郝延周

(河南城建學(xué)院土木工程學(xué)院，河南平頂山467036)

泥漿是在土層中鉆進(jìn)成孔所需的沖洗液，除了攜帶鉆屑、冷卻鉆頭外，最主要的作用是平衡土層壓力，防治孔壁坍塌。樁基礎(chǔ)是目前巖土工程中應(yīng)用最多的基礎(chǔ)類型，樁基成孔的質(zhì)量直接決定了樁體的質(zhì)量，因此，分析、改善沖洗液的性能對(duì)樁基孔壁穩(wěn)定具有重要的意義。

1 防塌泥漿各組分選取

在鉆孔灌注樁施工過程中，特別是在遇水不穩(wěn)定的巖層中成孔時(shí)，孔壁容易出現(xiàn)坍塌、剝落、溶脹等復(fù)雜情況，試驗(yàn)用泥漿各組分以防塌泥漿的性能要求選取，即低失水、高礦化度、高濾液粘度、適當(dāng)?shù)拿芏群驼扯取?/p>

考慮泥漿對(duì)孔壁穩(wěn)定性的影響，泥漿攜帶鉆屑的能力以及其他性能。選取膨潤(rùn)土作為配漿材料，其造漿能力強(qiáng)，具有降低鉆井液的濾失量等作用;加入有機(jī)處理劑來提高泥漿的降失水性、絮凝作用等;選取羧甲基纖維素(CMC)來提高泥漿降失水和增粘的性能，其中羧甲基纖維素鈉(Na－CMC)有較好的抗鹽能力;選取水解度30%左右的聚丙烯酰胺(PHP)來提高泥漿的絮凝作用和孔壁穩(wěn)定性。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法

泥漿試驗(yàn)中由于各組分加量不同等因素導(dǎo)致優(yōu)選泥漿配方時(shí)需要很多次試驗(yàn)來完成，從多次試驗(yàn)中選擇具有代表性的試驗(yàn)是泥漿試驗(yàn)的關(guān)鍵。因此，應(yīng)用一種科學(xué)合理的試驗(yàn)方法是取得最優(yōu)效果的根本。正交試驗(yàn)法［1］是一種運(yùn)用數(shù)學(xué)分析來合理安排試驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法。

正交試驗(yàn)方法主要依靠“正交表”來指導(dǎo)和安排試驗(yàn)步驟。通過正交表可以選出最經(jīng)濟(jì)合理的試驗(yàn)次數(shù)和試驗(yàn)搭配，使每項(xiàng)試驗(yàn)達(dá)到最好的試驗(yàn)效果。試驗(yàn)中若有4種物質(zhì)因素、3種添加量，則按正交表 L9(34)的要求需要做9次試驗(yàn)，即:a1b1c1d1、a1b2c2d2、a1b3c3d3、a2b1c2d3、a2b2c3d1、a2b3c1d2、a3b1c3d2、a3b2c1d3、a3b3c2d1。

3 防塌泥漿試驗(yàn)及分析

3．1 試驗(yàn)材料

根據(jù)鉆孔灌注樁的鉆孔工藝和土層的工程地質(zhì)性質(zhì)，確定試驗(yàn)預(yù)期達(dá)到的結(jié)果要滿足表1提供的基本泥漿性能參數(shù)。

表1 泥漿基本指標(biāo)

試驗(yàn)材料為:a——碳酸鈉 Na2CO3，b——羧甲基纖維素 CMC，c——聚丙烯酰胺 PHP，d——膨潤(rùn)土，分別將4種造漿材料按試驗(yàn)要求稱取量值加入1000 mL水中放入泥漿攪拌機(jī)中配置泥漿，加量值見表2。

表2 泥漿試驗(yàn)材料及各成分加量

3．2 試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

各項(xiàng)試驗(yàn)材料和儀器校正無誤后分別開始進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)合正交表，根據(jù)本次試驗(yàn)的試驗(yàn)水平和因素來制定每次試驗(yàn)方案，每次試驗(yàn)的順序、因素組合見表3，各因素加量見表4。

表3 每組實(shí)驗(yàn)編號(hào)及因素組合

表4 每組實(shí)驗(yàn)編號(hào)及各因素加量

分別按照表3的各因素組合和表4的各因素加量逐一進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)所得各項(xiàng)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，各項(xiàng)試驗(yàn)所得有用數(shù)據(jù)見表5。計(jì)算參數(shù)見表6。

表5 各組試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)

對(duì)以上得出的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。分別對(duì)3組試驗(yàn)做極差(各組數(shù)據(jù)做極差組合形式見表7)，根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果繪制影響曲線，數(shù)據(jù)分析曲線結(jié)果見表8。從表中可以明顯的看出對(duì)泥漿密度影響最大的是膨潤(rùn)土的加量，對(duì)泥漿漏斗粘度影響最大的是PHP的加量，對(duì)泥漿失水性影響最大的是CMC的加量，對(duì)泥漿視粘度影響最大的是膨潤(rùn)土的加量，對(duì)泥漿動(dòng)切力影響最大的是PHP的加量。

