[科普中国]-护壁泥浆

作用机理

1、对桩端承载力的影响机理

泥浆的一个重要的作用就是桩底清孔，其目的就是为了防止砂粒在孔中沉淀超过设计规定的厚度。如泥浆不能将孔中的钻渣清理干净，孔底就会有过多的沉淀，形成软垫层，这样必然降低桩端承载力，增加沉降，尤其是降低加载初期桩的刚度。

2、对桩侧承载力的影响机理

泥浆在循环的过程中，泥浆中的自由水不断向孔壁渗透，同时泥浆中的土颗粒不断黏附在孔壁表面上，形成一层比较柔韧的黏土膜，抵抗冲刷介质对孔壁的冲刷，起到稳定孔壁、防止坍塌的作用，随着钻孔的加深和循环时间的延长，泥皮也在不断地加厚。泥皮具有渗透能力差、止水性好、抗剪强度低的特点。其影响了混凝土与桩侧土的直接结合，从而降低了混凝土灌注桩的桩侧摩阻力，泥皮愈厚，降低程度越大。

3、对桩身自身强度的影响机理

在混凝土灌注阶段，性能不好的泥浆的液柱静切力对混凝土面上升起阻碍作用，容易造成混浆，即桩身混凝土中夹杂泥浆，从而影响桩身混凝土强度。

操作工艺1．施工平台

（1）场地内无水时，可稍作平整、碾压以能满足机械行走移位的要求。

（2）场地为浅水且水流较平缓时，采用筑岛法施工。桩位处的筑岛材料优先使用黏土 或砂性土，不宜回填卵石、砾石土，禁止采用大粒径石块回填。筑岛高度应高于最高水位 1.5m，筑岛面积应按采用的钻孔机械、混凝土运输浇筑等的要求决定。

（3）场地为深水时，可采用钢管桩施工平台、双壁钢围堰平台等固定式平台，也可采用浮式施工平台。平台须牢靠稳定，能承受工作时所有静、动荷载，并能满足机械施工、人 员操作的空间要求。

2． 护筒

（1）护筒一般由钢板卷制而成，钢板厚度视孔径大小采用4～8mm，护筒内径宜比设 计桩径大100 mm，其上部宜开设1～2 个溢流孔。

（2）护筒埋置深度一般情况下，在黏性土中不宜小于lm；砂土中不宜小于1.5m；其高度尚应满足孔内泥浆面高度的要求。淤泥等软弱土层应增加护筒埋深；护筒顶面宜高出地 面300mm。

（3）旱地、筑岛处护筒可采用挖坑埋设法，护筒底部和四周回填黏性土并分层夯实；水域护筒设置应严格注意平面位置、竖向倾斜，护筒沉入可采用压重、振动、锤击并辅以护 筒内取土的方法。

（4）护筒埋设完毕后，护筒中心竖直线应与桩中心重合，除设计另有规定外，平面允 许误差为50mm，竖直线倾斜不大于1%。

（5）护筒连接处要求筒内无突出物，应耐拉、压、不漏水。应根据地下水位涨落影响， 适当调整护筒的高度和深度，必要时应打入不透水层。1

调制和使用钻孔泥浆的主要性能有泥浆密度、黏度、静切力、含砂率、胶体率、失水率、酸碱度和塑性指数等。泥浆的性能指标是钻孔灌注桩施工的重要工艺指标，每一个性能指标的变化都直接影响到机械钻速、孔壁稳定、孔内净化、钻头寿命和预防孔内事故等一系列的成孔工艺问题，直接影响孔深、孔径、垂直度、泥皮厚度和孔底沉渣厚度等，特别对超长大直径钻影响更显著。要充分发挥泥浆的作用，其性能指标的选取非常重要。

在泥浆性能指标中最主要的是密度指标。泥浆密度的大小决定于泥浆中固相物质的含量和固相的密度。而要保证灌注桩成孔过程中不塌孔，应要求泥浆具有适宜的密度。如果泥浆密度过大，虽能维持钻孔和地层间压力的平衡，维护孔壁的稳定,加大悬浮钻碴的能力，但同时也会造成泥浆中无用固相含量较多，

