吴民桢
广西建工集团第四建筑工程有限责任公司
摘要：随着社会的快速发展，建筑工程也呈现多样化的趋势，各种各样复杂的建筑项目开始出现，为了满足建筑质量，需要具备相应的施工技术，钻孔灌注桩便广泛应用在建筑桥梁等建设当中。本文将概述G3护壁剂材料性质，探讨护壁剂在软土钻孔灌注桩工程的作用，并研究G3护壁剂在软土钻孔灌注桩工程中的应用，以此证明G3护壁剂在软土钻孔灌注桩工程中的效果。
关键词：软土地层；钻孔灌注桩；G3护壁剂
引言：钻孔灌注桩具有单桩承载力高、造价低廉、节约钢材、成桩速度快、适用范围广等特点，而软土地层是钻孔灌注桩施工中的重难点，结合地质条件，采用护壁剂来维持孔壁的稳定性是非常有必要的。
1G3护壁剂概述
G3护壁剂多应用于桩基、隧道等工程的土壤稳定作业之中，其有PolyMud、AlfaBond和MicroBond三种聚合物组成，再结合施工现场的实际地质情况调整护壁泥浆配比，以确定最符合工程项目的配比。其中PolyMud是长链碳分子聚合物制剂，能够完全溶于水。聚合物的电荷在连续介质中快速水合，并从水合的瞬间便构建3D矩阵，搅拌几分钟后便可投入使用。而且土壤颗粒中存有较高浓度的负电荷，聚合物交联链基体与土壤之间很容易通过正电荷与其发生相互作用，进而提升溶液与土壤的粘度。API马氏漏斗粘度测定值可打60～70s，对氯、钙、镁、碳酸钙等离子具有较强的稳定耐受力。这些特性决定了PolyMud可以使混凝土与土壤之间产生更强的表面摩擦，提升灌注桩承载力。
AlfaBond是一种液态聚合物，其与PolyMud相互结合，能够促进聚合物链状体系与土壤颗粒的结合，桥接链条并收紧网络，让泥浆和土壤互相桥接，提高土壤本身的凝聚力并提高浆液黏度，进而提高固体颗粒的悬浮能力，促进土壤和泥浆紧密融合，使土壤更加稳定。
MicroBond也是一种液态聚合物，其效果是增强PolyMud和AlfaBond聚合物分子中阴离子与缔合基团进一步结合，使聚合物水合后形成的三维链状体系更加稳定，尤其是在软土和其他复杂地层的应用中。并且MicroBond也是后浆液清洁的催化剂，在发生固体沉降时，此聚合物链就会比泥浆柱的其他部分重，使得悬浮岩土或沙尘颗粒更容易被携带分离。
2护壁剂在软土钻孔灌注桩工程中的作用
2.1护壁剂的作用
护壁剂在软土钻孔灌注桩工程中主要有四点作用。首先是在钻孔过程中，孔底部难免会产生沉渣，若沉渣积累过多将对后续混凝土灌注产生影响，降低灌注桩的承载能力。而护壁剂本身的粘度和流动性都可以使其具有较好的携带效果，将钻孔中产生的泥沙和沉渣置换处理。其次，护壁泥浆能够平衡孔内压力，保持孔壁的稳定性，一些优质的护壁剂还能够平衡地下水和土体的压力，使孔壁形成一层致密泥层，进一步提高孔壁的稳定性，降低孔壁坍塌、孔径扩大等问题发生的概率。之后是泥浆本身的流动性，可以充当钻头的冷却液和润滑液，提高钻孔效率。最后，在钻孔结束后，需要灌注混凝土成桩，这压球泥浆必须具有良好抗混凝土能力，也要长时间保持流动状态，而护壁剂恰巧具备此特点，可以保障孔壁的稳定性，提高成桩效率[1]。
2.2护壁材料的选择
护壁泥浆需要考虑稳定性、比重、粘度、触变性四种特点，而市场上的泥浆主要有不分散低固相泥浆、无固相聚合物泥浆、植物胶泥浆、综合性泥浆四类。
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现阶段大多数工程采用的都是以膨润土为主要成分的不分散低固相泥浆，在清孔、携带沉渣、增大钻进效率方面具有优点。不过，软土钻孔灌注桩工程更需提高灌注桩的稳定性和粘度，不分散低固相泥浆需要添加的外用剂较多，在改善泥浆性能方面并不显著。而G3护壁剂中三种聚合物可以迅速与土壤、其他聚合物形成桥接，极大地改善土壤断面和构造颗粒之间的作用力及内聚性，能够为钻孔施工提供更可靠的稳定性。因此，在软土钻孔灌注桩的工程中，选用G3护壁剂作为护壁泥浆，其他土层钻孔灌注桩依然可使用膨润土作为护壁泥浆。
