的作用来实现的，主要是通过泥浆在桩孔内外形成压差，从而使得孔内泥浆柱对孔壁形成环向静压，进而促使泥浆颗粒渗入孔壁，在一定条件下可保持渗透平衡，其后渗入的泥浆粘结成环状渗透圈（俗称“泥皮”），这对孔壁可起到一定保护作用，避免渗漏。此外通过泥浆在静压下产生的泥皮，有效地阻碍内外部水透过孔壁[3]。

1.3 泥浆的性能指标及要求

泥浆的好坏主要由其性能指标来衡量，在桩孔施工中，起关键作用的性能指标有比重（密度）、粘度、含砂率、酸碱度、失水量和胶体率等。不同的地层、不同的钻进方法、不同的施工阶段，对泥浆性能指标的要求不同，有时甚至差别很大[4]。

比重（密度）：增大泥浆的比重，可以增大静水压力和水头高度，有利于孔壁稳定。但泥浆的比重太大，泥浆的失水量增加，泥浆循环所增加的功率增大，特别是泵吸反循环钻进中，泥浆的压力损失太大，将严重影响反循环的启动。比重太小，对悬浮钻渣、稳定孔壁不利，故必须合理掌握。一般来讲，反循环钻进的泥浆比重应尽量小，一般宜控制在1.15×103 kg/m3以内，正循环钻进时，泥浆比重可以大些，但不宜大于1.35×103 kg/m3[1]。

粘度：根据实际经验可知，此参数提高后，护壁和悬浮钻渣效果会改善，不过也会导致糊钻问题，阻碍了泥浆沉淀。粘度处于较低水平时，钻渣易沉淀，这种现象对清孔、减小孔底钻渣不利。正循环钻进时，粘度取19～24 s，反循环钻进时取16～20 s。

含砂率：含砂率高则泥浆粘度降低，进而使得泥皮松散，影响到其护壁性。这样也使得清孔和清理沉渣的难度增加，对反循环也是不利的，因而应该控制此指标在较低水平，对新泥浆而言应该小于4%。

胶体率：此指标高则抑制黏土颗粒沉淀，沉渣少，这样可更好的形成泥皮，且形成的泥皮具有更好的护壁能力。一般新配制的泥浆的胶体率均应大于95%。

酸碱度：泥浆应采用偏碱性，pH值在8～9之间有利于孔壁稳定，也满足环保施工的要求。

失水量：指泥浆受到静压作用渗入孔周的速度。

2 钻孔桩施工难点

新崀大桥钻孔灌注桩的施工存在一些难点，主要集中在：

（1）场区地质勘察报告显示，拟建场区的地层主要组分为粉质黏土、砾砂，成孔深度内有7个砂层，最厚的砂层厚度为7～8 m，需要泥浆的护壁和控渣厚度都达到较高水平。

（2）此工程试桩的最大孔深为40 m，泥浆需从基底深处把钻渣携带到地面，对泥浆的携渣能力要求很高。

（3）钢筋笼的吊装时间在24～48 h内，在钢筋笼吊装期间，孔内泥浆一直处于静置状态，这也要求泥浆的稳定性非常好，有良好的护壁性能及沉渣厚度无明显增加。

3 钻孔灌注桩PHP泥浆施工技术

3.1 泥浆的选择

在结合工程场区岩土工程地质报告，确定成孔工艺设备的条件以及设计单位对试桩的相关技术要求后，从技术角度提出了对泥浆三个方面的要求，即护壁效果好、泥皮薄、沉渣少。并考虑到工程桩将大规模使用，且泥浆比重（密度）、粘度、含砂率、酸碱度、失水量和胶体率等性能指标都合格，再兼顾泥浆的性能及经济性，经过分析和对比，最终选用PHP低固相不分散泥浆（简称PHP泥浆），该泥浆的主要特点有：