附着在孔壁的泥皮过厚，而且泥皮疏松，韧性较低，不但会使钻孔缩径，而且会引起孔壁水化崩塌，导致泥皮脱落，致使孔内不能净化，造成清孔困难。有时还会使泥浆泵产生堵塞，使砼的置换产生困难。况且，泥浆中无用固相含量过高时，也会拖曳钻头的钻进，使得岩屑颗粒重复破碎，导致机械钻速下降，同时对管材、钻头、水泵、叶轮等会产生较大的磨损，降低其使用寿命。如果泥浆密度过小，泥浆护壁就容易失去阻挡孔壁土体坍塌的作用，造成坍孔，也会使清孔困难。

（1）护壁泥浆一般由水、黏土（或膨润土）和添加剂按一定比例配制而成，可通过机械在泥浆池、钻孔中搅拌均匀。

（2）泥浆的配置应根据钻孔的工程地质情况、孔位、钻机性能、循环方式等确定，调制好的泥浆应满足要求。

（3）泥浆原料和外加剂的性能要求及需要量计算方法

1）泥浆原料黏性土的性能要求

一般可选用塑性指数大于25，粒径小于0.074mm 的黏粒含量大于50%的黏性土制浆。当缺少上述性能的黏性土时，可用性能略差的黏性土，并掺入30%的塑性指数大于25 的黏 性土。当采用性能较差的黏性土调制的泥浆其性能指标不符合要求时，可在泥浆中掺入Na2CO3 （俗称碱粉或纯碱）、氢氧化钠（NaOH）或膨润土粉末，以提高泥浆性能指标。掺 入量与原泥浆性能有关，宜经过试验决定。一般碳酸钠的掺入量约为孔中泥浆土量的0.1%～ 0.4%。

2）泥浆原料膨润土的性能和用量

膨润土分为钠质膨润土和钙质膨润土两种。前者质量较好，大量用于炼钢、铸造中，钻孔泥浆中用量也很大。膨润土泥浆具有相对密度低、黏度低、含砂量少、失水量少、泥皮薄、 稳定性强、固壁能力高、钻具回转阻力小、钻进率高、造浆能力大等优点。一般用量为水的 8%，即8kg 的膨润土可掺100L 的水。对于黏性土地层，用量可降低到3%一5%。较差的 膨润土用量为水的12%左右。1

3）泥浆外加剂及其掺量

a．CMC（Carboxy Methyl Celluose）全名羧甲基纤维素，可增加泥浆黏性，使土层表 面形成薄膜而防护孔壁剥落并有降低失水量的作用。掺入量为膨润土的0.05%～0.01%。

b．FCI，又称铁木质素磺酸钠盐，为分散剂，可改善因混杂有土、砂粒、碎、卵石及盐分等而变质的泥浆性能，可使上述钻渣等颗粒聚集而加速沉淀，改善护壁泥浆的性能指标， 使其继续循环使用。掺量为膨润土的0.1%～0.3%。

c．硝基腐殖碳酸钠（简称煤碱剂）分散剂，其作用与FCI 相似。它具有很强的吸附能力，在黏性土表面形成结构性溶剂水化膜，防止自由水渗透，能使失水量降低，使黏度增加，

若掺入量少，可使黏度不上升，具有部分稀释作用，掺用量与FCI 相同。两种分散剂可任 选一种。

d．碳酸钠（Na2CO3）又称碱粉或纯碱。它的作用可使pH 值增大到10。泥浆中pH 值

过小时，黏土颗粒难于分解，黏度降低，失水量增加，流动性降低；小于7 时，还会使钻具 受到腐蚀；若pH 值过大，则泥浆将渗透到孔壁的黏土中，使孔壁表面软化，黏土颗粒之间 凝聚力减弱，造成裂解而使孔壁坍塌。pH 值以8～10 为宜，这时可增加水化膜厚度，提高 泥浆的胶体率和稳定性，降低失水量。掺入量为膨润土的0.3%～0.5%。