3G3护壁剂在软土钻孔灌注桩工程中的应用
3.1施工情况
钻孔灌注桩工程从基桩定位开始，通过全站仪进行桩位放线工作，确定桩位后进行护筒埋设。护筒的直径必须大于桩径，并尽量低于200mm，安装过程要保证护筒的垂直度，将误差控制在1°以内，并保证护筒中心偏差小于30mm，护筒的长度和埋设深度根据软土土质实际情况进行调整。
在基桩定位后，埋设护筒的同时就可以进行护壁泥浆的制备。护壁泥浆对于钻孔施工的作用毋庸置疑，其性能质量也将成为施工质量的保证。为了确保泥浆制备的质量，必须严格按照泥浆制备的规范标准进行，在制作阶段，聚合物、膨润土等材料需要全部打碎成粉，不允许出现块状，保障泥浆材料水合搅拌时可以混合均匀，形成良好的悬浮状胶体。G3护壁剂的制备需由专业人员负责，全程管控泥浆的质量，并根据地层情况，及时调整泥浆制作参数[2]。
护筒埋设成功后，桩机准备进行钻孔施工，需保证钻机的钻头中心与桩位中心处在同一直线上，水平偏差低于18mm，垂直度偏差小于1°。固定好位置后，还需加固稳定，避免钻机在钻进过程中发生位移或沉陷，降低成孔质量。开始钻孔前需根据设计方案和地质勘探报告来确定钻孔参数，以此保证钻孔过程中泥浆的供给。当钻出护筒深度时，需按照拟定参数钻进，并结合地层的实际变化情况，及时调整泥浆指标。
当成孔检验合格后便可进行第一次清孔，清理沉渣，为后续混凝土灌注提供支撑。在钢筋笼安装后应下设导管，在安装导管时也要避免导管对孔壁造成破坏。导管下设完毕，混凝土灌注前进行二次清孔。并且还需要测量孔底500mm泥浆性能是否符合设计标准，若未达到要求，需再次进行清孔，直至各项指标合格。最后便可进行混凝土灌注。
3.2泥浆质量控制
护壁泥浆是孔壁稳定的关键，主要由泥浆液柱压力和渗透胶结作用所影响。前者需要通过调整G3护壁剂的聚合物比重来增强护壁剂比重，也就是增加液柱压力。而后者则是通过液柱压力使泥浆与土压力形成一个压差平衡，进而促进护壁剂渗入土体，与土壤中颗粒胶结。
G3护壁剂在整个施工过程中都需要进行控制。制备泥浆时，要对各项性能指标进行测定，确保其在可控的范围内，新配制的护壁剂在使用前需存放24h，补充泥浆也需对泥浆进行搅拌，确保护壁剂成分均匀。通常来说在混凝土浇筑前泥浆参数API马氏漏斗黏度计测定的G3护壁剂的平均黏度应大于50s，密度小于1.10g/cm2，含沙量低于3%。在施工过程中需对孔内的G3护壁剂进行控制，使护壁泥浆液面与地下水液面差不得低于5m，钻孔过程中，还需对泥浆液面进行监测，避免软土地层出现泥浆漏液，造成压力下降，最终影响孔壁的稳定性。而在雨天施工时，必须要采取处理措施来防止雨水渗入孔内，非必要情况下尽量不要在雨天施工。成孔完成后，要及时清理孔内残留的护壁剂，使用过的泥浆需进行清理。灌注过程中，混凝土置换出的泥浆也需对其进行测定，并对这类泥浆进行过滤调整，使其符合标准后能够重复利用。不符合标准的泥浆需排放至废浆池中。另外，若G3护壁剂是循环使用，其性能会有所下降，在循环过程中必须要补充优质泥浆，使孔壁具有良好的稳定性[3]。