表6 試驗(yàn)求得視粘度、塑粘度、動(dòng)切力值

表7 各配方試驗(yàn)數(shù)據(jù)做極差組合形式

表8 泥漿配方正交試驗(yàn)結(jié)果分析

繪制出各處理添加劑對(duì)泥漿性能指標(biāo)影響變化趨勢(shì)圖，根據(jù)對(duì)各處理添加劑對(duì)泥漿性能指標(biāo)影響變化趨勢(shì)圖的分析得出最優(yōu)配方方案。各處理劑對(duì)泥漿性能指標(biāo)影響變化趨勢(shì)圖見圖1～5。

圖1 不同添加劑對(duì)泥漿性能指標(biāo)ρ的影響變化趨勢(shì)圖

圖2 不同添加劑對(duì)泥漿性能指標(biāo)T的影響變化趨勢(shì)圖

圖3 不同添加劑對(duì)泥漿性能指標(biāo)B的影響變化趨勢(shì)圖

圖4 不同添加劑對(duì)泥漿性能指標(biāo)η視的影響變化趨勢(shì)圖

圖5 不同添加劑對(duì)泥漿性能指標(biāo)τd的影響變化趨勢(shì)圖

按照預(yù)先設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方案，對(duì)各項(xiàng)配方進(jìn)行逐一試驗(yàn)并對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，根據(jù)以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可以得出以下結(jié)論。

(1)根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖1可以看出，總體泥漿的密度受膨潤(rùn)土的加量影響最大，受聚丙烯酰胺的影響最小。從各成分的加量對(duì)泥漿密度的影響趨勢(shì)圖可以看出，隨著碳酸鈉加量的增加，泥漿密度增大;隨著羧甲基纖維素加量的增加，泥漿的密度也呈增加的趨勢(shì);而水解聚丙烯酰胺對(duì)泥漿密度的影響較小。因此，泥漿密度的大小主要通過調(diào)節(jié)膨潤(rùn)土的加量來控制。

(2)從圖2可以直觀的看出，碳酸鈉和膨潤(rùn)土對(duì)泥漿的漏斗粘度影響最大，羧甲基纖維素和聚丙烯酰胺對(duì)泥漿漏斗粘度的影響較大。隨著碳酸鈉和膨潤(rùn)土加量的增加其漏斗粘度明顯增大;羧甲基纖維素的加量在3 g時(shí)其漏斗粘度達(dá)到最大，當(dāng)加量為5 g時(shí)其漏斗粘度有所降低;聚丙烯酰胺在加量為50 mg/L時(shí)漏斗粘度最大，100 mg/L時(shí)漏斗粘度最小，200 mg/L時(shí)漏斗粘度較100 mg/L有稍微增大。從試驗(yàn)所得的漏斗粘度值來看都能滿足表1要求。單從泥漿漏斗粘度來講，當(dāng)然其漏斗粘度值越大，泥漿性能越好。

(3)從圖3可以明顯的看出，4種添加劑都是隨著加量的增加其失水量降低，根據(jù)所給的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)泥漿失水量必須小于15 mL/30 min。因此，碳酸鈉加量為1 g時(shí)，羧甲基纖維素加量為1 g時(shí)，聚丙烯酰胺加量為50 mg/L時(shí)，膨潤(rùn)土加量為40 g時(shí)，其失水量均大于15 mL/30 min，這幾個(gè)加量均不滿足泥漿性能的基本標(biāo)準(zhǔn)。從泥漿性能最優(yōu)化來分析，在滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的前提下其失水量越小泥漿越能保持其穩(wěn)定性。

(4)從圖4可以看出，泥漿的視粘度與泥漿漏斗粘度變化趨勢(shì)相似。隨著碳酸鈉加量的增加泥漿視粘度呈直線增加;羧甲基纖維素加量為1 g時(shí)視粘度最小，加量為3 g時(shí)視粘度最大，加量為5 g時(shí)其視粘度與3 g加量相比稍有降低;聚丙烯酰胺在加量50 mg/L時(shí)視粘度最大，加量為100 mg/L時(shí)視粘度最低，200 mg/L時(shí)視粘度與100 mg/L加量時(shí)相比稍有增加。

