交联型低固相泥浆在桩基工程中的应用.pdf

'第5O卷第1期地质与勘探V01．5ON0．12014年1月GEOL0GYANDEXPLORATIONJanuary，2014交联型低固相泥浆在桩基工程中的应用代国忠，张亚兴，史贵才，刘卫星(1．常州市建设工程结构与材料性能研究重点实验室，江苏常州213002；2．常州工学院士木建筑工程学院，江苏常州213002；3．上海市建设工程监理有限公司，上海200080)[摘要]结合武汉绿地中心超高建筑桩基工程钻孔施工中所遇到的松散砂及风化泥岩、风化砂岩等破碎层中出现的孔壁坍塌问题，进行了交联型低固相泥浆的现场应用试验。交联型低固相泥浆性能指标优良：密度1．02～1．05g／cm、漏斗黏度25～40s、API失水量(0．7MPa压差)8～20ml／30min；动切力2．5～4．OPa、动塑比0．48左右，属于宾汉型流体，具有良好的剪切稀释作用，对松散砂及泥岩、风化砂岩等破碎层的胶结能力强，能起到“下套管”的固壁作用，具有良好絮凝钻屑聚沉的能力，维持体系无固相。使用该泥浆能显著提高风化、破碎、水敏性等复杂地层桩孔的钻进效率、成孔质量与单桩承载力。[关键词]桩基工程泥浆交联型低固相固壁性能[中图分类号]Tu473．1[文献标识码]A[文章编号]0495—5331(2014)01—0173—05DaiGuo-zhong，ZhangYa-xing，ShiGui-cai，LiuWei-xing．Applicationofthecrosslinkingandlowsolidtypemudinpilefoundationengineering[J]．GeologyandExploration，2014，50(1】：0173—0177．破碎层，该段地层极易出现孔壁坍塌问题(刘兴旺1概述等，2010)。以往采用膨润细分散泥浆钻进，孔内事交联型低固相泥浆由造浆膨润土、纯碱、水溶性故频发，钻进效率低。为此，决定选用所研制的交联高分子聚合物、无机盐和水组成，该类泥浆的黏度、型低固相泥浆进行现场实验与推广应用，取得了较API失水量、静切力、流变性、吸附胶结性等性能指好的效果。标优良，经济成本低，无毒、环保，便于施工现场配制2工程概况及工程地质条件和使用。交联型低固相泥浆可用于各类地质勘探工程、大口径桩基工程、地下连续墙工程、水文水井工武汉绿地中心主楼高606m，总建筑面积程等钻孔(或钻挖槽)工程施工(鄢捷年，2006)。使663159m，由一栋超高层主楼、一栋办公辅楼、一栋用交联型低固相泥浆对松散砂及风化破碎岩层具有公寓辅楼及裙楼组成。其中超高层主楼地下室5较强的胶结护壁作用，有助于提高此类复杂地层孔层，地上125层，建筑面积302399In，主楼基坑挖深壁的稳定性，其固结孑L壁效果优于其他类型泥浆。达31．55Ill。拟建场地地貌属长江南岸I级阶地貌。据国内外文献资料，部分水解聚丙烯酰胺在硫酸铝除表层分布有厚度不一的填土层外，其下均为第四等无机物交联剂作用下，在岩石表面形成致密的吸系全新统冲积成因的黏性土和砂土层，下伏基岩为附膜结构，对松散砂及风化砂岩具有较强的胶结能志留系砂岩和泥岩。泥岩夹有砂岩呈互层状分布，力，可用于各类复杂地层钻孔工程的护壁堵漏(王压缩性低，泥质结构，政敏等，2001；薛永久，2004；Guoeta1．，2006；陈礼仪岩芯多风化成土状砂状，手捏易散，泥质胶结。等，2009；代国忠等，2010)。砂岩上部风化严重，裂隙比较发育，钻孔时普遍存在中建三局建设工程股份有限公司在武汉绿地中严重的漏水失浆及塌孑L现象。心桩基工程钻孔施工中，遇到了松散砂及风化砂岩本工程钻孔灌注桩桩径4,1200ram，桩端进入层[收稿日期]2Ol3—06—17；[修订日期]2013—09—25；[责任编辑]郝情情。[基金项目]江苏省自然科学基金项目(编号BK2012592)资助。(第一作者]代国忠(1963年一)，男，2007年毕业于吉林大学，获博士学位，教授，长期从事探矿工程、地基与基础工程等研究工作。E．mail：dai6342@sina．e1)Ill。173 地质与勘探微风化泥岩和微风化砂岩，少部分桩端进入中风化以上。若要提高水解聚丙烯酰胺的溶解速度，可将泥岩和中风化砂岩，桩身混凝土强度设计等级为容器内的水温加热至50。c左右(温水状态)，温水C45、C50，单桩承载力特征值为15000～17000kN。中溶解增黏聚渣剂浸泡2h以上即可。总桩数共556根，桩端相对标高一52～一63m(绝对(3)溶解交联剂：取交联剂0．2kg放人0．