正反循环钻泥浆施工

3.泥浆
3.1泥浆的作用及性能要求
1.泥浆的作用
（1）在钻孔中，泥浆在孔壁形成一层泥皮，阻隔孔内外渗流，保护孔壁免于坍塌。

（2）外泥浆可悬浮钻渣，使钻进正常进行。

2.泥浆性能要求
（1）在各种方法钻进中，泥浆起的作用不完全一样，对泥浆性能的要求也不相同。

对于正循环回转钻，既要求它有一定的浮悬钻渣能力，又要求它能很容易的流动产生上升流速。

过稠的泥浆浮悬钻渣的能力较高，但不易被泥浆泵压入钻杆底后上升流动，流出孔口后进入泥浆池又不易沉淀、净化、循环使用。

（2）泥浆的主要性能
1）相对密度：泥浆的相对密度是泥浆与4℃时同体积水的质量之比。

泥浆的相对密度增大时，在钻孔中对孔壁的侧压力也相应增大，孔壁也越趋稳定，悬浮携带钻渣的能力也越大。

然而，相对密度过大的泥浆，其失水量亦加大，孔壁上的泥皮也增厚，这就增加了泥浆原料的消耗，而且会给清孔和灌注混凝土造成困难。

另外，泥浆相对密度的加大，意味着泥浆中固体颗粒含量加大，这就会对钻具产生较大的磨损，更重要的是降低了钻进速度，在正、反循环回转钻进中，泥浆相对密度过大，降低钻进速度更为敏感。

2）粘度：粘度是液体或混合液体运动时，各分子或颗粒之间产生的内摩擦力。

粘度大的泥浆，产生的孔壁泥皮厚，对防止翻砂、阻隔渗漏有利，对悬浮携带钻渣的能力强，对正循环回转钻进有利。

但粘度过大，则易“糊钻”，影响泥浆泵的正常工作，增加泥浆净化的困难，进而影响钻进速度。

粘度过小，钻渣不易悬浮，泥皮薄，对防止翻砂、渗漏不利。

3）静切力：静切力是静止的泥浆，受外力开始流动所需的最小的力，又称滑动静应力，它表示泥浆结构的强度，以破坏1cm2面积上的泥浆颗粒结构所需的力表示。

泥浆静切力要适当：太大则流动阻力大，流往沉淀池的泥浆中的钻渣不易沉淀，影响净化速度，使泥浆
相对密度过大，钻进速度降低；太小则悬浮携带钻渣效果不好，钻进速度也会降低，若因故停钻时，钻渣易下沉，造成积渣埋钻事故。

4）含砂率：含砂率是泥浆内所含的砂和粘土颗粒的体积百分比。

泥浆含砂率大时，会降低粘度，增加沉淀，容易磨损泥浆泵和水管摇头、钻锥等钻具；停钻时易造成埋钻、卡钻事故。

5）胶体率：胶体率是泥浆静止后，其中呈悬浮状态的粘土颗粒与水分离的程度，以百分比表示，胶体率高的泥浆，粘土颗粒不易沉淀，悬浮钻渣的能力高，否则反之。

故正循环回转钻进的泥浆需要较高的胶体率。

6）失水率：失水率又叫失水量或渗透量，是泥浆在钻孔内受内外水头压力差的作用在一定时间内渗入地层的水量，以mL/30min为单位。

泥浆的失水率越小，则它的胶体率越大。

失水率小的泥浆有利于巩固孔壁和保护基岩（特别是遇水软化的泥质页岩）；失水量过大的泥浆，形成孔壁泥皮过厚而使钻孔直径缩小，在泥岩地层易造成其遇水软化，地层膨胀而坍孔。

故泥浆的失水率越小越好。

7）酸碱度：以pH值表示，pH值等于7时为中性泥浆，小于7时为酸性，大于7时为碱性。

pH值一般以8～10为适当，这时粘土颗粒可进行分散，水分子进入粘土内部使其膨胀，颗粒表面形成一层吸附性水化膜（又称束缚水），相当于增加了泥浆中的固相成分，使失水率小，能较快形成薄而坚韧的泥皮，因此这种泥浆固壁性能好。

