关键词 复杂地质 钻孔桩 扩孔、塌孔 应力分析 膨润土泥浆 化学泥浆
1工程简介
1.1 工程概况
308国道冀鲁界至南宫段改建工程清河大桥，全长281m，上部结构孔跨布置为11-25m预应力砼连续小箱梁，下部结构采用柱式墩、肋板台、钻孔桩基础，全桥共有桩基140根。
1.2 地质概况
桥址地区地层主要为第四系全新统，从上至下分别为：
（1）人工堆积层：人工填筑土、素填土、杂填土；
（2）冲洪积层：粉质黏土、粉土、粉砂、细砂、中砂；
（3）第四系上更新统冲洪积层：粉质黏土、粉土、粉砂、细砂、中砂、粗砂、圆砾；
（4）奥陶系中统石灰岩。地层分部为粉质黏土、粉砂、细砂、中砂、粗砂，砂层较厚，最长一根桩累计穿过砂层达23.3米，砂层1.5-8.9米厚，单桩连续穿过砂层最大厚度达8.9米，砂层一般为中密稍松，这种地层中钻孔桩成孔难度较大。
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图1 清河大桥桩位地基地质构造图·
1.3 桩基参数
桩基采用钻孔灌注桩方式成桩，桩径为1.2m、1.8m共2种，最深钻孔深度达69.7m，混凝土强度等级为水下C30，桩身主筋混凝土净保护层为75mm，桩基础均为摩擦桩，孔底沉渣不大于100mm。
1.4 钻孔施工过程中存在的问题
选用旋挖钻进行桩基成孔施工，在施工过程中遇到厚砂层与黏土层相间分布，穿越多个厚砂层的复杂地质情况对桩基施工极为不利。经常发生扩孔、塌孔等现象。如何克服在多厚砂层复杂地质中扩孔、塌孔等问题属于桥梁桩基施工中的难题。
2 泥浆护壁原理及造浆材料比选
在钻孔桩施工中，泥浆护壁是钻孔过程中主要控制因素之一。如何能够将泥浆指标控制在一个临界状态，既能保证泥浆护壁稳定，有保证钻进过程中的泥浆不至于过浓而影响钻孔速度。
2.1 泥浆护壁力学原理
为了避免塌孔，使孔内保持一定的径向压力以控制最大剪切应力，钻孔过程中经常采取泥浆护壁。这是由于孔内泥浆的静水压力与其深度和泥浆比重相关，是可以人为控制的，即泥浆对孔壁形成的径向应力是可以控制的。在采用泥浆护壁钻进过程中，钻孔随深度变化的土压力和随深度而变化的泥浆压力共同作用下，桩孔孔边的应力边界条件为：
同样，根据土力学原理和弹性力学的拉梅解答，桩孔周边土体中的水平应力分布情况为：
式中，
此时，桩孔孔边的环向应力为：
依据应力状态理论的第三强度理论可知在桩孔孔边，环向与径向成45°方向、轴向与径向成45°方向、轴向与环向成45°方向的最大剪切应力分别为：
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图2 桩孔孔边应力分布
由此可见，泥浆的静水压力总体上缓解了各个极大剪切面上的应力，进而可以减少钻孔过程中塌孔现象，这就是泥浆护壁的力学原理。
钻孔过程中塌孔与否，依赖土的物理力学性能和施工工艺。土的物理力学性能是无法改变的，但是钻孔施工工艺是可以控制的，也就是说孔边最大剪切应力是可控的，造成塌孔的原因是可控的。例如增大径向压力，可以降低孔边最大剪切应力，因此在钻孔过程中，最长采用的办法就是采用泥浆护壁，即在孔内保持一定的高度和稠度的泥浆，其比重、粘度、含砂率是严格控制的，在遇到某些特殊特殊地层时，可以适当增大泥浆比重。
2.2 普通泥浆与化学泥浆对比分析