04m标高一32～一39m)，有效桩长22～33m，采用桩端、水中常温下预溶解，交联剂属于易溶解的盐类，溶解桩侧后注浆工艺，单桩桩端注浆水泥量为3。5t，桩侧浸泡时问5rain左右即可。注浆水泥量为1．5t。工程桩皆采用泥浆护壁回转钻(4)制备泥浆：将碱化后的膨润土浆加入含有进施工方法，钻进基岩时采用滚刀钻头全面碎岩。0．8m水中的搅拌桶内进行搅拌至均匀状态，然后向浆液中加入增黏聚渣剂溶液，搅拌至均匀状态，最3交联型低固相泥浆配制及性能后加入交联剂溶液，搅拌至均匀状态，即制备出本工3．1泥浆的配方组成程桩孔所用的交联型低固相泥浆1m。武汉绿地中心桩基工程所用的交联型低固相泥3．3泥浆的性能指标浆由膨润土、纯碱、增黏聚渣剂、交联剂和水等组分JZA2号桩成所选用交联型低固相泥浆的黏度、组成，各组分选用及加量控制标准如下：API失水量、静切力、吸附胶结性等性能指标优良：(1)膨润土：选用普通钙质膨润土造浆，其加量密度1．03g／era、漏斗黏度37s、API失水量(0．7MPa为2．0％～3．0％(一般以25kg／m较好)。压差)16ml／30min；300转旋转黏度读数18格，600(2)纯碱：其加量为0．25％～0．35％(一般以转旋转黏度读数29格、动切力3．5Pa、动塑比0．483kg／m较好)。若用钠质膨润土造浆，纯碱加量可左右，具有良好剪切稀释性和护壁作用，对松散砂及减少。风化砂岩等破碎岩层具有较强的胶结护壁作用，有(3)增黏聚渣剂：选用分子量500万～1200助于提高此类复杂地层孔壁的稳定性，起到了“下万、水解度在30％左右的水解聚丙烯酰胺(PHP)为套管”的护壁作用，使桩基的成孔质量得以保证，从增黏聚渣剂，其加量为0．1％～0．15％，PHP未溶于而提高了桩基极限承载能力(张雄文等，2005；Zhang水之前呈白色固体颗粒状态。eta1．，2005；李小青等，2007；王建军等，2010)。(4)交联剂：选用硫酸铝[A1(SO)]为泥浆3．4影响因素分析的交联剂，其加量为0．015％～0．025％。(1)对泥浆黏度的影响。经实验分析增黏聚渣3．2泥浆的配制工艺剂水解聚丙烯酰胺(PHP)对泥浆黏度的影响很大。以武汉绿地中心主楼JZA2号灌注桩成孔所用当其他因素相对不变时，随着水解聚丙烯酰胺的质的交联型低固相泥浆为例，按配制1m泥浆计算，量分数增加，泥浆的漏斗黏度呈上升趋势，如图1所各组分加量为：膨润土25kg、纯碱3kg、水解聚丙烯示。这是因为水解聚丙烯酰胺是一种长链型高分子酰胺1．2kg、硫酸铝0．2kg。其中，纯碱分两次使用，化合物，自身的黏稠度较高，并带有大量的一第一次使用量为1．8kg(占纯碱总加量60％)，用于CONH，、一COONa基团，对泥浆中的黏土颗粒产生钙质膨润土的碱化处理；第二次使用量为1．2kg(占了选择性吸附效应所致。泥浆黏度应适中，黏度过纯碱总加量40％)，用于溶解增黏聚渣剂。所用的低，携带钻渣能力差；黏度过高，泥浆上返需消耗很交联型低固相泥浆配制工艺如下：大泵压，且会造成孔壁泥皮增厚，不利于孔壁稳定(1)钙质膨润土的碱化处理：取钙质膨润土(吴鹏等，2008；张丹阳等，2009)。桩基工程钻孔施25kg、纯碱1．8kg(占纯碱总加量60％)，加入含有工所需泥浆的漏斗黏度一般25～40s较好。0．1m水中的容器内进行预浸泡，浸泡时间12h以(2)对泥浆API失水量的影响。当其他因素不上即可。变时，膨润土对API失水量的影响是先减后增，在质(2)溶解增黏聚渣剂：取水解聚丙烯酰胺量分数达到2．0％～3．0％时，API失水量达到极小1．2kg、纯碱1．2kg(占纯碱总加量40％)，先将水解值，如图2所示。这是因为当膨润土加量较低时，膨聚丙烯酰胺与纯碱混匀后(为固体粒状混合物)，再润土与增黏聚渣剂、交联剂产生了适度“桥接”效加入含有0．06in水中的容器内进行常温下预溶应，致使泥浆的API失水量有所降低；当膨润土加量解，一般应往水中边散入水解聚丙烯酰胺与纯碱的超过3％之后，因泥浆中固相含量增加，造成黏度过固体混合物，边进行搅拌，搅拌20min后，再浸泡5h高及孔壁泥皮增厚，使失水量加大，泥浆性能变坏174 第1期代国忠等：交联型低固相泥浆在桩基工程中应用净化不好，剪切稀释性差，护壁功能降低。∞～柢∞如如04·03．0杂蕃2．ol·O0．050，10O．15O．200PHP~JI量0．O10．020．03O．O4图1水解聚丙烯酰胺对泥浆黏度影响交联剂加量Fig．1Influenceofhydrolyzedpolyacryon图3交联剂对泥浆动切力的影响mudviscosityFig．