湛江海湾大桥桩基成孔困难的原因及解决措施

1、湛江海湾大桥桩基成孔困难的原因及解决措施余锐，洪宝宁，胡昕，范晓秋河海大学岩土工程水利部重点实验室，南京 (210098)；Email：摘 要：针对湛江海湾大桥桩基成孔施工中出现的土体切割困难、钻头磨损严重、“糊钻”以及泥浆循环困难等问题，本文从湛江组(亚)黏土自身性质的角度，分析了问题出现的原因，并提出了相应的解决措施。研究表明：湛江组(亚)黏土的高抗剪强度导致了土体切割困难；湛江组(亚)黏土的石英含量高是引起钻头磨损严重的本质原因；“糊钻”现象可分为黏土吸附和黏土聚积两个不同的力学阶段；调整钻头角度及提高钻机转速能有效的解决“糊钻”问题；提高泥浆护壁的泥浆性能可以减少泥浆中黏土的含量，从而

2、加快泥浆的循环。关键词：湛江黏土，成孔困难，成因，解决措施1. 引言一直以来，解决桩基钻孔施工过程中出现的问题，都是靠现场指挥人员的工程经验和操作人员的熟练程度，从国内外的文献看，鲜有文献对土层中桩基钻孔出现的问题展开探讨。目前一系列标准和规范都是根据岩层硬度和强度制定的，仅从这两个方面考虑，基本能够满足岩石可钻性的要求，但是对土层来说，是远远不够，特别是具有特殊工程性质的土层，其钻进过程相当复杂。对此类土层而言，钻孔不但要考虑土体硬度与强度，还要考虑土体剥离后其特殊工程性质对进一步钻孔和泥浆循环的影响。湛江组（亚）黏土是一种典型的强度高、含水量大和压缩性小的强结构性土1-3。鉴于湛江组（亚）

3、黏土的特殊性，本文主要从湛江组(亚)黏土自身性质的角度，分析了湛江海湾大桥桩基成孔困难的原因，并提出了相应的解决措施，可为同类问题的解决提供借鉴。2. 钻进困难成因分析2.1 工程问题的提出湛江海湾大桥起于湛江市坡头区，于平乐渡口上游 1.3km 处跨越麻斜海湾，终于湛江市开发区乐山大道，全长 3981m，主桥为双塔双索面混合梁斜拉桥，火炬形主塔结构新颖美观，构成湛江市的标志性工程。湛江海湾大桥的建成对加强粤西地区与珠江三角洲地区的经济联系、改善城市规划和促进周边经济发展等都具有重要意义。桩基共涉及各类桩 603 根，桩径从 1.5m2.9m 不等，桩身最长达 104m,采用 QJ-250 回

4、转钻机成孔。在试桩施工及大桥整个桩基础施工过程中，均发现当钻进至亚黏土和黏土层时，钻进成孔变得极为困难。具体表现为：土体切割困难和钻进缓慢；出现“糊钻”现象，导致钻进过程需要频繁提钻、清理；排渣口堵塞等泥浆循环困难；钻头磨损严重。这些问题的出现阻碍了工程进度，加大了施工难度，增加了工程成本。因此，合理地解释这些工工程现象，并提出相应的解决方案，对于保证湛江海湾大桥的施工质量和工程进度是至关重要。2.2 桥址地质条件桥址区为第四季地层所覆盖，基岩埋深超过 250m 以上。在桩基钻孔地层中，主要以灰白色浅灰色的黏土为主、局部夹黄色砖红斑状、稍湿、硬塑坚硬状的黏土，标准贯入试验 N63.51247

