多種砂層地質(zhì)條件下鉆孔樁泥漿護壁選擇與應(yīng)用

多種砂層地質(zhì)條件下鉆孔樁泥漿護壁選擇與應(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，穿越多個厚砂層的復(fù)雜地質(zhì)情況對樁基施工極為不利。經(jīng)常發(fā)生擴孔、塌孔，甚至斷樁現(xiàn)象。通過對樁孔受力加以分析，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。通過對泥漿護壁材料的比選、分析，并結(jié)合項目實際，選擇最優(yōu)護壁材料，從而在特殊地質(zhì)環(huán)境下指導(dǎo)現(xiàn)場樁基施工，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)鉆孔樁擴孔、塌孔應(yīng)力分析膨潤土泥漿化學(xué)泥漿1工程簡介1.1工程概況308國道冀魯界至南宮段改建工程清河大橋，全長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、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、細砂、中砂、粗砂，砂層較厚，最長一根樁累計穿過砂層達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69.7m，混凝土強度等級為水下C30，樁身主筋混凝土凈保護層為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，穿越多個厚砂層的復(fù)雜地質(zhì)情況對樁基施工極為不利。經(jīng)常發(fā)生擴孔、塌孔等現(xiàn)象。如何克服在多厚砂層復(fù)雜地質(zhì)中擴孔、塌孔等問題屬于橋梁樁基施工中的難題。2泥漿護壁原理及造漿材料比選在鉆孔樁施工中，泥漿護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)控制在一個臨界狀態(tài)，既能保證泥漿護壁穩(wěn)定，有保證鉆進過程中的泥漿不至于過濃而影響鉆孔速度。2.1泥漿護壁力學(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，即泥漿對孔壁形成的徑向應(yīng)力是可以控制的。在采用泥漿護壁鉆進過程中，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，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極大剪切面上的應(yīng)力，進而可以減少鉆孔過程中塌孔現(xiàn)象，這就是泥漿護壁的力學(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，最長采用的辦法就是采用泥漿護壁，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，可以適當(dāng)增大泥漿比重。2.2普通泥漿與化學(xué)泥漿對比分析在施工中，為保證泥漿護壁效果，傳統(tǒng)的膨潤土造漿所用膨潤土用量較大，施工成本較高；通過了解目前市場上有一種化學(xué)聚合物泥漿，具有護壁效果好、造漿快、用量少、成本低等優(yōu)點。通過引入化學(xué)泥漿和傳統(tǒng)膨潤土進行對比分析，選出最適合多厚砂層鉆孔樁施工的泥漿護壁材料及參數(shù)。2.2.1泥漿制取方法1、 普通膨潤土泥漿由于鉆孔穿過砂層時護壁難以形成，在施工中針對這一特點，從制漿原材料入手，在配制優(yōu)質(zhì)泥漿護壁同時，又加入了水泥、鋸木屑等，以加強泥漿護壁效果及加速砂層泥漿護壁封閉環(huán)的形成。遇到較松散砂層時，護壁材料中摻入適量水泥，以提高泥漿粘度，增強泥漿護壁能力，水泥摻量為膨潤土的1/8~1/5。在膨潤土中摻入鋸木屑，一方面為了提高泥漿的懸浮能力，在鉆進過程中，泥漿可以有效的將砂粒浮出，減少鉆頭阻力，加快鉆進速度；另一方面，鋸木屑可以加快泥漿護壁形成，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。它極長的分子鏈呈卷狀無序地分散于泥漿中，這些單個的小卷受到剪切力后就會伸展開來，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時會發(fā)生效力，保證周圍地層的穩(wěn)定；同時，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，從而提高鉆進效率［1］。