(5)從圖5可以看出，泥漿的動(dòng)切力受各組分加量變化的影響較明顯。碳酸鈉在加量5 g時(shí)動(dòng)切力最大，在加量1 g時(shí)動(dòng)切力最小;羧甲基纖維素在加量3 g時(shí)動(dòng)切力最大，在加量1 g時(shí)動(dòng)切力最小，在加量5 g時(shí)動(dòng)切力較3 g時(shí)小;聚丙烯酰胺在加量50 mg/L時(shí)動(dòng)切力最大，在加量200 mg/L時(shí)與加量100 mg/L時(shí)相比稍有增加，加量100 mg/L時(shí)最小;膨潤(rùn)土在加量100 g時(shí)動(dòng)切力最大，在加量40 g時(shí)動(dòng)切力最小。根據(jù)基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)切力為2 Pa時(shí)，碳酸鈉1 g、羧甲基纖維素1 g、聚丙烯酰胺100 mg/L、膨潤(rùn)土40 g滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

由以上分析可知碳酸鈉和膨潤(rùn)土的加量對(duì)泥漿各項(xiàng)性能的影響較明顯，泥漿密度、漏斗粘度、視粘度、動(dòng)切力隨著其加量的增大其各項(xiàng)性能參數(shù)有增大的趨勢(shì)，失水量隨著加量的增加呈減小的趨勢(shì)。羧甲基纖維素和水解度為30%的聚丙烯酰胺的加量對(duì)泥漿性能除對(duì)密度影響不大外其余各項(xiàng)影響均比較明顯。

3．3 試驗(yàn)結(jié)論

按照泥漿性能標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)來合理選取各成分的加量達(dá)到泥漿的最佳性能。根據(jù)以上分析分別得出最佳泥漿密度組合為 a3b2c1d2、a3b2c2d2、a3b3c1d2，最佳漏斗粘度組合為a3b2c1d3，最佳失水量組合為a3b3c3d3、a3b2c2d2，最佳視粘度組合為 a3b2c1d3，最佳動(dòng)切力組合a3b2c1d3。選取最優(yōu)配方組合為a3b2c1d3、a3b2c2d2，分別對(duì)兩項(xiàng)最優(yōu)配方組合進(jìn)行試驗(yàn)(其中a3b2c1d3為第8組試驗(yàn))得出數(shù)據(jù)見表9。

表9 兩項(xiàng)優(yōu)選配方試驗(yàn)數(shù)據(jù)

a3b2c2d2方案組合中 η視=28 mPa·s，η塑=22 mPa·s，τd=6.132 Pa。

優(yōu)選泥漿配方各項(xiàng)成分具體加量見表10。

表10 優(yōu)選配方各項(xiàng)成分加量

4 工程應(yīng)用

平頂山市某工程場(chǎng)地為第四系沖積、湖積沉積層(Q4al+t)，根據(jù)鉆探揭露以淤泥質(zhì)土、砂土為主，局部夾淤泥質(zhì)粉砂、亞粘土。

(1)淤泥質(zhì)土:灰色、深灰色，含腐殖質(zhì)，局部含少量貝殼，軟塑。上部含較多粉細(xì)砂，呈薄層狀不均勻混于淤泥中;中下部以淤泥質(zhì)粘土為主，局部為淤泥。全部鉆孔均揭露，厚度3.0～8.2 m。

(2)淤泥質(zhì)粉砂、粉砂:深灰～灰黃色，飽和，松散，分選性較好，厚度7.1～9.5 m。

(3)亞粘土:灰黃色，以粘粒、粉粒為主，土質(zhì)較粘，軟～可塑狀，局部含鐵錳質(zhì)結(jié)核團(tuán)塊。一般分布于淤泥質(zhì)土之下，連續(xù)性稍差，厚度為4.6～8.2 m。

(4)粗砂:黃褐色夾灰白色，稍密～中密，濕，主要成分為石英質(zhì)，粒徑大于0.5 mm約占總量的62%，局部夾圓礫，顆粒級(jí)配一般，混有23%左右的粉砂及粘土，沖積成因，厚度為6.3～8.7 m。

該工程基礎(chǔ)形式設(shè)計(jì)為鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)16.0～27.0 m，樁徑1.0 m，將表10得到的優(yōu)選泥漿組合應(yīng)用于本工程的65個(gè)樁孔施工中，其防塌效果非常明顯，特別是在軟土地層鉆進(jìn)成孔中泥漿的各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到護(hù)壁、防塌的要求。

5 結(jié)語

鉆孔的質(zhì)量直接決定鉆孔灌注樁的完整性和強(qiáng)度，特別是在軟土層中鉆孔施工時(shí)容易出現(xiàn)孔壁失穩(wěn)等工程事故，因此，防塌泥漿的性能就顯得尤為重要。本文從試驗(yàn)的角度對(duì)防塌泥漿的性能進(jìn)行了全面的分析，從中得到一種新型的防塌泥漿配方(見表10)。通過在實(shí)際工程軟土層中驗(yàn)證，該防塌泥漿的防塌效果良好，各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到護(hù)壁和防塌的要求。

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