3Influenceofcrosslinkingagentondynamicshearofmud(4)对泥浆流变性的影响。以JZA2号桩成泥40．曼浆配方为例，通过对流形的判断，所用的交联型低固吕暑3O相泥浆属于宾汉塑性流体，其流变参数计算如下：g塑性黏度：唰2O*叼。=(6600—6300)×10一=(29—18)×10一=11×10(Pa·s)(1)动切力：O1．02．03．04．0rd=0．5(26300—6600)=0．5×(2×18—29)膨润土加量／％=3．5(Pa)(2)图2膨润土对泥浆API失水量影响流变方程：Fig．2InfluenceofbentoniteonAPIr=rd+叼。：3．5+1．874×10一N(Pa)(3)lostwateramountofmud式中r——宾汉流体的剪切应力(Pa)；——剪切速率(s)，=1．7033N；(Blend，1992；熊茂平等，2005；池秀文等，2012)。桩Ⅳ——六速旋转黏度计的圆筒转动速度基工程钻孔施工所需泥浆的API失水量小于2Oral／(3，6，100，200，300，600r／rain)。30min较好，也不宜片面追求过低的失水量，否则，表观黏度：泥浆配制成本提高。(3)对泥浆动切力的影响。交联剂硫酸铝对泥叩A：=÷—1—，="7p‘+—1—，="7p‘+十———V一(1一-"a·．sS，)(4斗)，浆动切力的影响比较大。当其他因素不变时，硫酸由此可见，宾汉塑性流体的特点是浆液表观黏铝对动切力的影响是先增后减，在质量分数达到度随剪切速率增加有降低的趋势，其剪切稀释作用0．02％～0．03％时，泥浆动切力达到极大值，如图3好(施里宇，2008；孙建荣，2010；罗云峰，2010)。所示。这是因为当硫酸铝加量较小时(小于0．02％)，硫酸铝将冲洗液中的水解聚丙烯酰胺线4交联型低固相泥浆的应用效果性大分子交联成适度网状结构，将有助于提高泥浆通过对武汉绿地中心JZA1～3、JZB1～3、JZC1的动切力；当硫酸铝加量较大时(大于0．03％)，硫～2等8个工程桩孔的交联型低固相泥浆现场应用酸铝将对泥浆中的水解聚丙烯酰胺产生过度交联，实验，取得了较好的应用效果。致使泥浆的动切力下降(徐同台等，2004)。桩基工(1)增强了孔壁稳定性。工程桩实验钻孔采用程钻孔施工所需泥浆的动切力值2．5～4．0Pa较好。qbl200mm滚刀钻头全面钻进碎岩，使用交联型低固动切力过低，携带钻渣能力不足；动切力过高，泥浆相泥浆进行反循环排渣，对于风化泥页岩等水敏性175 地质与勘探2014钲地层，能使孔壁保持稳定，没有出现缩径与塌孑L现abstract)GunJian—kang，YanJie—nian，FanWet—wang，ZhangHongjing．2006．象；对于松散砂层、风化砂岩等裂隙发育地层，亦能Applicationofstronglyinhibitivesilicate-baseddrillingfluidsin保持孔壁稳定，没有出现漏水失浆及塌孔现象。这troublesomeshaleformationinSudan[J]．JournalofPetroleumSci—说明所选用的交联型低固相泥浆的护壁性能非常enceandEnginerring，50(3／4)：195—203好，能起到“下套管”的固壁作用。LiXiao—qing，HaoHang—zhou，ZhuHoug—ping，ZhaoWen—guang．2007．(2)提高了桩孔钻进效率。与相邻桩孔采用普Analysisonthestabilityofholewalloflargediameterboredpile通膨润土细分散泥浆钻进相对比，工程桩钻孔采用[J]．JournalofHuazhongUniversityofScienceandTechnology(Ur。banScienceEdition)，24(2)：25—28(inChinesewithEnglishab—交联型低固相泥浆穿过风化泥岩和风化砂岩等地层straet)时，钻效提高40％～60％，孔径均匀，孔身垂正。如LiuXing—wang，HanNing-wet，HeXiao—fei．2010．Applicationofslurryqbl200mm口径滚刀钻头钻进风化泥岩的最高时效breastwallpileformingwetprocessinconstructionoffoundationpile达1．3m／h，且没有任何孔内事故发生，该孔施工工[J]．ArchitectureTechnology，41(10)：882—884(inChinesewith期提前了5d。