泥炭质土中有机质含量对泥浆性能的影响研究_屈俊童.pdf

合成材料老化与应用2023 年第 52 卷第 1 期101泥炭质土中有机质含量对泥浆性能的影响研究*屈俊童，张 健，周 峰，张 翔，刘关栋，张 超，崔茂俊（云南大学建筑与规划学院，云南昆明 650504）摘要：钻孔灌注桩在特殊地层施工时，泥浆的性能是维持钻孔稳定的关键因素之一。本研究以云南某房地产项目桩基施工使用泥浆护壁钻孔灌注桩为工程背景，进行室内试验配置，探究不同有机质泥炭质土对护壁泥浆比重、粘度、胶体率、失水率、泥皮厚度、pH 值等指标性能的影响。通过试验发现：（1）泥炭质土介质的存在会使得膨润土泥浆产生失水量增大、胶体率降低、泥皮性状变差等不利作用；（2）泥浆“受损”程度受到泥炭质土中的有机质含量的影响，当有机质含量越高时，对护壁泥浆的“不良作用”就越大，使泥浆的各项性能指标发生显著改变；（3）泥炭质土介质下泥浆性能发生改变降低混凝土桩身强度。关键词：泥炭质土；护壁泥浆；有机质含量；泥浆指标中图分类号：TU 411Study on the Eff ect of Organic Matter Content in Peaty Soil on Mud PerformanceQU Jun-tong,ZHANG Jian,ZHOU Feng,ZHANG Xiang,LIU Guan-dong,ZHANG Chao,CUI Mao-jun（Architecture and Planning College,Yunnan University,Kunming 650504,Yunnan,China）Abstract:Mud performance is one of the key factors to maintain the stability of bored pile in special stratum construction.Based on the construction background of pile foundation in a real estate project in Yunnan Province,this study conducts laboratory test confi guration to explore the eff ects of diff erent organic peaty soils on the specifi c gravity,viscosity,colloid rate,water loss rate,mud thickness,pH value and other indicators of wall protection mud.The results show that:(1)the adverse eff ects of the presence of peat-based clay medium mainly include the increase of water loss,the decrease of colloidal ratio,and the deterioration of mud properties.(2)The damage degree of mud is aff ected by the content of organic matter in peaty soil.The higher the content of organic matter is,the greater the adverse eff ect on the wall protection mud is,which signifi cantly changes the performance indexes of mud.(3)The strength of concrete pile is reduced by the change of mud performance under peaty soil medium.Key words:peaty soil;retaining wall mud;organic matter content;mud index*基金项目：云南省教育厅科学研究基金项目（2019J0024）。作者简介：屈俊童，博士，教授，研究方向：岩土工程及工程抗震理论与研究。泥浆护壁法被广泛地应用于钻孔灌注桩的施工，护壁泥浆的性能直接关系到成桩的质量，影响工程质量。因此在特殊地质施工时，要充分考虑不良地质条件对护壁泥浆的影响，因地制宜配置不同性能的泥浆1。随着全国工程技术的进步，诸多基础设施的建设不可避免地涉及到泥炭质土、泥炭土地带。泥炭质土与普通土的微观结构相异,泥炭质土的土体颗粒结构是有机质加矿物质成分组合而成，且形式多样。刘敏2、徐其富3等人充分的研究泥炭质土的性质以及微观结构，对泥炭质土而言，与其他土体（诸如软土、黏土）相比最大的特征是其中有机质成分含量非常高。泥炭质土中众多微观水分子大量储存于其有机质以及土体细小颗粒结合形成的结构架空骨架结构类型中，导致其天然含水率高（甚至高于 200%及以上）的特性性状4-6。泥浆护壁灌注桩是目前基础施工的主要形式之一。陈维超等7利用有限元方法研究了地层土体因素对桩孔壁稳定性的作用；吴鹏等8研究了灌注桩护壁泥浆的作用机理；徐奋强等9考虑了护壁泥浆的工作效应模式、泥浆配比等因素对桩孔深的影响。综上，现有研究中对泥浆性能在泥炭质土地层中的研究较少。鉴于此，本文研究泥炭质土及不同有机质含量泥炭质土对普通膨润土泥浆性能的影响，为后期工程实践提供参考。1 工程概况和技术要求1.1 工程概况云南某房地产开发项目地处横断山脉南端，地形东高西低，总建筑面积 18 万 m2，建筑高度 79.2m，基础施工采用泥浆护壁钻孔灌注桩。拟建场地中泥炭质土：土层呈软塑状态，局部处于流塑状态。