在施工中，为保证泥浆护壁效果，传统的膨润土造浆所用膨润土用量较大，施工成本较高；通过了解目前市场上有一种化学聚合物泥浆，具有护壁效果好、造浆快、用量少、成本低等优点。通过引入化学泥浆和传统膨润土进行对比分析，选出最适合多厚砂层钻孔桩施工的泥浆护壁材料及参数。
2.2.1泥浆制取方法
1、普通膨润土泥浆
由于钻孔穿过砂层时护壁难以形成，在施工中针对这一特点，从制浆原材料入手，在配制优质泥浆护壁同时，又加入了水泥、锯木屑等，以加强泥浆护壁效果及加速砂层泥浆护壁封闭环的形成。
遇到较松散砂层时，护壁材料中掺入适量水泥，以提高泥浆粘度，增强泥浆护壁能力，水泥掺量为膨润土的1/8~1/5。
在膨润土中掺入锯木屑，一方面为了提高泥浆的悬浮能力，在钻进过程中，泥浆可以有效的将砂粒浮出，减少钻头阻力，加快钻进速度；另一方面，锯木屑可以加快泥浆护壁形成，在处理流砂或易塌孔地层中效果较好。
2、化学泥浆
化学泥浆是一种高分子量的人工合成聚合物，它可以在较低的浓度条件下，创造极佳的黏度环境。它极长的分子链呈卷状无序地分散于泥浆中，这些单个的小卷受到剪切力后就会伸展开来，穿过不同的层面形成连接桥，这种表面吸附与桥接作用在钻进时会发生效力，保证周围地层的稳定；同时,这种作用也可以帮助泥浆最大限度地黏结住被切削下的钻屑，使得钻头能够轻易从钻孔中移出钻屑，从而提高钻进效率[1]。
2.2.2化学泥浆优点
(1)用量极少，100立方的水池加入50公斤左右即可形成良好的浆液，添加量为5/10000左右，可以想象其造浆的简捷、迅速，只要有水就可以开钻[2]。
(2)添加极为方便，化学泥浆为速溶型化学泥浆，经过测试，化学泥浆粉可在10秒内溶解，几分钟即可达到极高的粘度值[3]。
(3)化学泥浆形成的浆液可以循环重复利用[3]。
(4)在施工时，基本无需打理泥浆池子，因为无论成桩多少，泥浆池不会有大量沉渣出现，无需清理。
2.2.3经济效益分析
化学泥浆和膨润土泥浆成本对比（以100m3水配制为例）
（1）化学泥浆：100m3水，化学泥浆粉按照0.04%需要50kg，化学泥浆粉国内市场价14000元/t左右，化学泥浆粉成本700元，配制时间5h左右。
（2）膨润土泥浆：100m3水，膨润土按照10%需要10t，膨润土按照市场价400元/t左右，膨润土成本4000元，配制时间需要12h左右。
化学泥浆与膨润土泥浆相比，施工成本低，配制所需时间少，泥浆重复率高。
2.2.4现场施工对比
在现场施工过程中，由于桩长较长，完成钢筋笼安装、安装导管等工序到二次清孔间隔时间较长，另外由于邢台市环保影响，导致混凝土供应的不确定性，导致桩基成孔后不能及时浇筑。钻孔出现沉渣后，化学泥浆二次清孔能力携渣能力弱，不能保证成桩质量，所以在本项目未采用化学泥浆，而然采用膨润土造浆。
3 工程实例
3.1 施工准备
桩基施工前，通过仔细地分析工程地质资料，结合施工场地的具体情况和以往的施工经验，找出了桩基施工的难点主要是钻进厚砂层和灌注时的泥浆护壁问题，由于有较厚的粉细沙，经扰动容易变成流沙。针对这个问题，在工程的施工方案中重点准备了一些应对措施，其中有：
（1）加强泥浆制备管理，注重泥浆质量；
（2）控制施工顺序和机组的分布，严格按照设计及规范要求进行跳钻施工；
（3）根据地质报告揭示，减缓厚砂层的钻进速度。