Englishabstract)LuoYun—feng．2010．Propertiesofcementslurryintrenchingconstruction(3)絮凝钻屑聚沉能力强。该交联型低固相泥ofdiaphragmwalls[J]．ChineseJournalofGeotechnicalEngineer—浆具有良好絮凝钻屑聚沉的能力，通过一CONH，基ing，32(S2)：447—450(inChinesewithEnglishabstract)团将钻屑絮凝成团上返至地面后在沉淀池中很快聚ShiLi-yu，LiTian—tat，ZhangKi—feng，ZhangBin，LiangHong—jun．沉下来，加上地面机械除砂，能很好的维持体系低固2008．Efectsoftemperatureandclaycontentonwater—baseddrilling相，致使孔底沉渣减少，确保了桩孔钻进效率与单桩fluids’．rehologicalproperty[J]．PetroleumDrillingTechniques，36(1)：20—22(inChinesewithEnglishabstract)承载力的提高。SunJian-rong．2010．Experimentresearchaboutgroutingliquidinfluences5结论theslurryinthedrillingandgroutingmethodparalleloperations[J]．ChinaMinningMagazine，19(10)：105—107(inChinesewithEng—(1)所采用的交联型低固相泥浆性能指标优lishabstract)良：密度1．02～1．05g／era、漏斗黏度25～40s、APIWangZheng-rain，2001．TheapplicationofPAAhighpolymerwash—ingliquidindrillingofthecomplexstratainshizimiaogoldminingar—失水量(0．7MPa压差)8～20ml／30min、动切力2．5ea[J]．GeologyandProspecting，37(4)：82—84(inChinesewith～4．0Pa、动塑比0．48左右。Englishabstract)(2)该类泥浆对松散砂、风化泥岩、风化砂岩等WangJian-jun，PengZhen—bin，LiuMu—feng，PengWen—xiang．2010．破碎石层的胶结能力强，孔壁稳定性好，能起到“下Mudselectiontestofdrill—pouringpileincomplexrock[J]．Journal套管”的护壁作用。ofCentralSouthUniversity(ScienceandTechnology)，41(2)：673(3)交联型低固相泥浆具有良好絮凝钻屑聚沉—678(inChinesewithEnglishabstract)WuPeng，GongWet—ming，RenWet—xing，YouQing—zhong．2008．的能力，维持体系低固相；该泥浆体系属宾汉塑性流Effectofslurryonbearingperformanceofboredpiles[J]．Chinese体范畴，具有较好的剪切稀释性，有利于冲孔、碎岩．JournalofGeoteehnicalEngineering，30(9)：1327—1332(inChi—和携带钻屑，有助于提高桩孔钻进效率、成孔质量与nesewithEnglishabstract)单桩承载力。XiongMan—ping．2005．Influenceanalysisofmudperformanceonpore-[References]formingefficiencyandpilequalityofultra·-deeplargediametergrou—-BlendR．1992．Water—basedglycolsystemsacceptablesubstitutefor0il—ringpiles[J]．ConstructionTechnology，34(1)：37—39(inChinesebasedmuds[J]．Oil＆GasJournal，90(28)：54—59withEnglishabstract)ChiXiu-wen，YaoZhi-wei，LinChi．2012．