PHP泥浆在桥梁大直径钻孔桩施工中的应用

姜开展（深圳市兴班建筑工程有限公司，广东　深圳　518000）



PHP泥浆在桥梁大直径钻孔桩施工中的应用

姜开展（深圳市兴班建筑工程有限公司，广东深圳518000）

泥浆为钻孔桩的循环系统，起到护壁、固孔、排渣和冷却润滑钻头的作用，泥浆技术好坏是影响钻孔灌注粧工程质量的一个极为重要的因素，特别是直径大于2.5m的大直径钻孔灌注桩，对泥浆的要求更高。PHP泥浆具有不分散、低固相、高粘度的特点，在地质复杂，淤泥砂土层较厚，护筒下沉不到岩层的情况下，使用PHP泥浆，可以很好的发挥护壁效果，较大的提高钻孔施工速度，有效减少桩底沉渣厚度，保证桩基施工质量。

PHP泥浆；桥梁施工；大直径钻孔桩；粘度；桩底沉渣

1　引言

随着国民经济的飞速发展，交通运输需求不断增大，大跨径桥梁建设工程也进入了一个高潮期，随着跨径的增大，需要选择超长超大直径的桩基础，以传递桥梁巨大的上部荷载，确保桩基础承载力符合要求，是保证桥梁质量安全的关键因素之一。影响大直径钻孔灌注桩工程质量的因素很多，泥浆系统是一个极为重要的因素，特别是水中桩基础，桩孔上部覆盖的淤泥沙土层较厚，其自稳能力差，普通泥浆护壁难以成孔，因此需要对泥浆性能进行改进提升，以提高钻孔效率和成孔质量。

PHP泥浆（partially hydrolyzed polyacrylamide），又称聚丙烯酰胺不分散低固相泥浆，是由膨润土、碳酸钠、聚丙烯酰胺（PRM）的水解物和有机纤维复合物按一定比例配制。此泥浆具有粘度大、不分散、触变性好、比重轻，低固相、胶体率大、失水量小的特点。在砂砾石土体中能够形成一层化学膜封闭孔壁保持孔壁稳定，且泥浆悬浮和携带钻屑能力强，成孔后桩底沉渣少、孔壁泥皮厚度小。在大直径钻孔桩施工中使用该泥浆系统，有加快钻孔进度，保证孔壁的稳定性，防止桩孔坍塌，减少桩底沉渣厚度，确保桩基承载力的良好作用。同时PHP泥浆循环净化效率高，废料无毒无害（pH值8～9），绿色环保，对环境污染小。

2　工程概况

永宁河新浦大桥新建工程，主桥跨径布置为90m+160m+ 90m，分左右两幅，桥面宽2m×16.25m，其中左幅8#、9#，右幅8#、9#桥墩采用群桩基础，钻孔灌注桩桩径2.5m，一个承台下设置8根，桩间距为5m，最大桩长52m。主墩桩基按嵌岩桩设计，设计要求桩底沉渣厚度不大于5cm。桥梁位于河流入海口，场地内埋藏地层自上而下为人工填土层、第四系全新统海积淤泥层、海冲积粘土层、细砂层，第四系全新统冲洪积粘土层、细砂层，第四系上更新统冲洪积淤泥质粘土层、粉质粘土层、砾砂层，第四系中更新统残积砂质粘土层，基底岩石为下古生界不同风化程度的混合岩。

本工程土层有较厚的淤泥层、细砂层和砾砂层，考虑到2.5m直径钻孔桩施工时，孔壁土体黏聚力较差，容易塌孔，泥浆易失水、易沉渣，自然造浆及普通粘土造浆难以满足施工需要，采用了PHP泥浆作为主桥桩基础的的泥浆循环系统。