水化膜还可阻止粗土颗粒粘结在一起而沉淀，因而增加了泥浆的稳定性和胶体率。

如pH过小时，失水率也会急剧上升；若pH值过大，则泥浆滤液将渗透到孔壁的粘土中，使孔壁的表面软化，粘土颗粒之间的凝聚力减弱，造成裂解而使孔壁坍塌。

（3）调制钻孔泥浆及经过循环净化的泥浆主要性能指标可参考表7-33。

表7-33 泥浆性能指标要求
注：①地下水位高或其流速大时，指标取高限，反之取低限；
②地质较好、孔径或孔深较小时，指标取低限，反之取高限；
③在不宜坍塌的粘性土层中，使用推钻、冲抓、反循环回转方法钻进时，可用清水提高水头（≥2m）维护护壁。

④对遇水膨胀或易坍塌的地层如泥页岩等，其失水率应小于（3mL～5mL）/30min；
⑤相对密度是泥浆密度宜4℃纯水密度之比。

3.2泥浆的制备
1.材料种类
（1）粘土
一般可选塑性指数大于25，粒径小于0.074mm的颗粒含量大于50%的粘性土制浆。

当缺少上述性能的粘性土时，可用性能略差的粘性土，并掺入30%的塑性指数大于25的粘土；粘土以水化快、造浆能力强、粘度大的膨润土或接近地表经过冻融的粘土为好，但应尽量就地取材。

调制泥浆的粘土应符合下列要求：
1）自然风干后，用手不易掰开捏碎；
2）干土破碎时，断面有坚硬的尖锐棱角；
3）用刀切开时，切面光滑，颜色较深；
4）水浸湿后有粘滑感，加水和成泥膏后，容易搓成1mm的细长泥条，用手指揉捻，感觉砂粒不多。

浸水后能大量膨胀。

5）胶体率不低于95%。

6）含砂率不大于4%。

7）制浆能力不低于2.5L/kg。

（2）膨润土
膨润土分为钠质膨润土和钙质膨润土两种，前者质量较好，在钻孔泥浆中用量较大。

膨润土泥浆具有相对密度低、粘度好、含砂量少、失水率小、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膨润土可掺100kg的水。

对于粘质土地层，可降低到3%～5%，较差的膨润土用量为水的12%左右。

（3）处理剂
常用处理剂的分类和用途见下表。

常用泥浆处理剂的分类和用途
1）分散剂：能够提高泥浆中黏土颗粒的负电荷，置换有害离子或使其惰性化，从而起到提髙黏土颗粒吸附水分子的能力、增加水化膜的厚度、分散黏土颗粒、保持泥浆稳定性的作用。

除钠质膨润土泥浆外，新制泥浆一般都需加分散剂，否则泥浆的稳定性和黏度都难以满足要求。

分散剂还可以使因受钙离子等阳离子污染而性质变坏的泥浆再生。

分散剂有以下几类：
①FCI：又称铁铬木质素磺酸盐，为分散剂，可改善混杂有土、粉砂、混凝上及盐分等而使稳定液变质的性能，可使钻渣颗粒聚集而加速沉淀，既达到重复使用的目的又具有高质量性能。