e．PHP，即聚丙烯酰胺絮凝剂。它的作用为，在泥浆循环中能清除劣质钻屑，保存造

浆的膨润土粒；它具有低固相、低相对密度、低失水、低矿化、泥浆触变性能强等特点。掺 入量为孔内泥浆的0.003%。

f．重晶石细粉（BaSO4），可将泥浆的相对密度增加到2.0～2.2，提高泥浆护壁作用。 为提高掺入重晶粉后泥浆的稳定性，降低其失水性，可同时掺入0.1%～0.3%的氢氧化钠 （NaOH）和0.2%～0.3%的橡胶粉。掺入上述两种外加剂后，最适用于膨胀的黏质塑性土 层和泥质页岩土层。重晶石粉掺量根据原泥浆相对密度和土质情况检验决定。

g．纸浆、干锯末、石棉等纤维质物质，其掺量为水量的1%～2%，其作用是防止渗水 并提高泥浆循环效果。

以上各种外加剂掺入量，宜先做试配，试验其掺入外加剂后的泥浆性能指标是否有所改 善，并符合要求。各种外加剂宜先制成小剂量溶剂，按循环周期均匀加入，并及时测定泥浆性能指标，防 止掺入外加剂过量。每循环周期相对密度差不宜超过0.01。

4）调制泥浆的原料用量计算

在黏性土层中钻孔，钻孔前只需调制不多的泥浆。以后可在钻进过程中，利用地层黏性 土造浆、补浆。在砂类土、砾石土和卵石土中钻孔时，钻孔前应备足造浆原料，其数量可按如下公式计算：

m=Vρ1= (ρ2－ρ3) ×ρ1·V1/ (ρ1～ρ3)

式中

m——造泥浆所需原料的总质量（t）；

V——造泥浆所需原料的总体积（m3） ；

V1--泥浆的总体积（m3）；

ρ1--原料的密度（t/m3）；

ρ2——要求的泥浆密度（t/m3）；

ρ3——水的密度，取ρ3=1t/m3 。

若造成的泥浆的黏度为20~22时，则各种原料造浆能力为：黄土胶泥1~3m3/t ，白土、陶土、高领土3.5~8m3/t，次膨润土为9m3/t，膨润土为15m3/t。1

技术指标（1）比重（亦称相对密度）：1.1～1.3；

（2）粘度：一般地层为16~22秒：松散易坍地层为19～28秒；

（3）含砂率：新制泥浆不宜大于4%；

（4）胶体率：不应小于95%；

（5）PH值应大于6.5。1

性能指标测定方法①相对密度ρx：可用泥浆相对密度计测定。将要量测的泥浆注满泥浆杯，加盖并洗净从小孔溢出的泥浆，然后置于支架上，移动游码，使杠杆呈水平状态（即气泡处于中央），读出游码左测所示刻度，即为泥浆的相对密度。

②粘度η（s）：工地用标准漏斗粘度计测定。用两端开口量杯分别量取200ml和500ml泥浆，通过滤网去大砂砾后，将泥浆700ml均注入漏斗，然后使泥浆从漏斗流出，流满500ml量杯所需时间（s），即为所测泥浆的粘度。

校正方法：漏斗中注入700ml清水，流出500ml，所需时间应是15s，如偏差超过±1s，则量测泥浆粘度时应校正。

③含砂率（%）：工地用含砂率计测定。量测时，把调制好的泥浆50ml倒进含砂率计，然后再倒450ml清水，将仪器口塞紧，摇动1min，使泥浆与水混合均匀，再将仪器竖直静放3min，仪器下端沉淀物的体积（由仪器上刻度读出）乘2就是含砂率（%）。（有一种大型的含砂率计，容积1000ml，从刻度读出的数不乘2即为含砂率）。

④胶体率（%）：亦称稳定率，它是泥浆中土粒保持悬浮状态的性能。测定方法：可将100ml的泥浆放入干净量杯中，用玻璃板盖上，静置24h后，量杯上部的泥浆可能澄清为透明的水，量杯底部可能有沉淀物。以100-（水+沉淀物）体积即等于胶体率。

