新型聚合物泥浆在旋挖钻机成孔灌注桩施工中的应用
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2 0 0 8 年第 8 期 西部探矿工程 7 3 新型聚合物泥浆在旋挖钻机成孔灌注桩施工中的应用 王海军,孙社强,曹玉亮(煤炭科学研究总院西安分院,陕西 西安 7 1 0 0 5 4)摘要:详细介绍了一种新型聚合物泥浆的特性及其制备方法,并在成功运用于厚沙层的旋挖钻机成 孔,值得在相似地层中推广应用。关键词:聚合物泥浆;旋挖成孔;砂层 中图分类号:TU1 9 3 文献标识码:B文章编号:1 O O 4 5 7 1 6(2 O O 8)0 8 O O 7 3 一O 3 随着我国经济建设的快速发展,旋挖钻机成孔的灌 注桩工程已很普遍。旋挖钻机在灌注桩成孔过程中因 地层的千变万化,尤其是连续砂层(即较厚砂层),对所 需护壁的泥浆性能要求较高,通常我们在旋挖成孔和灌 注施工过程中采用膨润土和外加剂等作为泥浆材料来 配置泥浆进行护壁。膨润土泥浆在施工中存在消耗量 大、需要人工机械搅拌制作、对环境污染大等缺陷,近年 来,国内外研制生产的新型聚合物泥浆材料,使用简单,小巧轻便,制浆速度快,护壁效果好,沉淀凝聚速度快,无污染。这种新型聚合物泥浆的应用,极大改善了灌注 桩施工的护壁效果和施工环境,尤其在以旋挖钻机为成 孔机械的工程施工中,加快了工程施工的速度,节省了 施工费用,提高了工程的施工效率。1 聚合物泥浆的基本组成及特性 1 1 聚合物泥浆的组成及作用机理 聚合物泥浆是由聚合物颗粒与水等物质按一定比 例配置混合后形成的聚合物水溶液。它的基本组成是 聚合物水溶液和碱。其中聚合物材料呈颗粒状,极易溶 于水,是一种高分子量,多种成分复合而成,具有多功能 性的新型复合泥浆材料。聚合物具有极长的分子链,呈 卷状无序地分散于泥浆中,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 附和桥接作用会在孔壁上形成一层有很强张力的保护 膜,起到护壁作用,保证了周围地层的稳定。同时,这种 作用也可以帮助泥浆最大限度的粘结住被切削下的钻 屑,使得孔内所有悬浮的细小土壤颗粒都会沉淀在孔 底,便于钻头能够从钻孔中移出,从而提高钻进效率。1 1 聚合物泥浆的特性 新型聚合物泥浆具有护壁、堵漏、保证桩基质量、绿 色环保等性能特点,而且使用简单,小巧轻便,制浆速度 快,护壁效果好,沉淀凝聚速度快,易于降解,无毒,可直 接抛弃而不造成环境污染。(1)护壁性能:聚合物中一般配有护壁剂,护壁剂中 N H+、K+离子等进入粘土、砂层的空隙后,使上下两个 细胞连结的很紧,水分子不能再进入晶体层间,从而起 到保护孔壁稳定的作用。(2)堵漏性能:聚合物中配有堵漏剂,堵漏剂进入漏 失通道后能与孔隙或裂隙牢牢的粘付在一起,阻止浆液 继续向深处流动。(3)桩基质量影响:聚合物泥浆经过试验,对混凝土 质量强度无影响,一定程度可以提高桩基摩檫承载力。(4)绿色环保:该泥浆无毒、无污染,可重复利用,废 浆易于降解除理。2 聚合物泥浆的制备 1 1 泥浆配置方法 配置泥浆之前,先配备 1 台 3 m 3 以上功率空压机,利用空压机高压空气鼓动泥浆,提高泥浆的溶解速度。混合聚合物泥浆时,将其颗粒洒落在注入泥浆池的水流 之上,利用水流冲力使其充分水解,并应加强注入水的 水流冲力,以防止胶结。其配置顺序如下:注水加 碱加聚合物颗粒。加碱的目的是改善水质,调整配 浆用水的p H值至 8 1 0,以沉淀游离的钙离子,最大 化泥浆的粘度。2 2 泥浆配合比例 泥浆用量可根据不同的地层情况选用不同的配比,具体用量参考表 1。表 1 常见地层聚合物泥浆材料用量表 维普资讯 http:/ 7 4 西部探矿工程 2 0 0 8 年第 8 期 2 3 泥浆工作循环流程 旋挖施工中泥浆被送入钻孔中进行护壁。灌注结 束后返回的泥浆经沉淀可循环使用。具体施工时泥浆 循环示意图见图 1。图 1 泥浆循环示意图 3 施工控制要点(1)在配浆过程中,始终保持空压机运转,泥浆配置 完成后,空压机至少要保持 2 h以上的工作量时间方可 开工使用泥浆。