②硝基腐殖酸钠盐（简称煤碱剂）。

它是由褐煤中提炼出来的腐殖酸用硝酸和氢氧化钠处理后的东西，其作用与FCI相似。

它具有很强的吸附能力，在粘土颗粒表面形成结构性溶剂水化膜，阻止自由水渗透，使失水量降低，但粘度增加。

若掺入量少可使粘度不上升，具有部分稀释作用。

③碳酸钠（Na2CO3）又称碱粉或纯碱。

它的作用可使pH值增大，使粘土颗粒进行分散，粘粒表面负电荷增加，为粘土吸收外界的正离子颗粒提供了条件，可增加水化膜厚度，提高泥浆的胶体率和稳定性，降低失水率。

2）增黏剂：增黏剂可以增加泥浆的黏度和屈服值，改善泥浆的胶体性质，减少失水量，提高对钻渣的悬浮能力和固壁效果，并能防止水泥和盐分污染。

常用的增黏剂有以下几类：
①CMC，即羧甲基纤维素。

具有使地基土表而形成薄膜而使之强化和降低失水率的作用。

②PHP ，即聚丙烯酰胺絮凝剂。

它的作用是使泥浆中的钻渣能成为不分散的絮凝状态，因而泥浆循环到井孔外泥浆池中时，易于被清除出去，从而使泥浆能保持不分散的低固相、低相对密度、低粘度的优良性能。

3）加重剂：加重剂，用以增加泥浆的相对密度。

它们是：
①重晶石，即硫酸钡；
②方铅矿；
③珍珠岩；
④石灰石等。

4）防漏剂：防漏剂的作用是堵塞地层中的大孔隙和渗漏通道，防止泥浆大量漏失。

常用的防漏剂有水泥、黏土、水玻璃（硅酸钠）、珍珠岩、纸屑、纤维、锯末、稻草等。

水玻璃一般呈黏稠状半透明水溶液，其浓度用玻美度°Be′表示。

玻美度与密度ρ的关系为：
'
︒-=Be 145145ρ （7-28） 水玻璃中氧化钠与二氧化硅的克分子比值称水玻璃的模数，施工用水玻璃的模数一般为2.0～3.2，模数低的水玻璃化学活性、可溶性和相对密度均较大。

2.泥浆的调制
（1）制备原则
1）应根据地基条件和施工方法来确定泥浆的制备方案。

2）泥浆的原材料、配合比和配制方法应通过试验确定。

3）在泥浆性能满足使用要求的前提下，应尽可能选择成本低、效率高且便于管理的制备方案。

（2）制备步骤
1）调查分析地基和施工条件，掌握易塌地层的特性和施工对泥浆的要求。

2）调查料源（料场），选定泥浆材料和外加剂。

3）针对上述条件，确定泥浆的黏度、密度等基本性能指标。

4）拟定泥浆的基本配合比。

5）进行配制试验，调整配合比。

6）进行制浆工艺试验，确定配料程度、搅拌方法和搅拌时间。

7）拌制并储存施工用泥浆。

3.泥浆配制
（1）黏土泥浆的配制
1）确定单位体积泥浆用土量
在确定了泥浆的密度后，可按下式计算单位体积泥浆的黏土用量：
w
s w c c m ρρρρρ--=)( （6.2-4） 式中： m ——配制泥浆所需黏土的质量（t ）；
ρc ——黏土的密度（t/m 3）；
ρs ——所配制的泥浆的密度（t/m 3）；
ρw ——水的密度（t/m 3）。

2）拌制黏土泥浆
目前拌制黏土泥浆大多仍用2m 3或4m 3卧轴式搅拌机，实际搅拌体积一般小于额定容积，搅拌顺序是：
①向搅拌机内注入定量的水，加水量应扣除土中的含水率；加水宜采用自动化的计量方法，以确保加水准确。

②开动搅拌机，向机内投放定量的黏土，并同时加入定量的碳酸盐钠。

③搅拌30min 左右后，取样测试泥浆的黏度。

④继续搅拌，并每隔5min 测试一次泥浆粘度，若两次测量的数值不变，则泥浆制成。

据此来确定以后泥浆的搅拌时间，搅拌好的泥浆需经过一个0.77mm 的筛网放入储浆池中。

（2）膨润土泥浆的拌制
1）使用膨润土配制泥浆时，必须使用高速搅拌机进行搅拌，搅拌时间一般可控制在4～5min ，这是因为膨润土分散至98%所需时间为4min ，全部分散需要9min 。