⑤失水量（ml/30min）和泥皮厚（mm）：用一张120㎜×120㎜的滤纸，置于水平玻璃板上，中央画一直径30㎜的圆圈，将2ml的泥浆滴于圆圈中心，30min后，量算湿润圆圈的平均半径减去泥浆坍平成为泥饼的平均半径（㎜）即失水量，算出的结果（㎜）值代表失水量，单位：ml/min。在滤纸上量出泥饼厚度（㎜）即为泥皮厚。泥皮愈平坦、愈薄，则泥浆质量愈高，一般不宜厚于2~3mm。1

护壁泥浆成孔灌注桩施工钻孔（1）一般要求

1）钻孔前，应根据工程地质资料和设计资料，使用适当的钻机种类、型号，并配备适 用的钻头，调配合适的泥浆。

2）钻机就位前，应调整好施工机械，对钻孔各项准备工作进行检查。

3）钻机就位时，应采取措施保证钻具中心和护筒中心重合，其偏差不应大于20mm。

钻机就位后应平整稳固，并采取措施固定，保证在钻进过程中不产生位移和摇晃，否则应及 时处理。

4）钻孔作业应分班连续进行，认真填写钻孔施工记录，交接班时应交待钻进情况及下

一班注意事项。应经常对钻孔泥浆进行检测和试验，不合要求时应随时纠正。应经常注意土 层变化，在土层变化处均应捞取渣样，判明后记入记录表中并与地质剖面图核对。 5）开钻时，在护筒下一定范围内应慢速钻进，待导向部位或钻头全部进入土层后，方 可加速钻进。

6）在钻孔、排渣或因故障停钻时，应始终保持孔内具有规定的水位和要求的泥浆相对 密度和黏度。

（2）潜水钻机成孔

潜水钻机适用于小直径桩、较软弱土层，在卵石、砾石及硬质岩层中成孔困难，成孔时应注意控制钻进速度，采用减压钻进，并在钻头上设置不小于3 倍直径长度的导向装置，保 证成孔的垂直度，并根据土层变化调整泥浆的相对密度和黏度。

（3）回转钻机成孔

1）回转钻机适用于各种直径、各种土层的钻孔桩，成孔时应注意控制钻进速度，采用 减压钻进，保证成孔的垂直度，根据土层变化调整泥浆的相对密度和黏度。

2）在黏土、砂性土中成孔时宜采用疏齿钻头，翼板的角度根据土层的软硬在30o～60°之间，刀头的数量根据土层的软硬布置，注意要互相错开，以保护刀架。在卵石及砾石层中 成孔时，宜选用平底楔齿滚刀钻头；在较硬岩石中成孔时，宜选用平底球齿滚刀钻头。