2.2.2化學(xué)泥漿優(yōu)點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)過測試，化學(xué)泥漿粉可在10秒內(nèi)溶解，幾分鐘即可達到極高的粘度值［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，基本無需打理泥漿池子，因為無論成樁多少，泥漿池不會有大量沉渣出現(xiàn)，無需清理。2.2.3經(jīng)濟效益分析化學(xué)泥漿和膨潤土泥漿成本對比（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)泥漿粉國內(nèi)市場價14000元/t左右，化學(xué)泥漿粉成本700元，配制時間5h左右。（2） 膨潤土泥漿：100m3水，膨潤土按照10%需要10t，膨潤土按照市場價400元/t左右，膨潤土成本4000元，配制時間需要12h左右。化學(xué)泥漿與膨潤土泥漿相比，施工成本低，配制所需時間少，泥漿重復(fù)率高。2.2.4現(xiàn)場施工對比在現(xiàn)場施工過程中，由于樁長較長，完成鋼筋籠安裝、安裝導(dǎo)管等工序到二次清孔間隔時間較長，另外由于邢臺市環(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，所以在本項目未采用化學(xué)泥漿，而然采用膨潤土造漿。3工程實例3.1施工準(zhǔn)備樁基施工前，通過仔細地分析工程地質(zhì)資料，結(jié)合施工場地的具體情況和以往的施工經(jīng)驗，找出了樁基施工的難點主要是鉆進厚砂層和灌注時的泥漿護壁問題，由于有較厚的粉細沙，經(jīng)擾動容易變成流沙。針對這個問題，在工程的施工方案中重點準(zhǔn)備了一些應(yīng)對措施，其中有：（1） 加強泥漿制備管理，注重泥漿質(zhì)量；（2） 控制施工順序和機組的分布，嚴(yán)格按照設(shè)計及規(guī)范要求進行跳鉆施工；（3） 根據(jù)地質(zhì)報告揭示，減緩厚砂層的鉆進速度。3.2實例分析以清河大橋10#-4樁基現(xiàn)場施工為例，樁長60米，樁徑為1.8米，鉆孔深度為69.4m。因樁基開工初期對地質(zhì)情況認(rèn)識僅停留在地質(zhì)勘察報告上，對多砂層復(fù)雜地質(zhì)情況沒有深刻體會，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，直至11月21日13:30成孔，耗時共計23.5小時。選用水化性能較好、造漿率高、成漿快的膨潤土進行造漿，入孔泥漿比重為1.15，黏度19；鉆進過程很順利，12#-16樁基成孔時間用了23.5小時，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)理驗孔合格后，進行鋼筋籠安裝施工。鋼筋籠下孔用了4小時，導(dǎo)管安裝用了1.5小時，再次測量孔底沉渣約100cm，采用7.5kw泥漿泵，通過導(dǎo)管進行二次清孔，清孔效率較高，將近1小時砂率降到了3%，沉渣厚度小于10cm，混凝土灌注前孔內(nèi)泥漿比重為1.05?；炷凉嘧⑦^程中發(fā)現(xiàn)部分混凝土上升異常，混凝土實際灌注方量和設(shè)計方量幾乎吻合。旋挖鉆機鉆進過程順利，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5%—8%。很明顯：泥漿護壁效果差。根據(jù)現(xiàn)場實際情況選擇合適的鉆進速度，鉆進砂層速度減慢，在厚砂層段要加大泥漿比重，必要時添加水泥、鋸木屑提高護壁護壁效果。在鉆進過程中指派專人測定泥漿的粘度、含砂率、失水量等參數(shù)，通過除砂桶降低泥漿砂率，必要時換漿處理，隨時對泥漿成份進行調(diào)整。通過對泥漿參數(shù)的密切監(jiān)控，根據(jù)實際情況進行及時調(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)量檢測成果優(yōu)良。在破樁頭時有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壓力減小灌筑過程中沉淀下來的粉細砂裹到了砼中，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)超聲波檢測全部為一類樁，取得了一定的經(jīng)濟利益和社會效益。5結(jié)束語隨著社會經(jīng)濟發(fā)展的需要，鉆孔樁的樁長和樁徑不斷加大，單樁承載力越來越高，設(shè)計和施工質(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，處理費用高。因此有必要對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