AnalysisofboredpilesslurryXuTong—tat，ZhaoZhong—ju，YuanChun．2004．Newdevelopmentofmixingratiointhicksandlayer[J]．EngineeringJournalofWuhandrillingfluidandcompletionfluidtechnologyabroad[J]．DrillingUniversity，45(4)：477—480(inChinesewithEnglishabstract)Fluid＆CompletionFluid，21(2)：1—10(inChinesewithEnglishChen¨一yi，LiHao，YuanXie—wu，XiaoHua，JiangTat—ping。XieXu—abstract)shun．2009．Researchandapplication0fthelow—permeabilityfilmingXueYong-jiu．2004．ApplicationsofPAM—CMCpolymerdrillingmudindril．1ingfluid[J]．JournalofChengduUniversityofTechnology(Sci—YongqingTertiarystrata(J]．CoalTechnology，23(7)：88—88(inence＆TechnologyEdition)，36(5)：498—503(inChinesewithChinesewithEnglishabstract)Englishabstract)YanJie·nian．2006．Drillingfluidstechnology[M]．Dongying：ChinaUni—DaiGun-zhong，ZhangYa—xing，LaiWen·hut，ZhuQing．2010．Applica—versityofPetroleumPress：307—372(inChinese)tionandresearchonsolid—freedrillingfluid0fPVMpolymer[J]．ZhangLM，LiDQ．TangWH．2005．ReliabilityofboredpilefoundationsGeologyandExploration，46(6)：78—84(inChinesewithEnglishconsideringbiasinfailurecriteria[J]．GeotechniealJournal，42】76 第1期代国忠等：交联型低固相泥浆在桩基工程中应用(4)：1086—1093井液流变性的影响[J]．石油钻探技术，36(1)：20—22ZhangDan—yang，GengXiao—guang，ZhouDa-yu，SongTao．2009．Labo-孙建荣．2010．钻注平行作业注浆液对泥浆影响实验研究[J]．中国ratorystudyonsoliderfreedrillingfluids[J]．DrillingFluid＆Com—矿业，19(10)：105—107pletionFluid，26(3)：38～40(inChinesewithEnglishabstract)王政敏．2001．PAA高分子聚合物冲洗液在复杂地层钻探中应用ZhangXiong-wen，GuanYi—jun，ZhouJian—hua．2005．Applicationof[J]．地质与勘探，37(4)：82—84PHPslurrytodrillingofover—lengthandextra—largediameterbored·王建军，彭振斌，刘睦峰，彭文祥．2010．复杂岩层钻孔灌注桩泥浆选piles[J]．ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering，24型试验研究[J]．中南大学学报(自然科学版)，41(2)：673—(14)：2571—2575(inChinesewithEnglishabstract)678[附中文参考文献]吴鹏，龚维明，任伟新，游庆仲．2008．钻孔灌注桩护壁泥浆对桩基池秀文，姚志伟，林驰．2012．厚砂层钻孔灌注桩成孔泥浆配比分承载性能的影响[J]．岩土工程学报，30(9)：1327—1332析[J]．武汉大学学报(工学版)，45(4)：477—480熊茂平．：2005．泥浆性能对超深大直径灌注桩成孔效率与成桩质量的陈礼仪，李浩，袁学武，肖华，蒋太平，谢序顺．2009．低渗透成膜分析[J]．