3）桩深在30m 以内的桩可采用正循环成孔，深度在30～50m 的桩宜采用砂石泵反循 环成孔，深度在50m 以上的桩宜采用气举反循环成孔。

4）对于土层倾斜角度较大，孔深大于50m 的桩，在钻头、钻杆上应增加导向装置，保 证成孔垂直度。

5）在淤泥、砂性土中钻进时宜适当增加泥浆的相对密度；在卵石、砾石中钻进时应加 大泥浆的相对密度，提高携渣能力；在密实的黏土中钻进时可采用清水钻进。

6）在卵石、砾石及岩层中成孔时，应增加钻具的重量即增加配重。

（4）冲击钻机成孔

1）开孔时应低锤密击，表土为淤泥、细砂等软弱土层时，可加黏土块夹小石片反复冲 击造壁；

2）在护筒刃脚以下2m 以内成孔时，采用小冲程lm 左右，提高泥浆相对密度，软弱层 可加黏土块夹小石片；

3）在砂性土、砂层中成孔时，采用中冲程2～3m，泥浆相对密度1.2～1.4，可向孔中 投入黏土；

4）在密实的黏土层中成孔时，采用小冲程1～2m，泵入清水和稀泥浆，防粘钻可投入 碎石、砖；

5）在砂卵石层中成孔时，采用中高冲程2～4m，泥浆相对密度1.2～1.3，可向孔中投 入黏土；

6）软弱土层或塌孔回填重钻时，采用小冲程lm 左右、加黏土块夹小石片反复冲击， 泥浆相对密度1.3～1.5；

7）遇到孤石时，可采用预爆或高低冲程交替冲击，将孤石击碎挤入孔壁。

（5）冲抓锥成孔与冲击钻成孔方法基本相同，只是起落冲抓锥高度随土质而不同，对 一般松软散土层为1.0-1.5m；对坚实的砂卵石层为2～3m。

（6）钻进过程中的注意事项

1）钻进时应时刻注意钻具和钻头连接的牢固性、钢丝绳的磨损等如有异常应及时处理。

2）大直径桩孔成孔可分级成孔，一般情况下第一级成孔直径为设计桩径的0.6～0.8 倍。

3）在钻进过程中出现钻杆跳动、机架晃动、钻不进尺等异常情况，应立即停车检查， 排除故障；如钻杆或钻头不符合要求时，应及时更换，试钻达到正常后，方可施钻。

4）钻孔完毕，应及时将混凝土浇筑完毕，或及时盖好孔口，并防止在盖板上过车、行 人；钻进过程中应及时清理虚土，提钻时应事先把孔口积土清理干净。

5）钻进成孔过程中应时刻注意土层变化，调整泥浆性能、采用合理的进尺方法，确保 不塌孔、不缩颈。1

清孔（1）清孔分两次进行，钻孔深度达到设计要求，对孔深、孔径、孔的垂直度等进行检查，符合要求后进行第一次清孔；钢筋骨架、导管安放完毕，混凝土浇筑之前，应进行第二 次清孔。

（2）第一次清孔根据设计要求，施工机械采用换浆、抽浆、掏渣等方法进行，第二次 清孔根据孔径、孔深、设计要求采用正循环、泵吸反循环、气举反循环等方法进行。

（3）第二次清孔后的沉渣厚度和泥浆性能指标应满足设计要求，一般应满足下列要求； 沉渣厚度摩擦桩≤300mm，端承桩≤50mm，摩擦端承或端承摩擦桩≤100 mm；泥浆性能指 标在浇注混凝土前，孔底500mm 以内的相对密度≤1.25，黏度≤28s，含砂率≤8%。

（4）不论采用何种清孔方法，在清孔排渣时，必须注意保持孔内水头，防止塌孔。

（5）不应采取加深钻孔深度的方法代替清孔。

钢筋骨架制作、安放（1）钢筋骨架的制作应符合设计与规范要求。

（2） 长桩骨架宜分段制作，分段长度应根据吊装条件和总长度计算确定，应确保钢筋 骨）在移动、起吊时不变形，相邻两段钢筋骨架的接头需按有关规范要求错开。

（3）应在钢筋骨架外侧设置控制保护层厚度的垫块，可采用与桩身混凝土等强度的混 凝土垫块或用钢筋焊在竖向主筋上，其间距竖向为2m，横向圆周不得少于4 处，并均匀布 置。骨架顶端应设置吊环。

（4）大直径钢筋骨架制作完成后，应在内部加强箍上设置十字撑或三角撑，确保钢筋 骨）在存放、移动、吊装过程中不变形。

（5）骨架入孔一般用吊车，对于小直径桩无吊车时可采用钻机钻架、灌注塔架等。起 吊应按骨架长度的编号入孔，起吊过程中应采取措施确保骨架不变形。

（6）钢筋骨架的制作和吊放的允许偏差为：主筋间距±10mm；箍筋间距±20mm；骨架外径±10 mm；骨架长度±50mm；骨架倾斜度±0．5%；骨架保护层厚度水下灌注±20mm， 非水下灌注±10 mm；骨架中心平面位置20mm；骨架顶端高程±20mm，骨架底面高程± 50mm。钢筋笼除符合设计要求外，尚应符合下列规定：