(2)钻进过程中,为保持好静柱水压力,孔内泥浆的 液面不得低于孔口护筒高度的 1 2(应大于 l m)。(3)钻机操作人员在操作旋挖钻机成孔中,要做到 匀速下、提钻杆。钻进过程中应控制提、放钻头的力度,要轻提、轻放,以减轻钻具对孔 内泥浆的扰动强度,防止 产生局部真空现象,以避免塌孔事故的发生。终孔前,应采用清孔底钻头,放缓钻进速度,缓下缓提,有效彻底 清除孔中的沉渣。(4)旋挖成孔完成后,停放一会(视孔深而定),再下 钻头轻轻捞取沉渣,用测绳测量孔深,达到要求后,即可 下钢筋笼,同时注意保持钢筋笼垂直,避免碰撞孔壁。(5)下导管前,检查导管的密封性,将导管的法兰拧 紧。因为此泥浆属于无固相泥浆,易渗漏到导管内,所 以要保证导管密封、拧紧,避免因导管进水造成断桩事 故。(6)保持泥浆液面高度不应低于孔口5 0 0 m m,不足 时及时补浆,始终保证浆液对孔壁的侧压力,防止坍塌。(7)钻孔结束放入钢筋笼、导管之后,将回浆泵及管 道安放于桩孔顶部,开始进行混凝土灌注。送入桩孔底 部的混凝土将取代泥浆的位置推动泥浆向上移动,泥浆 通过泥浆管路被泵入沉淀池内,经沉淀后再通过管道流 入泥浆池。混凝土表面上的最后 l m泥浆不得泵入浆 池,这些泥浆由于与混凝土的接触而受到污染应做抛弃 处 理。(8)回收后的泥浆,应及时对其粘度和 P H植进行 测试。并依据测试结果及施工需要重新加入水、纯碱及 新的泥浆聚合物颗粒,复原泥浆总量并补充 P H值与粘 度的损失(p H值 8-1 o)。4 工程应用举例 4 1 工程概况 大唐渭河发电厂热电联产技改(2 3 0 0 MW)工程 位于咸阳市渭城区的杨家湾,为热电联产技改工程,在 拆除现有 2 5 0 MW 机组 的场地上,建设 2 3 0 0 MW 燃煤供热脱硫湿冷机组。该工程 1#、2#冷却塔总高均 为 1 1 6 5 m,单柱最大荷重 1 0 0 0 0 k N,基础形式均采用旋 挖成孔灌注桩,要求地基承载力为 2 8 0 k P a,设计桩径 8 0 0 m m,桩数各 4 0 4 个,环基桩长 3 0 m,塔心桩长 2 6 m。工程地质勘探揭示冷却塔范围内地基土自上而下 分别为:上部为人工填 土(0 一3 5 m),黄土状粉质粘 土(一3 5 一6 5 m),下部为冲积形成的细砂(一6 0 -2 2 0 m)、中砂及粉质粘土等,局部砂层厚度达到 1 4 1 6 m。由于场地地层存在较厚砂层,施工过程中易出现 塌孔、埋钻、沉渣过厚等工程事故,工程施工难度较大。4 2 施工措施 工程中针对砂层较厚、场地狭小及工期紧的特点,施工配备旋挖钻机 8台,采用聚合物泥浆进行护壁施 工,按每立方水配 1 0 k g 聚合物颗粒制浆,泥浆粘度平 均在 3 0 s。经过 4 0 d 施工,桩基工程全部顺利完成。4 3 施工效果 本次工程采用聚合物泥浆护壁工艺进行旋挖成孔 施工,泥浆在整个施工过程中护壁效果 良好。旋挖钻机 在成孔、清理沉渣、二次清孔、钢筋笼下放、导管下放、砼 灌注等施工中,泥浆护壁稳定,未出现孔壁坍塌、埋钻、埋管及孔底沉渣较厚等不良现象。经检查与试验,孔 径、砼灌注前孔底沉渣厚度、砼灌注充盈系数、桩身质量 及承载力等均满足设计要求,高、低应变试验结果显示,工程桩均为 I 类桩或 I I 类桩,其中 I 类桩达到 9 4 以 上。由于采用新型聚合物泥浆材料,泥浆材料成本也大 幅下降 4 0 以上。施工现场环境干净整洁,施工速度 快,工程经济效益明显。5 结束语 在控制好泥浆粘度、密度的情况下,采用聚合物泥 浆可有效保证在复杂地层情况下的旋挖灌注桩钻进。特别是在其他泥浆材料难以保证护壁效果的砂类地层 中,聚合物泥浆在钻进时不仅能够保证孔壁稳定,还可 以保证泥浆循环管路和砼灌注的通畅。实践证明,采用(下转第 7 6页)维普资讯 http:/ 7 6 西部探矿工程 2 0 0 8年第 8期(3)四种密度新型 MT C的强度发展 曲线 在平稳程 度上存在较大的差异,体系的密度越高、漂珠的加量越 小,其强度发展的波动幅度越大,说明漂珠对固化体强 度的波动有一定的抑制作用,自然,也有利于使体系获 得较高的抗高温脆裂能力。