2）对于使用前要放置较长时间的泥浆，搅拌时间为4min 左右；对于搅拌好之后立即就用的泥浆，搅拌时间一般为7min 。

3）膨润土的水化溶胀有一个过程，一般膨润土与水混合后3h 可达70%以上的溶胀，可供最低要求的工程施工使用，经过1d 的时间之后，可以达到完全的溶胀。

经搅拌后的膨润土泥浆在储浆池中放置5h 后，其性能可基本达到预期指标，为了发挥泥浆的功能，最好是泥浆充分溶胀后再使用。

4）在泥浆中加入CMC时，需一点一点点的往泥浆中掺加其粉末。

也可事先用清水溶解CMC成1%～3%的溶液，然后再掺入泥浆中搅拌，就会很容易的混合在一起。

且CMC 溶液可能会妨碍膨润土的溶解，所以要在膨润土之后加入。

4.泥浆的储存
（1）新制泥浆一般储存在用用浆砌块筑成的泥浆池中，受场地限制时，也可储存在高度较大的钢制泥浆罐中。

（2）整个泥浆池需分割成3～4个不同用途的泥浆池，并至少要有2个用于倒换存放新制泥浆，以满足泥浆溶胀的要求；此外，还应有单独的浆池存放清孔用泥浆和回收泥浆。

（4）为了防止浆池内的泥浆沉淀，应在浆池底部布置风管，经常用压缩空气搅动浆池内的泥浆，也可用泥浆泵循环浆池内的泥浆。

3.3泥浆性能测定
（此处仪器可上图）
1.相对密度（ρ）的测定
（1）可采用HB-1型相对密度计测定。

（2）将要量测的泥浆装满泥浆杯，加盖并洗净从小孔溢出的泥浆，然后置于支架上。

（3）移动游码，使杠杆呈水平状态（即气泡处于中央），读出游码左侧所示刻度，即为泥浆的相对密度。

（4）若无以上仪器，可用一口杯先称其质量设为m1，在装清水称其质量设为m2，再倒去清水，装满泥浆并擦去杯周溢出的泥浆，称其质量设为m3，则ρx=（m3-m1）/（m2-m1）。

2.粘度η的测定
（1）用标准漏斗粘度计测定。

（2）用两端开口量杯分别量取200mL和500mL泥浆。

（3）通过滤网滤去大砂粒后，将700mL泥浆注入漏斗。

（4）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。

3.含砂率的测定
（1）釆用HA-1型含砂率计测定。

（2）把调制好的泥浆50mL倒进含砂率计。

（3）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。

（4）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汁，容积是1000mL，从刻度读出的数不乘2即为含砂率）。

4.胶体率的测定
（1）将100mL的泥浆放入干净量杯中，用玻璃板盖上，静置24h。

（2）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.失水量和泥皮厚度的测定
（1）用一张120mm×120mm的滤纸，置于水平玻璃板上，中央画一直径30mm的圆圈。

（2）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（mm）即失水量。

（3）算出的结果（mm）值代表失水量，单位：mL/min。

（4）在滤纸上量出泥饼厚度（mm）即为泥皮厚。

泥皮愈平坦、愈薄，则泥浆质量愈高，也可采用HS-1型失水仪及泥皮厚度测试仪。

3.4泥浆的使用
在成孔和清孔换浆时，必须依靠泥浆将钻渣带出孔外，根据成孔和清孔的方式不同，泥浆的使用大致可分为静止和循环两种方式。

循环方式按孔内泥浆流动的方向又可分为正循环和反循环；其中，反循环按抽吸孔底泥浆的设备和原理不同，又可分为泵吸反循环、气举反循环和射流反循环三种工作方式。

1.静止方式
静止方式是指在出渣过程中泥浆本身并不流动，孔底含渣泥浆被成孔工具一起提出孔外，随着孔深的增加和泥浆的消耗，不断向孔内补充新鲜泥浆的工作方式。

排出的泥浆一般不作净化处理和重复使用。

冲击钻机成孔、抽砂筒出渣均属于泥浆静止工作方式。

2.循环方式
（1）循环方式是指在成孔过程中，依靠不断循环流动的泥浆将孔底钻渣携出孔外，并
随着孔深的增加不断向孔内补充新鲜泥浆的工作方式。

返回的含渣泥浆一般经过净化处理后重复使用“通过钻杆或送浆管把泥浆压送到孔底，含渣泥浆在管外上升.把钻渣带出地面的工作方式称正循环：泥浆从排渣管外流入槽内，孔底含渣泥浆通过排渣管被抽吸到地面上来的工作方式称反循环。

（2）泥浆的携渣能力和排渣效率除与泥浆本身的性质有关外，还与泥浆的流速有关：流速越大，携带渣土的粒径越大。

由于反循环是通过排渣管排渣，其过流面积远小于管外的桩孔，故其排渣流速和排渣能力比正循环要大得多。

（3）反循环方式的选择应符合下列要求：
1）泵吸反循环在孔深较小时效率较高，适用钻孔深度一般在50rn以内。

2）气举反循环在孔深较大时效率较高，适用深度一般在30m以上。

3）射流反循环的效率较低，一般很少采用。