（1）比重轻、低固相：表现为比重较低（原浆约为1.02～1.04、含沙量小于5%），低固相对钻进可起到促进作用，避免出现糊钻及砂侵问题。

（2）高粘度：低比重条件下向其中加入絮凝剂可使得粘度增加，进而提高胶体率和渗透性。这样相应的泥浆胶体可形成化学膜，封闭孔壁，起到保护作用，避免钻进过程中出现漏浆和塌孔问题。也使得泥浆的携渣性能大幅度改善。

（3）含砂率低。对应的组分主要是膨润土，造浆率高。

（4）偏碱性。对应的废料弱碱性，不会产生毒害，因而可以很好地满足环保性要求。

（5）失水量小。根据大量的统计研究结果表明泥皮厚度与失水率存在正相关关系，这种泥浆的失水率很低，形成的泥皮薄。

（6）胶体率高，形成的泥浆粘度在合理范围内，静止时变形为凝胶状。在流动过程中对应的粘度也出现明显的变化。粘度恢复后悬浮作用大，这对钻屑的向下流动可起到阻碍作用。在钻头旋转作用下泥浆的絮凝结构出现一定改变，进而降低粘度，钻头阻力也有一定幅度减小。PHP泥浆在钻进过程中阻力小低，而静止状态下表现出良好的稳定性，因而可以很好地满足这方面应用要求。

（7）成孔后泥皮薄。選择这种泥浆情况下，孔壁泥皮厚度一般不超过1 mm，因而和普通泥浆相比优势明显。

（8）经济。其主要组分为膨润土，这种土体的造浆率明显增加，在实际应用过程中回收率可达60%，这样可以显著降低材料成本，也满足环保性要求。因此，在大型工程中侧重于经济性时一般优先选择这种泥浆。

（9）不分散：具体表现为它对钻屑不水化分解。这样在同样的条件下失水量少，孔壁的稳定性强，钻孔过程中携渣泥浆净化效果好[5]。

3.2 PHP泥浆制备

3.2.1 制作材料

制作材料：PHP泥浆由优质膨润土、纯碱和聚丙烯酰胺等原料制成。

（1）膨润土。对比分析选择了以蒙脱石为主组分的钠基膨润土，根据工程经验可知这种土体的分散悬浮性能强，且造浆率高，在同样条件下更稳定。

（2）纯碱。其主要是提高泥浆的pH值，提高泥浆表面负电荷，起到一定分散作用，使得泥浆悬浮钻屑的性能提高。在这种体系中纯碱的作用主要如下：

分散作用：纯碱加入情况下，可适当提高泥浆Na+离子比，提高土体的亲水性，颗粒较细可加速膨润土中粘土颗粒的分解，这对改善泥浆的造浆量有重要意义。

改善泥浆性能：地下水中的钙、镁离子混入泥浆，这样可显著提高其凝胶化趋向，进而降低了泥浆质量。通过纯碱也可沉淀Ca+、Mg+离子，泥浆也可以循环多次利用。

调节pH值：主要是基于实测值设置掺入量，在此基础上控制酸碱度，达到施工要求。

（3）聚丙烯酰胺。这种材料可起到很强絮凝效果，加入后可激发泥浆触变性，在钻进过程中保持稳定性和高粘度特征，同时降低泥浆的失水量。

3.2.2 泥浆制备技术

（1）原浆制作。根据施工经验：1 m3泥浆中膨润土占比大约为6%～8%，纯碱为膨润土的3%～4%，在制备过程中将适量的水加入制浆池中，接着向其中混合一定量膨润土，使用3PNL泥浆泵充分的搅拌30 min，促使膨润土分散，然后向其中加入一定纯碱，对泥浆比重、粘度进行适当的调节。对产生的原浆静置1 d而确保其膨化。

（2）水解聚丙烯酰胺。在使用前3 d对聚丙烯酰胺水解处理，在水解过程中对应的加入比为PAM∶NaOH∶

H2O=10∶1.15∶700，充分的搅拌处理一直到形成的PAM全部分散，其后静置2～3 d。

（3）PHP泥浆制作。在原浆中混合适当的PHP胶体，主要是基于粘度及失水率对其加入比进行调节。参考比例为每立方米原浆中PHP胶体0.4～0.6 kg。表1显示出新浆相关指标情况。