5、击，该土层黏性好，土质纯，硬塑坚硬塑状，桥址区典型断面亚黏土和黏土的主要物理力学指标参见表 1。-1-表 1 主要土层物理力学指标名称密度含水率比重孔隙比液性指数塑性指数快剪c固结快剪压缩系数压缩模量-3%/°kPa/-1MPa亚黏土黏土2.112.0017.825.02.722.740.5220.715-0.12-0.0612.319.320.118.959.368.2-0.121812.363.20.1230.12413.3314.47表 2 给出了亚黏土和黏土的粒度分析结果。从表 2 可以看到：桥址区亚黏土和黏土的颗粒粒径极细，以细粉粒和黏粒为主；其中黏粒组（粒径< 5&

6、#181;m）颗粒成分占近 50，粉粒组含量为 30左右。表 2 粒度分析结果>0.050.0050.050.0020.005<0.002亚黏土黏土26%25%26%32%18%23%30%20%2.3 切割土体困难原因分析在岩石可钻性的评价体系中，岩石强度因素主要考虑钻进过程中岩石的内黏聚力抵抗外力的能力。参照该思想，土体快剪强度指标 c 是土体钻进过程中的强度决定因素。表 3 给出了一般地区和湛江组（亚）黏土的强度指标。从表 3 可以看出，与一般地区（亚）黏土层相比，湛江组（亚）黏土的黏聚力指数 c 超过一般黏土的 34 倍，近似于软岩的强度，表明切割该土层要求很高的输出功率。

7、表 3 湛江组（亚）黏土与一般（亚）黏土、岩体的强度指标对比分类一般地区桥址区岩体（V 级）*C (kPa) (°)15301525601001825<100<30表中：“*”GB50218-94，工程岩体分级标准，湛江组（亚）黏土的这种高强度，主要源于土体复杂的地质演化过程、特殊的沉积模式和土粒间超强的黏结力，其中主要是分子黏结力，包括带正电的游离态氧化物与带负电的黏土胶体相互吸引、土粒间利用带正电的边、胶与带负电的挤免的静电吸引，以及粒间胶体的黏结力1-2。另外，湛江组（亚）黏土具有一定的遇水膨胀性3。在钻进过程中，由于黏土遇水膨胀导致钻孔孔径缩小，也增大了钻机转动阻

8、力。2.4“糊钻”原因分析从力学的角度分析，“糊钻”过程可以分为两个阶段。第一个阶段，钻头切割土体时，黏土吸附于钻头上，即黏土吸附阶段。第二个阶段，黏土在钻头上堆积，即黏土聚积阶段。对整个钻进过程而言，这两个阶段并不是时间上的先后，而是对于某个点却有先后承接的关系。 黏土吸附阶段黏土吸附阶段是指钻头切割土体时，黏土吸附于钻头上。这个阶段主要取决于黏土的黏着性、黏土与钻头的接触面积以及钻头的切割角度和钻机的转速。黏土黏着性越强、与钻头接触面积越大以及钻头转速越小，则钻头片吸附现象越严重。在钻机参数一定的条件下，黏-2-g MPa土的黏着性是主导因素。黏土的黏着性受黏土矿物的离子交换能力、孔隙溶液

9、的酸碱度、无机电解质浓度和阳离子种类以及黏土的含水率大小的影响；如高交换能力的蒙脱石比交换能力相对低的高岭石的黏着性高几倍4；另外，PH 值越小、电解质浓度越高、阳离子价越小，黏土的黏着性就越大5。然而，湛江地区水溶液含盐量高，PH 值为 5.6，富含钾离子和镁离子。因而，湛江地区黏土的黏着性很大。 黏土聚积阶段黏土聚积阶段是指黏土吸附钻头后，黏粒或黏团与钻头上的黏粒或黏团，靠黏粒间的黏结力在钻头上堆积，影响钻机钻进的现象，该过程主要受颗粒间黏结力大小的影响。黏土的黏结力是由颗粒间的许多吸引力产生的，可以分为水膜黏结力和分子黏结力。（1）水膜黏结力土粒水膜对相邻球形土粒的单位面积的黏结力公式4

