深厚砂土层超长灌注桩泥浆配合比设计与应用

深厚砂土层超长灌注桩泥浆配合比设计与应用

张洋 1 谢定 2 陈鹏 2 赵双 2 田剑 2

中建八局西南建设工程有限公司，四川 成都 610041

摘要：目前我国建筑行业以前所未有的速度发展，超高层建筑如春笋般出现，基础桩的直径、深度也随着结构承载要求越来越高。本文结合温州金融保险产业项目（滨江商务区16-01-05/06地块建设项目）桩基工程的施工，介绍了机械钻孔灌注桩护壁泥浆的成分及其作用，并根据本工程沿江深厚砂土层的地质情况，针对性地进行了泥浆配比设计及对比试验，得到了适合本工程地质情况的泥浆配合比，积累了大直径超长钻孔灌注桩在沿江深厚砂土层施工的经验。

关键词：深厚砂土层；大直径；超长；灌注桩；配合比

1 桩基概况

温州金融保险产业项目（滨江商务区16-01-05/06地块建设项目）位于浙江省温州市。屋面高度178.1m，塔冠高度190.1m，是一座集商业、办公于一体的超高层建筑。

本工程塔楼部分采用机械钻孔灌注桩，桩径为1000mm，有效桩长≥60m，桩尖须入第⑤3卵石层≥5m，采用桩端后注浆，单桩竖向承载力特征值为8100KN，属于大直径超长灌注桩。本工程紧邻瓯江，±0.000为黄海高程6.000m，场地标高为4.920m，场地地下水勘察期间潜水高程为2.000m，钻孔灌注桩属于沿江深水施工作业。经查阅工程地质勘察报告得知，灌注桩成孔须穿过平均厚为45.16m的砂土层（地层分布详见表1），才能使灌注桩进入持力层。

表1 地层分布统计表

对于这种穿越深厚砂土层的深水大直径超长钻孔灌注桩，采用机械钻孔成桩时，极易出现缩径、塌孔及沉渣超标等质量现象。为了减小上述质量现象，我们将根据本工程沿江深厚砂土层的特殊地质情况，针对性地设计护壁泥浆配合比，并进行现场施工对比试桩试验，以得出适合本工程的最佳护壁泥浆配合比。

2主要试验仪器

电子天秤（0.1～2000g）、量杯（0～1000ml），NB-1型比重计、NC-1006型泥浆粘度计、含砂量测管、PH试纸、滤纸及测绳。

3 泥浆制备原材料

1、膨润土

膨润土是以蒙脱石为主要矿物成分的非金属矿产，蒙脱石结构是由两个硅氧四面体夹一层铝氧八面体组成的2:1型晶体结构；膨润土又分为钠基土、钙基土和锂基土三种。与后两者相比，钠基土本身具有优良的分散性和膨胀性、高造浆率、低失水量及胶体性能和剪切稀释能力，所以被广泛用在湿作业桩基工程当中。结合本工程桩基沿江深水施工作业条件，本工程选用钠基土作为护壁泥浆制备原材料。

2、水

制备泥浆时，就地采用施工用水进行配制。

3、碳酸钠

碳酸钠（Na₂CO₃）又称碱粉或纯碱，它的作用是调整泥浆的PH值。当泥浆PH值小于8时，粘土颗粒难于分解，使得泥浆粘度降低、失水量增加、流动性降低；当泥浆PH值小于7时，还会使钻具受到腐蚀。当泥浆PH值大于10时，则泥浆将渗透到孔壁的粘土中，使孔壁表面软化，使粘土颗粒之间凝聚力减弱，造成裂解而使孔壁坍塌。因此泥浆PH值应控制在8～10为宜，这样既可以增加水化膜厚度，也可以提高泥浆的胶体率和稳定性，从而降低失水量。

4、CMC

CMC全名羧甲基纤维素，可以增加泥浆黏性，使土层表面形成薄膜，从而防止孔壁剥落、坍塌，并有降低失水量的作用。

4 泥浆性能指标测定方法

1、相对密度

将要测量的泥浆装满泥浆杯，加盖并洗净从小孔溢出的泥浆，然后置于相对密度计的支架上，移动游码，使杠杆置于水平状态（气泡置于中央即可），读出游码左侧所示刻度，即为该泥浆的相对密度。

泥浆的相对密度增大时，在钻孔中对孔壁的侧压力也相应增大，孔壁也越稳定，悬浮、携带钻渣的能力也越大。而相对密度过大的泥浆，其失水量亦加大，孔壁上的泥皮也增厚，这就增加了泥浆原料的消耗，而且也给清孔和灌注混凝土造成困难。另外，泥浆相对密度的加大，意味着泥浆中固体颗粒含量加大，对钻具产生较大的磨损，降低了钻进速度。

2、粘度

用两端开口量杯分别量取200ml和500ml泥浆，通过滤网除去大颗粒后，将泥浆700ml注入标准漏斗中，然后使泥浆从标准漏斗中流出，充满500ml量杯所用时间（单位s）即为所测泥浆的粘度。