3.3 泥浆循环控制技术

PHP泥浆循环系统在处理过程中对钻进时的产生的带钻屑泥浆通过反循环管输入到净化机，而其中的泥浆泵则可以输送新鲜泥浆到钻孔内，从而满足成孔要求。图1显示出泥浆循环流程情况。

在对泥浆进行净化处理时，经过粗滤、静力沉淀和除砂三个环节，各环节的作用主要如下：粗滤主要利用到振动筛网，对应的直径大于1 mm颗粒被留下，含沙量一般控制低于15%。静力沉淀则表示为泥浆颗粒在沉淀池中放置一段时间，大于0.075 mm的颗粒被沉淀，这种方法处理后其中的含沙量可低于8%。除砂主要是沉淀处理小于0.075 mm的颗粒，处理后相应的含沙量不超过2.5%。

对沉淀池后的泥浆，需要对其相关指标进行检测，主要包括失水率，比重、含砂量、粘度等，根据这些指标判断是否满足钻进需要。在不合理时还需要调节泥浆参数，补充新浆，从而控制其性能满足钻进需要。

在调节过程中，主要是对粗颗粒较高的泥浆净化、循环处理，使得其中较大的颗粒沉淀，接着向其中加入高PHP新浆，以此来起到改性作用。使得泥浆的粘度提高，而失水率降低到合理范围内，为其后的钻进提供支持。

3.4 泥浆参数控制与调整技术

（1）对泥浆材料进行严格的筛选检验。进场时，做好验收工作，在不满足要求时禁止入场。

（2）进行科学严谨的配比试验，设置两种配比方案，进行对比而优化选择。

（3）严格基于设定的配比进行配制。在配制各环节需要测试泥浆性能，检查是否满足要求，一般情况下每100 m3泥浆检测一次。

（4）基于钻进过程的差异，灵活地调节泥浆的配比。

4 应用效果分析

对成孔质量进行检测，发现孔壁稳定性好，未出现明显的塌孔现象，整个施工过程中也未出现糊钻的现象。该工程试桩设计为摩擦桩，泥皮厚度的控制优劣将直接影响桩基承载力的发挥，通过在施工过程中不同阶段控制泥浆比来减小泥皮厚度。现场检测的泥皮厚度在1.0～

2.0 mm左右，从静载试验的结果来看，试桩的沉降量在允许的合理范围内，可见泥皮的厚度控制较好。灌注桩的孔径检测结果如表2，满足沉渣厚度不超过3 cm的设计要求。

5 结论

PHP泥浆护壁技术可有效解决塌孔及桩缩颈等质量通病，保证成柱质量及效率，并且PHP泥浆护壁工艺可减少对环境的影响，成孔深度大，在保证连续作业的情况下，可有效降低砂侵、糊钻的概率。此外，PHP泥浆有完善的循环系统，回收率较高，能够有效地控制钻孔的总成本。而且PHP泥浆弃浆为中性，能满足环保的要求。因此，PHP泥浆的应用有助于解决桩基施工中容易出现的质量通病。但对于不同地质情况及施工工况可能出现的新问题，仍需要进一步深入研究。

参考文献

[1]吴自灶. 浅谈冲孔灌注桩基础施工技术难点[J]. 江西建材， 2021（7）： 140+142.

[2]张涛， 田野， 陈国， 等. 基于泥浆护壁的倾斜钻孔灌注支护桩施工技术[J]. 建筑施工， 2021（5）： 787-790.

[3]陈冠峰， 宋书彬. 钻孔灌注桩施工技术在公路桥梁建设中的应用[J]. 建筑技术开发， 2021（8）： 17-19.

[4]董小龙. 路桥施工工程中钻孔灌注桩施工技术的应用探微[J]. 中小企业管理与科技， 2021（2）： 176-177.

[5]孟仁帆， 邓荣贵， 孙怡， 等. 泥浆护壁型钻孔灌注桩沉渣厚度试验研究[J]. 路基工程， 2021（1）： 109-115.