3　PHP泥浆的制作

PHP泥浆的制作，是在膨润土配置的基浆中，掺入PHP水解胶体制成的，根据本项目的地质情况和钻机性能，桩基钻孔采用的PHP泥浆配置如下：

3.1PHP泥浆原材料选择

（1）膨润土：膨润土是基浆制作的主要原料和胶体质的主要来源，分为钠质和钙质两类。钠质膨润土泥皮薄、稳定性好、造浆率高（1t膨润土可造15～18m3泥浆）。钙质膨润土较钠质膨润土性能稍差（1t膨润土可造8～12m3泥浆），但其价格相对低廉，选择适当的配比也能较好的满足工程需要。本工程选用的钙基膨润土，膨润土胶体率大于96%，含砂率小（0～0.3%）；蒙脱石含量≥85%，膨胀倍数20～30倍，表观粘度＞12MPa·s。

（2）水：由于河水与海水连通，含盐量大且污染严重，不适合作为施工用水，本项目采用市政自来水作为制浆用水，经检测PH值在7.3～7.5之间。

（3）纯碱（NaCO3）：主要作用是增大泥浆pH值，通常纯碱的添加可将泥浆pH值提高到10，提高泥浆的胶体率和粘度，并增加泥浆表面负电荷，以吸附带正电荷的钻屑，使泥浆悬浮钻屑效能更好，同时可提供Na+离子，对钙土进行改性处理，在泥浆制作过程中纯碱掺量为泥浆体积的0.3～0.5%。

（4）羧甲基纤维素（CMC）：其水溶液具有增稠、成膜、黏接、水分保持、胶体保护、乳化及悬浮等作用。适合淡水、海水、饱和盐水水基泥浆；可控制粘度和降失水量；能够稳定软土结构，防止孔壁崩塌；提高造浆量，降低滤失量，其掺用量为膨润土质量的0.5%。

（5）聚丙烯酰胺（PAM）：为线性的高分子聚合物，分子量1200～1500万，易溶于水，无毒无腐蚀性。PAM水解溶液具有絮凝性、粘合性、降阻性、增稠性等特点，同时稳定性好。突出功能是能使泥浆具有触变性保持不分散、低固相、高粘度的性能，其掺用量为泥浆量的0.003%。

（6）烧碱（NaOH）：烧碱主要用于PAM原料的水解促溶，以及在泥浆循环过程中参与泥浆PH值的调节，通过NaOH的浓度控制，可使泥浆pH值接近12。

3.2PHP泥浆制备

PHP泥浆循环系统中需制备两种泥浆：①不含PHP的膨润土基浆；②含有PHP的新浆。

3.2.1基浆制作

基浆由膨润土纯碱和水拌制而成，其配置比例根据水质、膨润土性质，结合试验确定，最终用于本项目的配比为：1m3基浆中，水：膨润土：纯碱=968kg：58kg：3.194kg。制备过程中先将水加入制浆机中，按比例加入膨润土，经过多次搅拌而使膨润土颗粒充分分散，再加入一定比例的纯碱（NaCO3），羧甲基纤维素（CMC），充分拌和形成基浆，静置 24h后使用，可提高其粘度。基浆性能指标见表1-①基浆。

3.2.2PHP胶体水解

PAM原料需要在烧碱溶液中水解成PHP，首先将PAM原料和清水按100：6000的质量比例混合，再加入烧碱NaOH促溶，在搅拌桶中充分搅拌。水解时NaOH用量与PAM分子量和水解度成正比，一般情况下，NaOH用量为PAM重量的10%左右，具体需现场试验，以PAM全部分散为准。搅拌完成后，静置2d使PAM分子充分溶解分散，形成PHP胶体新浆备用。

3.2.3PHP泥浆新浆制作

在基浆中加入一定重量的PHP胶体即为PHP新浆，加入PHP胶体的量应根据实际测试的泥浆指标调配，一般情况下每立方米基浆中加入PHP胶体1.8～2.5kg。PHP掺量是否正确，可以从泥浆情况粗略判断，PHP若不足相对密度控制不佳，泥浆呈红黄色，PHP若过量则泥浆很快变清水，水土分层；PHP量合适时，泥浆颜色发白似嫩豆腐。配置好的新浆性能指标见表1-②新浆。