天然孔隙比 e=1.847.86，平均值 e=4.06；压缩模量Es=0.83.6 MPa，平均值Es=1.5MPa；标准试验锤击数N=9.06.1击，平均 N=4.8 击；压缩系数 100-200=1.019.87 MPa，平均值100-200=4.10MPa。整个场地分布均匀，属欠固结土，具有高孔隙率、高压缩性和灵敏性的特点。DOI:10.16584/ki.issn1671-5381.2023.01.031102屈俊童 等 泥炭质土中有机质含量对泥浆性能的影响研究1.2 工程护壁泥浆技术要求工程施工要求泥浆性能指标：根据 GB 51004-2015建筑地基基础工程施工规范10，护壁泥浆的制备应符合规范要求，见表 1。表 1 泥浆性能指标Table 1 Mud performance index项目性能指标检验方法比重1.101.15泥浆比重计粘度黏性土1825 s漏斗法砂土2530 s胶体率95%量杯法失水量30(mL30min-1)失水量仪泥皮厚度13 (mmmin-1)失水量仪pH 值79pH 试纸2 护壁泥浆试验材料试验采用膨润土和水按一定比例配置成基浆，并在基浆中加入增粘剂和分散剂，来改善泥浆的性能参数。2.1 膨润土膨润土是一种以蒙脱石为主要构成的物质，其中蒙脱石是一种晶层面有过剩的负电荷的含水层状铝硅酸盐，在微观构成中可以与诸多极性离子反应，产生层间静电场11。微观的蒙脱石层间晶胞结构遇到水分子类物质后凸显电性，且相同的负电荷与负电荷相互作用，相互远离，使蒙脱石具有助悬浮功能。试验采用四川钠基膨润土，其指标见表 2。表 2 钠基膨润土指标Table 2 Sodium bentonite index指标pH 值 二氧化硅(SiO2)三氧化二铝（Al2O3）氧化钾（K2O）烧失量指标值8.564.36%16.64%1.57%9.22%2.2 泥浆增粘剂试验采用羧甲基纤维素钠（CMC）作为护壁泥浆的增粘剂，CMC 增粘剂为亲水性高分子材料，可以起到防止钻孔桩孔壁坍塌、扩孔、缩孔等问题12。具体指标见表 3。表 3 羧甲基纤维素钠指标Table 3 Index of sodium carboxymethyl cellulose指标名称颜色丙酮不溶物酸值过氧化值指标值白色97.1%28.1mgg-1 9.0%2.3 泥浆分散剂试验采用碳酸钠（纯度大于 98%）作为护壁泥浆的分散剂，碳酸钠可在钠基膨润土微粒表面形成双分子层结构，增加膨润土粒子与水结合13。通过控制碳酸钠的加入量可以改善泥浆作用环境 pH 值。2.4 泥炭质土由于泥炭质土的构成和形成的复杂性，不同有机质含量对于试验的结果也不相同。本文多次取土，并对有机质含量进行测定，最终选取三组有机质含量适合的土样。1 号泥炭质土取自昆明巫家坝地区，2 号土样取自昆明市滇池宜城，3 号土样取自云南省昆明市广卫物流城。2.4.1 灼矢量法检测泥炭质土有机质含量将上述三组土样按照岩土工程勘察规范14中推荐的灼矢量法进行有机质含量测定：将取回来的五袋土样充分搅拌均匀后，在每袋土样中各取两份试样，共计10 份，分别放入盒中。将盒至于烘箱内在 6570 的恒温下烘至恒量后，放入干燥器内冷却至室温。将烘干土样放在橡皮板上用木槌碾散，用四分法选取代表性试样，将试样通过孔径 0.5mm 的筛，然后将筛后样品充分搅拌均匀，分别称取 3.0005.000 g 烘干土样记为 m1，放入瓷坩埚中，置于高温炉内，在温度 550 下烧灼至恒量后，置于干燥器内，冷却至室温，称剩余样土质量m2，准确至 0.001g。计算有机质含量。有机质含量测定结果见表 4。表 4 试样有机质含量Table 4 Organic matter content项目1 号土2 号土3 号土试样一46.21%32.32%25.13%试样二45.19%31.43%25.87%试样三44.24%32.83%24.33%均值45%32%25%2.4.2 控制泥炭质土粒径为尽可能地控制单一变量，探究不同有机质含量泥炭质土对膨润土泥浆性能的影响效果，需将取回的泥炭质土，先用研磨器进行研磨。再通过土筛筛选拥有相同颗粒级配的泥炭质土进行试验，避免因颗粒级配等因素产生影响。本试验选择通过 0.5mm 套筛的泥炭质土。3 不同有机质泥炭质土护壁泥浆配置试验3.1 泥炭质土介质中泥浆基样制备本试验采用四川钠基膨润土、工业碳酸钠、羧甲基纤维素钠和水配置泥浆，并且按照 2：8 的土水质量比制作泥炭质土浸泡滤液。本试验选定 4 个因素进行正交设计，其中 A 为四川钠基膨润土，B 为工业碳酸钠，C 为羧甲基纤维素钠，D 为泥炭质土浸泡滤液（泥炭质土选用有机质含量32%）。其中 A、D 因素的单位均表示相对于总溶液的相对含量，单位为%；B、C 的单位为 g，按照比例配置1L 的溶液15。水平因素的正交设计表见表 5。表 5 正交设计表Table 5 Orthogonal design table水平A/%B/gC/gD/%17000280.10.510390.21.0204100.31.530通过前期的配置试验，如果直接在配置时加入 B、C 的粉末，则溶液不易搅拌均匀，并且在量稍大时易絮凝，对试验结果产生很大影响。故为使得 B、C 粉末能充分与膨润土溶液充分反应，应提前将各个组分按照 15%的浓度用常规淡水配置成溶液，充分搅拌使其溶解再进行配置。试验水源取自自来水，温度为常温。3.1.1 正交试验数据根据所得到的正交试验表按照上述方法依次配置膨润土泥浆，并对配置的泥浆进行测定，数据见表 6。合成材料老化与应用2023 年第 52 卷第 1 期103 表 6 正交试验结果Table 6 Orthogonal test results膨润土质量百分比碳酸钠质量/gCMC质量/g泥炭质土滤液%失水量/mL泥皮厚度/mmpH 值 粘度/s胶体率%比重70.00.00.041.92.68.122.572.01.0670.10.510.036.62.48.325.674.01.0970.21.020.031.22.28.629.175.01.1070.31