10、f =2óa1 + tan 2 （1）式中， a 为颗粒半径；è 反映含水率的多少，含水率小则è 小； ó 是水分的表面张力。从式（1）可以看出，水膜黏结力与颗粒半径成反比关系，且随含水率的减小而增强，当含水率很低时，又趋于零；但当孔隙 1/4 被填满时，水膜已聚合为一体,单位面积中黏结力将很小。从表 2 可以看出，桥址区的亚黏土和黏土黏粒含量较高，黏土的水膜黏结力很大。（2）分子黏结力分子黏结力包括颗粒间通过范德华力、带负电荷的黏粒表面和正电荷的黏土边角之间的库仑力，以及有机质等胶质在颗粒间产生的黏结力，影响因素有粒径大小、含水率以及胶质的类别。库仑力

11、与粒间颗粒距离的平方成反比、范德华力与粒间颗粒距离的 67 次方成反比。因此，对被剥落黏土来说，此时库仑力和范德华力接近于零，分子黏结力以胶质对颗粒的黏结力为主。（3）黏结力与含水率的关系分子黏结力水膜黏结力SLPLLL含水率图 1 黏结力与含水率的关系曲线5SL 为缩限；PL 为塑限；LL 为液限图 1 给出了随含水率变化，分子黏结力和水膜黏结力的变化曲线。钻头附近土体的含水-3-黏结力 è 率接近于天然含水率。此时，分子黏结力很小，黏结力以水膜黏结力为主。在粒径一定条件下，要降低黏土的黏结性，只有通过减小水分的表面张力即减小结合水膜厚度实现，据此，降低孔隙水中离子浓度，增大 PH

12、 值可以有效的降低黏土的黏结性，减少黏土的聚积力。综上分析，湛江大桥桩基钻孔过程中出现“糊钻”现象，主要是由黏土颗粒细和湛江特殊的水文环境造成的。2.5 泥浆循环困难原因分析泥浆的循环受泥浆的流动性影响；泥浆的流动性受到黏粒含量、黏粒形态、黏土分散度7较高的含盐量，使被剥落的土体快速絮凝，泥浆产生一定的结构力6，泥浆流动性减弱，从而引起不易搅拌、堵塞排渣口等影响泥浆循环的问题。所以，降低泥浆中黏土的含量和增加循环水量可以增大泥浆的流动性，从而加快泥浆的循环。另外，由于湛江组（亚）黏土具有一定的湿化崩解性，土体钻进过程中部分崩解，增加了泥浆中黏土的含量。因此，通过提高泥浆护壁的质量来减少土体的崩

13、解，可以改善泥浆的循环。2.6 钻头磨损严重原因分析钻头磨损严重是土体碾磨系数大的表现。碾磨系数的大小随着坚硬矿物含量的增加、胶结物质强度的降低而增大6。表 4 X 射线衍射分析结果高岭石(%)伊利石(%)石英(%)亚黏土黏土63.572.514.618.621.98.9表 4 给出了黏粒的矿物成分分析结果，从矿物分析试验可以看到，硬度极高的石英在亚黏土中的含量很高；不难理解，在桥址区石英的高含量是钻头的磨损严重的根本原因。2.7 钻进过程描述基于上述分析，可将湛江海湾大桥桩基成孔的钻进过程描述如下：由于很强的胶结特征和较高的石英含量，土体具有较高的抗剪强度和研磨系数，从而引起钻机钻进过程中切

14、割土体困难、钻进速度缓慢、钻头磨损严重。与此同时，由于黏土的强黏着力，黏土吸附于钻头表面，减小了钻头的有效切割，降低了钻机的有效功率，进一步增加了钻进难度。随着钻机的钻进，此时，黏土间的接触面积增大，黏土以单粒对单粒、单粒对黏团及黏团对黏团等方式，靠黏土间的黏结力堆积于被包裹的钻头上，使得刀片上的黏土类似于“滚雪球”不断增大，从而导致“糊钻”现象，必须频繁的提钻、清理，影响了回次进尺长度。另外，由于湛江组（亚）黏土的低分散性和湛江地区特殊的水文环境（地下水中盐含量很高、电解质浓度大、PH 值小），剥落的土体在桩孔中迅速絮凝，强度提高泥浆的流动性差，导致泥浆循环困难。整个钻进过程的力学描述是：土