施工技术，34(1)：37—39钻探泥浆体系的研究与应用[J]．成都理工大学学报(自然科学徐同台，赵忠举，袁春．2004．国外钻井液和完井液技术新进展版)，36(5)：498—503[J]．钻井液与完井液，21(2)：1—10代国忠，张亚兴，赖文辉，朱青．2010．PVM聚合物型无固相钻井液薛永久．2004．PAM—CMC聚合物泥浆钻进永庆第三纪地层的应用研究与应用[J]．地质与勘探，46(6)：78—84[J]．煤炭技术，23(7)：88—88李小青，郝行舟，朱宏平，赵文光．2007．大口径钻孔灌注桩的孔壁鄢捷年．2006．钻井液工艺学[M]．东营：中国石油大学出版社：307稳定研究分析[J]．华中科技大学学报(城市科学版)，24(2)：—37225—28张丹阳，耿晓光，周大宇，宋涛．2009．无固相钻井液的室内实验研刘兴旺，韩宁为，何小飞．2010．泥浆护壁湿作业成桩工艺在基础桩究[J]．钻井液与完井液，26(3)：38—40施工中的应用[J]．建筑技术，41(10)：882—884张雄文，管义军，周建华．2005．PHP泥浆在桥梁超长超大直径钻孔罗云峰．2010．地下连续墙成槽施工中的泥浆性能研究和探讨[J]．灌注桩施工中的应用[J]．岩石力学与工程学报，24(14)：2571岩土工程学报，32(s2)：447—450—257施里宇，李天太，张喜凤，张斌．2008．温度和膨润土含量对水基钻ApplicationoftheCrosslinkingandLowSolidTypeMudinPileFoundationEngineeringDAIGuo—zhong一，ZHANGYa—xing，SHIGui—cai一，LIUWei．xing(1．ChangzhouKeyLabofStructureEngineeringandMaterialProperties，Changzhou，Jiangsu，213002；2．CollegeofCivilEngineering，ChangzhouInstituteofTechnology，Changzhou，Jiangsu213002；3．Shanghaiprojectmanagementco．，LTD，Shanghai200080)Abstract：Theproblemsofcollapseofholewallinloosesand，weatheredmudstoneandsand-stonelayershavebeenencounteredinpile~undationengineeringforsuper—highbuildingsattheWuhangreenbeltcenter．Tosolvetheseproblems，in—situapplicationtestsofthecross-linkingandlowsolidtypemudhavebeenea~iedout．Theperformanceofthismudisexcellent：1．02～1．05g／eraofdensity，25—40soffunnelviscosity，8—20ml／30minofAPIlostwater(0．7MPa)，2．5—4．OPaofdynamicshear，andaround0．48ofdynamicplasticratio，whichbelongstotheBinghamfluid．withgoodshearinganddilutefunctionandstrongcementingabilitytoloosesandandweatheringrocklayers．Itplaysaroleof‘casingthestabilizingwall’withgoodcapabilityofflocculatingdrillingcuttingstogethersoastomaintainlowsolid-phaseintheslurrysystem．Usingthismudcansignificantlyimprovedrillingefficiency，holequalityandsingle—pilebearingcapacityincomplexformations，suchasweathering，brokenandwater-sensitivestrata．Keywords：pilefoundationengineering，mud，cross—linkingandlowsolidtype，effectofstabilizing-wall177'