1）分段制作的钢筋笼，其接头宜采用焊接并应遵守《混凝土结构工程施工质量验收规 范》(GB 50204-2002) 的规定。

2）主筋净距必须大于混凝土粗骨料粒径3 倍以上。

3）加劲箍宜设在主筋外侧，主筋一般不设弯钩，根据施工工艺要求所设弯钩不得向内 圆伸露，以免妨碍导管工作。

4）钢筋笼的内径比导管接头处外径大100mm 以上。

（7）搬运和吊装时，应防止变形，安放要对准孔位，避免碰撞孔壁，就位后应立即固

定。钢筋骨架吊放入孔时应居中，防止碰撞孔壁，钢筋骨架吊放入孔后，峰举嚏氧幕涌津阚 筋固定，使其位置符合设计及规范要求，并保证在安放导管、清孔及灌注混凝土过程中不发 生位移。1

灌注水下混凝土（1）灌注水下混凝土时的混凝土拌和物供应能力，应满足桩孔在规定时间内灌注完毕; 混凝土灌注时间不得长于首批混凝土初凝时间。

（2）混凝土运输宜选用混凝土泵或混凝土搅拌运输车；在运距小于200m 时，可采用机动翻斗车或其他严密坚实、不漏浆、不吸水、便于装卸的工具运输，需保证混凝土不离析， 具有良好的和易性和流动性。

（3）灌注水下混凝土一般采用钢制导管回顶法施工，导管内径为200～250mm，视桩 径大小而定，壁厚不小于3mm；直径制作偏差不应超过2mm；导管接口之间采用丝扣或法兰连接，连接时必须加垫密封圈或橡胶垫，并上紧丝扣或螺栓。导管使用前应进行水密承压 和接头抗拉试验（试水压力一般为0.6～1.0 MPa），确保导管口密封性。导管安放前应计算 孔深和导管的总长度，第一节导管的长度一般为4～6m，标准节一般为2～3m，在上部可 放置2～3 根0.5-1.0 m 的短节，用于调节导管的总长度。导管安放时应保证导管在孔中的 位置居中，防止碰撞钢筋骨架。

（4）灌注水下混凝土的技术要求

1）混凝土开始灌注时，漏斗下的封水塞可采用预制混凝土塞、木塞或充气球胆。

2）混凝土运至灌注地点时，应检查其均匀性和坍落度，如不符合要求应进行第二次拌 合，二次拌和后仍不符合要求时不得使用。

3）第二次清孔完毕，检查合格后应立即进行水下混凝土灌注，其时间间隔不宜大于 30min。

4）首批混凝土灌注后，混凝土应连续灌注，严禁中途停止。

5）在灌注过程中，应经常测探井孔内混凝土面的位置，及时地调整导管埋深，导管埋

深宜控制在2～6m。严禁导管提出混凝土面，就要有专人测量导管埋深及管内外混凝土面的 高差，填写水下混凝土灌注记录。

6）在灌注过程中，应时刻注意观测孔内泥浆返出情况，倾听导管内混凝土下落声音， 如有异常必须采取相应处理措施。

7）在灌注过程中宜使导管在一定范围内上下窜动，防止混凝土凝固，增加灌注速度。

8）为防止钢筋骨架上浮，当灌注的混凝土顶面距钢筋骨架底部lm 左右时，应降低混凝土的灌注速度，当混凝土拌和物上升到骨架底口4m 以上时，提升导管，使其底口高于骨 架底部2m 以上，即可恢复正常灌注速度。

9）灌注的桩顶标高应比设计高出一定高度，一般为0.5～1.0m，以保证桩头混凝土强度， 多余部分接桩前必须凿除，桩头应无松散层。

10）在灌注将近结束时，应核对混凝土的灌入数量，以确保所测混凝土的灌注高度是否 正确。

11）开始灌注时，应先搅拌0.5～1.0m3 同混凝土强度的水泥砂浆放在料斗的底部。2