15、体间的强黏结力导致切割土体困难黏土由黏着力而吸附于钻头黏土由黏结力而聚积于钻头。3. 处治措施-4-和絮凝强度等的制约。湛江组（亚）黏土黏粒含量高且具强带电性以及湛江地区地下水中通过对湛江海湾大桥桩基成孔困难原因的分析，不难发现，要解决这一系列的问题，可采取以下几项措施：(1)土体切割困难和钻头磨损严重问题，可通过提高钻进功率和钻头的标准解决；(2) 为避免“糊钻”现象，可在成孔过程中添加适当的化学物质中和溶液中的酸性或合理设计钻机钻头的外形和大小，减小钻头与土体的接触面积、加大钻机转速，减小钻头的吸附量；(3) 为避免泥浆循环困难，可提高泥浆护壁泥浆的质量以减小泥浆中黏土的含量和增加循环水量

16、以增大泥浆的流动性7。4. 结语通过前面的分析，得到以下几个主要结论。（1）湛江地区桩基成孔过程中遇到的切割土体困难和钻头磨损严重问题，分别是由土体强度很高、矿物成分中石英的富含造成的；通过适当的提高钻进功率和钻头的标准可以解决。（2）“糊钻”现象主要是桥至区黏土细颗粒含量高和湛江特殊的水文环境造成的。通过加快泥浆循环、调整钻头的切割角度以及提高钻头的转速，可以减少“糊钻”现象。另外，添加适当的化学物质，改变电解质浓度、增大溶液 PH 值，也是一种切实可行的方法。（3）泥浆的流动性差造成泥浆循环困难；通过提高泥浆护壁泥浆的质量，减少土体的崩解、塌落,降低泥浆中黏土的含量，降低泥浆的流动性，可以

17、加快泥浆的循环。参考文献1 拓勇飞.湛江软土结构性的力学效应与微观机制研究D. 武汉:中国科学院武汉岩土力学研究所,2004, 6.2 拓 勇 飞 , 孔 令 伟 , 郭 爱 国 , 等 . 湛 江 地 区 结 构 性 软 土 的 赋 存 规 律 及 其 工 程 特 性 J. 岩 土 力学,2004,25(12):1879-1884.3 蔡 羽 , 孔 令 伟 , 郭 爱 国 , 等 . 剪 应 变 率 对 湛 江 强 结 构 性 黏 土 力 学 性 状 的 影 响 J. 岩 土 力学,2006,27(8):1235-1240.4 姚贤良,程云生.土壤物理学M.北京:农业出版社,1983:12

18、6-156.5 B.卡拉切夫,谢尔盖耶夫.结合水和黏性土的黏着性.李生林主编.土中结合水译文集C.北京:地质出版社,1982: 66-76.6 地质矿产部水文地质工程地质司.水文地址钻探工艺部分M.北京:地质出版社,1983:16-30.7 肖伯强.黏土层百米超长桩钻孔施工技术J.施工技术,2005,9(增刊):160-163.-5-Formulation Causes and Solution Measures for Difficulty ofDrilling during Pile Foundation Construction of ZhanjiangBay BridgeYu Rui，

19、Hong Baoning，Hu Xin，Fan XiaoqiuKey Laboratory for Geotechnical Engineering of Ministry of Water Resource，Hohai University，Nanjing (210098)AbstractA series of engineering problems including difficulty of cutting soil mass, graveness of aiguilleabrasion, adhering aiguilles absolutely and difficulty in

20、 circulation of mud occurred in constructionprocess of bored pile in Zhanjiang bay bridge. In view of the above-mentioned problems theirformulation causes were analyzed basing on the characteristic of Zhanjiang group (inferior) clay andsome pertinent solution measures were proposed. The results indicate: the difficulty of cutting so