粘度大的泥浆，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。但粘度过大，易糊钻，从而影响泥泵的正常工作和钻进速度；粘度过小，钻渣不易悬浮，泥皮薄，对防止翻砂、渗漏不利。

3、含砂率

把调好的泥浆50ml倒进含砂率计，然后再倒进清水，使总体积为500ml，将仪器口塞紧摇动1min，使泥浆与水混合均匀。再将仪器垂直静放3min，仪器下端沉淀的体积（由仪器刻度上读出）乘以2就是含砂率。泥浆含砂率大时，会降低粘度，增加沉淀。

4、失水量

用一张12㎝×12㎝的滤纸，置于水平玻璃板上，中央画一直径3㎝的圆，将2ml的泥浆滴入圆圈内，30min后测量湿圆圈的平均半径（㎜），减去泥浆坍平后泥皮的平均半径，即失水量。在滤纸上量出泥浆皮的厚度，即为泥皮厚度。

失水量小的泥浆有利于巩固孔壁和保护基岩；失水量过大的泥浆，会使孔壁泥皮过厚而使钻孔直径缩小。

5、胶体率

将100ml泥浆倒入干净的量杯中，用玻璃片盖上，静置24h后，量杯上部的泥浆澄清为透明的水，量杯底部有沉淀物。以100ml-（水+沉淀物）ml的值即为胶体率。

胶体率是泥浆静止后，其中呈悬浮状态的粘土颗粒与水分离的程度，故胶体率高的泥浆，粘土颗粒不易沉淀，悬浮钻渣的能力高，否则反之。

6、PH值

将PH试纸放入泥浆之中，半秒后取出试纸与标准色版进行比较，即可得出PH的读数。

5 护壁泥浆配合比设计

针对本工程桩基穿越深厚砂土层的沿江深水施工作业条件，为了确保桩基成孔质量和竖向极限承载力，我们必须保证清孔结束后孔底500mm以内的泥浆相对密度小于1.20，含砂率小于3%，粘度不大于25s，沉渣厚度控制在50mm以内。

以1000ml施工用水为基准，为了将泥浆相对密度控制在1.20以内，我们可计算得出：膨润土、纯碱及CMC的总量不宜超过200g。碳酸钠掺量一般控制在膨润土的0.3%～0.5%较为宜。 CMC掺量一般控制在膨润土的0.05%～0.1%为宜。据此设计出以下四种泥浆配合比，四种配合比参数如表2所示。

表2 不同配合比的配比参数

四种不同配合比的泥浆性能指标如表3所示。

表3 不同配合比的泥浆性能指标

6 护壁泥浆现场试桩对比试验

现场施工前期，我们采用同种型号的旋挖钻机按照上述4种配合比制备的泥浆分别进行四根钻孔灌注桩的试桩试验，除配合比④出现局部缩径、塌孔现象外，其余均未出现缩径、塌孔等质量缺陷，但在进行清孔时间上存在较大差异。清孔结束后孔底500mm以内的泥浆性能指标经测定如表4所示。

表4 清孔结束后孔底的泥浆性能指标

7 分析结果，得出结论

通过对上述试验进行分析，方案④在试桩时，由于持壁能力较低，出现局部缩径、塌孔现象，不宜用于桩基施工，方案①②③均能满足成孔要求，在进行清孔时，清孔时间和效果有较大差异。利用方案①配制而出的泥浆进行清孔时，清孔时间最长，泥浆持壁能力也最强，但由于制备的泥浆本身的相对密度较高，很难使孔底泥浆的相对密度、粘度、桩底沉渣厚度及含砂率达到优质桩基工程要求；利用方案②配制而出的泥浆进行清孔时，清孔时间其次，泥浆持壁能力较强，难以使孔底泥浆的相对密度及粘度达到优质桩基工程要求；利用方案③配制而出的泥浆进行清孔时，清孔时间最短，泥浆持壁能力满足施工要求，孔底泥浆的各项指标均达到优质桩基工程要求。

综上所述，方案④因施工过程中出现缩径、塌孔现象，不采用；方案①②不仅清孔时间过长，导致清孔过程容易出现缩径、塌孔现象，最终达不到预期效果，不建议用于施工；方案③的各项性能指标均符合要求，才是最为理想的泥浆配合比。在施工过程中，因局部地质和施工条件差异，可对泥浆配合比进行适当的调整。

8 结束语

通过试验我们发现：性能优良的泥浆护壁对穿越深厚砂土层的深水大直径超长灌注桩成孔、成桩至关重要。在利用性能优良的泥浆进行穿越深厚砂土层的深水大直径超长灌注桩施工时，不仅可以有效地减小缩径、塌孔等质量现象，还能够极大地缩短清孔时间，从而极大地缩减桩基工程的施工时间及成本。

参考文献:

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