表 2 纯矿渣新型 MT C在 9 0 下的强度(MP a)一 慧 趟 蝠 5 O 1 O O 1 5 0 时 间(d)图2 不加漂珠时 MT C在 9 0 下的强度 表 2、图 2 是不同液灰 比纯矿渣新型 MT C在 9 O 下的强度发展及强度稳定情况。可以看 出:(1)即使在不加漂珠的情况下,本新型 MT C也具 备较好的抗高温脆裂能力,在 9 O 下养护 5 个月没有 出现高温脆裂的问题。(2)加大体系的液灰比、降低体系的密实程度、给体 系在凝结后仍在进行的水化反应膨胀应力留下一定的 释放空间,有利于提高其固化体抗高温脆裂的能力。图 3 是密度 2 2 2 6 g c m。的高密度、超高密度新 型 MT C在 9 0 C下的强度发展情况。可以看出,各配方新型 MT C的固化体都具备 良好 的抗中高温脆裂能力,没有出现常规 MT C在中高温条 件下养护快速脆裂的问题。另外,5 个月系统测试后的观察实验结果表明,于 2 0 0 3 年底开始养护的固化体,到目前为止,已在 9 o C、常压条件下养护三年多而仍未脆裂。3 结论(1)本 MT C较好地解决了常规 MT C中高温养护 脆裂的问题;(2)漂珠对 MT C在中高温下养护的脆裂问题有一 0 5 0 1 00 1 50 2 0 0 时 间(d)图 3 高密度、超高密度 MT C在 9 0 C下的强度稳定情况 定程度的抑制作用;(3)适当加大体系的液灰比、降低体系的密实程度、给体系在凝结后仍在进行的水化反应膨胀应力留下一 定的释放空间,也有利于环节其固化体脆裂的问题。参考文献:1 葛红江,等 泥浆转化为水泥浆的分散剂研究及其特性分 析 J 天然气工业,1 9 9 9 1 1 2 侯吉瑞,等 MT C固井水泥浆分散剂 S S MA共聚物的合成 与性能E J 油田化学,1 9 9 6 6 3 路宁 超低密度高炉矿渣水泥浆研究I-J 江汉石油学报,1 9 99 3 4 杨振杰,等 矿渣 M Tc固化体的脆裂问题及改进途径口 石油钻采工艺,2 0 0 1 3 (上接第 7 4 页)新型聚合物泥浆进行护壁,效果良好,且能节约施工成 本,提高工效,值得在相似地层环境施工中进行推广采 用。A p p J i c a t i o n o f AN e w n d o f Ma c r o mo l e c u l e Po l y me rM udi nRot ar y d dl l ing WANG Ha i-j u n,S U N S h e-q i a n g,C AO Y u-l i a n g (Xi a n Br a n c h,Ch i n a C o a l Re s e a r c h I n s t i t u t e,Xi a n S h a n xi 7 1 0 0 5 4,Ch i na)Ab s t r a c t:Th i s p a p e r i n t r o d u c e s t h e c h a r a c t e ris t i c o f a n e w k i n d o f ma c r o mo l e c u l e p o l y me r mu d a n d t he me t h o d t O u s e i t I t i S a l-S O s u c c e s s f u l l y u s e d i n r o t a r y d r i l l in g in t h i c k s a n d l a y e m,a n d t h i s k i n d o f me thod i s wo r t h y o f a p p l y i n g in the s i mi l a r s t r a t u m Ke y wo r d s:ma c r o mo l e c u l e p o l ym e r mu d,r o t a r y d r i l l i n g;s a n d f o r ma t i o n 如 加 0 嘿 坦 维普资讯 http:/
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