3.2 实例分析
以清河大桥10#-4桩基现场施工为例，桩长60米，桩径为1.8米，钻孔深度为69.4m。因桩基开工初期对地质情况认识仅停留在地质勘察报告上，对多砂层复杂地质情况没有深刻体会，按照常规方式采用旋挖钻成孔，从11月20日14:00开孔钻进，直至11月21日13:30成孔，耗时共计23.5小时。
选用水化性能较好、造浆率高、成浆快的膨润土进行造浆，入孔泥浆比重为 1.15，黏度19；钻进过程很顺利，12#-16桩基成孔时间用了23.5小时，成孔后的沉淀厚度约20cm，含砂率为12%。第一次清孔阶段，孔内含砂率一直维持在9%左右，在泥浆池中粉细砂附着在泥浆中，很难沉淀下来，通过降低泥浆比重为1.1，孔内含砂率才符合要求。经监理验孔合格后，进行钢筋笼安装施工。
钢筋笼下孔用了4小时，导管安装用了1.5小时，再次测量孔底沉渣约100cm，采用7.5kw泥浆泵，通过导管进行二次清孔，清孔效率较高，将近1小时砂率降到了3%，沉渣厚度小于10cm，混凝土灌注前孔内泥浆比重为1.05。混凝土灌注过程中发现部分混凝土上升异常，混凝土实际灌注方量和设计方量几乎吻合。
旋挖钻机钻进过程顺利，但在清孔、下放钢筋笼、砼浇注过程中就陆续出现明显的流沙和局部的缩孔、塌孔现象。经检查施工记录，泥浆的质量明显下降，比重高了；粘度小了；含砂率高达5％一8％。很明显：泥浆护壁效果差。
根据现场实际情况选择合适的钻进速度，钻进砂层速度减慢，在厚砂层段要加大泥浆比重，必要时添加水泥、锯木屑提高护壁护壁效果。在钻进过程中指派专人测定泥浆的粘度、含砂率、失水量等参数，通过除砂桶降低泥浆砂率，必要时换浆处理，随时对泥浆成份进行调整。
通过对泥浆参数的密切监控，根据实际情况进行及时调整，剩余桩基施工钻孔、灌注过程都很顺利。
4 产生效益分析
本工程桩基质量检测成果优良。在破桩头时有2根桩基在桩顶1~2米左右有不同程度的夹砂现象，主要原因就是在砼灌筑到桩顶时压力减小灌筑过程中沉淀下来的粉细砂裹到了砼中，且砼超灌筑高度过低，建议在砼灌筑到桩顶3~5m处采用大漏斗，砼超灌筑1.5米。其余的桩经超声波检测全部为一类桩，取得了一定的经济利益和社会效益。
5 结束语
随着社会经济发展的需要，钻孔桩的桩长和桩径不断加大，单桩承载力越来越高，设计和施工质量要求越来越严格。特别是钻孔桩发生质量事故后处理难度大，处理费用高。因此有必要对钻孔桩及其桩孔受力加以分析，从力学角度定性分析泥浆比重在维持孔壁稳定上的重要作用。通过对泥浆护壁材料的比选、分析，并结合项目实际，选择最优护壁材料，从而在特殊地质环境下指导现场桩基施工，以便尽可能预防质量事故的发生。
参考文献
[1] 张鹏;大型钻孔灌注桩孔壁强夯加固影响因素与稳定性研究[D] ;青岛理工大学;2016年
[2] 荆留杰;吴方晓;张冰;泥浆运动对孔壁稳定性分析[J];建筑机械;2010年13期
[3] 王云岗;章光;胡琦;钻孔桩灌注桩孔壁稳定性分析[J];岩石力学与工程学报;2011年S1期
论文作者:王, 飞
论文发表刊物:《建筑实践》2019年38卷第20期
论文发表时间:2020/1/14
标签：泥浆论文; 钻孔论文; 桩基论文; 化学论文; 过程中论文; 应力论文; 地质论文; 《建筑实践》2019年38卷第20期论文;