4　钻孔过程中的PHP泥浆循环及相关指标控制

施工采用采用冲击钻机成孔，配备相应的泥浆循环系统，PHP泥浆在施工过程中循环利用。

（1）PHP泥浆系统包括膨润土基浆池、PHP新泥浆池、泥浆净化沉淀池、混合池、絮凝沉淀池和维持加粘池，它具有调节泥浆比重、粘度、酸碱度（pH）值、含砂率等指标的功能。桩孔中排出的粗颗粒含量高的泥浆，通过净化循环絮凝及稀释等过程后，泥浆中大颗粒沉淀，然后往泥浆里加入PHP含量高的新浆增加其粘度，减小其失水率，调整其性能指标，从而使之重新成为满足钻进需要的泥浆，可使PHP泥浆的重复利用率接近60%。泥浆循环流程如图1所示。

图1　PH P泥浆循环流程示意图

（2）PHP泥浆性能控制

钻进过程中对泥浆性能的控制尤为重要，它关系到钻进速度与成孔质量。泥浆的抽检频率为2h一次，钻孔各阶段泥浆性能指标，按①基浆、②新浆、③钻进浆、④回流浆、⑤清孔浆、⑥弃用浆进行划分，在现场主要对泥浆的比重、粘度、含砂率和PH值等指标（表1）进行控制。若泥浆性能超标时严禁直接往桩孔内倒膨润土或兑入清水，需暂停钻进并通过添加膨润土基浆和PHP原浆进行浆液调试和补充，直至泥浆达到要求为止。

表1　钻孔过程中泥浆性能指标控制一览表

由于不同的施工场地地质条件不同，地层的变化在很大程度上影响施工，对于不同的地层情况，根据现场的地质资料，相应的调整泥浆的性能指标也是必不可少的环节。钻头在砂层中，尤其中粗砂和砂砾层中，其渗透性大，失水量大，要适当的增加泥浆的粘度和相对密度，以减少砂层的失水量，增大孔壁的稳定性。而在粘土层中钻进时，要减少泥浆的粘度，以为在此土层中钻进时，粘土参与了造浆而增大了泥浆的粘度，此时泥浆粘度过大容易造成粘糊。

（3）清孔泥浆控制

当钻进至设计标高经验收后，进行清孔作业，通过泥浆循环系统不断循环流动孔内泥浆以保证孔底沉渣和孔壁泥皮厚度满足要求，孔内泥浆需符合表1-⑤清孔泥浆指标要求，清孔完成后，利用注浆管在孔底压注5m高的PHP新浆作为隔离层，以防止桩底沉渣增加。随后可展开钢筋笼的安装和混凝土浇注工作，由于PHP新浆隔离层的存在，主墩桩基各孔浇筑混凝土前，测得的桩底沉渣厚度均在3cm以下，不需要进行二次清孔作业。

同时因其比重小的特点，在浇筑混凝土过程中，对混凝土上升阻碍作用较小，不易形成软弱夹层和断层。施工完成后经试验检测，桩身完整性良好，本项目桥梁主墩下的32根2.5m大直径灌注桩均达到I类桩标准。

5　结束语

PHP泥浆以其优良性能，较好的发挥护壁作用，减少桩底沉渣厚度，极大的缩短了清孔时间，降低清孔难度，是特别适合于大直径钻孔灌注桩施工的泥浆系统。但其原材料成本较高，制作原料、制作过程、循环系统及施工控制等是决定其经济性、高效性的关键因素。在施工过程中需设计好泥浆制作和循环系统，加强泥浆循环利用，做好工序衔接，减少材料浪费，充分利用PHP泥浆的性能优点，达到加快进度，保证质量、控制成本的目的。

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姜开展（1984-），男，路桥工程师，本科，任项目经理，主要从事市政路桥工程施工管理工作。

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2016-5-1