G3护壁剂的最佳配合比需要由钻孔灌注桩施工项目中最难施工的地层决定，大部分软土地层的地下水丰富、土质松散，因此主要考虑的易坍塌地层的配合比，在设定好护壁剂配合比后，需结合土样、地下水环境、施工方式，选择除G3护壁剂外其他添加剂，对配合比进行修正。例如在土体强度较弱的冲积层施工时，就要注意该土层特征为卵石夹杂粉砂，需要适当增强泥浆黏度和比重，也可以加入适量锯末粉提高黏性。为保证软土层钻孔灌注施工的顺利开展，需要对G3护壁剂的性能指标进行实时检测和调整，通过科学合理的管控方法来降低施工事故发生的概率，避免风险隐患。并且对G3护壁剂测量所得到的数据可以为施工提供准确指导，及时调整钻进参数，提高钻进效率。在施工过程中对成孔后各个阶段的泥浆性能进行测定，记录数据。
3.3桩身参数
对所有使用G3护壁剂和膨润土作用下的桩进行了严格的质量控制，并对浇筑前后的泥浆参数进行了评定，使所有参数都符合施工规范要求，在不影响施工周期的基础上，保证桩身的最大完整性。并对不同土层进行了荷载试验，从桩表面的侧向摩阻力以及混凝土与土壤粘结作用来判断泥浆的性能。
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如表2所示，可以明显看出G3护壁剂的灌注桩单桩承载力的均值比膨润土泥浆护壁更高，说明了G3护壁剂技术可以极大地提升单桩承载力。
3.4护壁稳定性
在使用膨润土作为软土钻孔灌注桩施工时，大多数桩施工时都能够符合要求，但在进行岩石取芯时，经常发生塌壁现象从而影响钻岩取心的正常实施，需要将套管延伸进行修补，导致施工质量降低，而且还增加了施工成本，延长施工周期。而使用G3护壁剂，可以缩短临时导向套管的长度，能够降低套管振动对土层的干扰，降低了桩孔壁坍塌的概率。并且G3护壁剂在钻孔中有着良好的护壁稳定性和桩几何外形，减少桩施工中的超挖现象。此外，G3护壁剂技术不会产生大量泥浆，带来的环境污染较低，符合建筑施工可持续发展的理念，为施工现场的文明卫生提供支撑[4]。
而在经济方面，需要考虑G3护壁剂与膨润土泥浆的本身价格，混凝土灌注用量以及施工方面的经济效益。首先是G3护壁剂与膨润土泥浆的本身价格，G3护壁剂采用新型聚合物原材料，价格高于膨润土泥浆。然后是混凝土灌注量，G3护壁剂的实际用量为理论用量的1.11倍，超挖量则为实际工程量的0.11。而使用膨润土泥浆，实际混凝土用量为理论用量的1.53倍，超挖量更是实际工程量的0.58倍。相比较而言，G3护壁剂比膨润土泥浆更具优越性。最后是施工方面处理效益，使用膨润土泥浆所开挖出的土体会受到严重污染，需要清运弃土，而在潮湿状态下的膨润土仍有一定程度的膨胀率，所需要处理的弃土比挖出的土体更多。而使用G3护壁剂，弃土可以在干燥条件下运离场地，需要的车辆也有所减少。可以证明，在软土钻孔灌注桩的施工中，G3护壁剂比膨润土泥浆具有更高的经济效益的社会效益，更有利于施工的稳定性和施工企业的利润获取。
结论：综上所述，本文对G3护壁剂的性能进行了分析，深入了解了G3护壁剂的护壁机理，并对其在软土钻孔灌注层的应用进行了研究，在确保G3护壁剂性能指标、泥浆最优配合比，并能够科学管控G3护壁剂质量，可以证明G3护壁剂的效果更佳，对复杂地质条件和土层结构的护壁处理更优，能够有效提高软土钻孔灌注桩工程的施工质量，保障孔壁的安全稳定。
参考文献：
[1]Jorge A.Capital-Mor,傅玉龙,欧阳牧虎,等. G3护壁剂技术在软土钻孔灌注桩工程中的应用[C]. 第十三届建筑物建设改造与病害处理学术会议暨土木建筑专业委员会三十周年纪念活动论文集.2021:268-271.
[2]程习刚.泥浆护壁钻孔灌注桩施工质量控制及通病防治[J].建筑技术,2020,51(07):881-883.
[3]齐高武.浅析泥浆护壁法钻孔灌注桩施工工艺[J].居舍,2019(23):63.
[4]朱福建.复杂地层深孔钻探泥浆护壁技术分析[J].中国高新科技,2019(08):12-14.