【摘要】文中针对松江南站北广场复杂的软土环境，探索了钻孔灌注桩膨润土泥浆的最优配比。通过四因素三水平的正交试验，系统评估了膨润土、水、纯碱和羧甲基纤维素钠对泥浆比重、粘度、pH值、滤失量及泥皮厚度的影响，并结合扫描电子显微镜（SEM）分析探讨了改性泥饼的微观结构。结果表明，影响泥浆比重的主要因素为膨润土和水，次要因素为纯碱和纤维素钠；粘度的主要影响因素为纤维素钠和水，膨润土和纯碱次之。正交试验确定的最优配比为膨润土：水：纯碱：羧甲基纤维素钠=130:880:4:0.8。SEM分析显示，改性剂有效填充了泥饼内部空隙，改性前泥饼表面光滑，孔隙较多且深；改性后泥饼表面粗糙，孔隙显著减少且变浅，泥浆性能显著提升。该研究为类似软土地层的膨润土泥浆配比优化提供了实用的工程指导和参考。

　　【关键词】钻孔灌注桩；膨润土泥浆；正交试验；扫描电镜

　　1引言

　　钻孔灌注桩施工中，孔壁失稳是实际工程中常见的问题，尤其在软土地层中，这一现象尤为严重，给工程进度和施工安全带来了巨大挑战[1-3]。软土的低强度和高压缩性导致孔壁在钻进过程中极易失稳，继而引发塌孔、孔壁崩塌等问题。为确保孔壁稳定，施工中普遍采用泥浆护壁技术。然而，泥浆护壁的效果在不同地质条件下存在显著差异，特别是在软土地层中，泥浆配比设计不当会导致孔壁稳定性难以维持。

　　现有研究多集中于对孔壁稳定机理及泥浆性能对孔壁影响的分析，但针对复杂软土地层的泥浆护壁机理及配比优化设计仍存在不足。姚志伟[4]分析了钻孔灌注桩孔壁失稳的机理，并通过数值模拟探讨了泥浆性能在不同工况下对孔壁稳定性的影响。薛金贤[5]结合钻孔施工条件和时间因素，分析泥浆比重与粘度对孔壁稳定性的影响，推导出孔径变化的数学模型，结果表明泥浆比重和粘度越高，孔壁稳定性越好。杨森等[6]通过正交试验研究掺入水泥、生石灰等材料后，改性泥浆的物理力学性能，结果显示改性后的泥浆能够有效增强孔壁稳定性。池秀文等[7]结合具体工程，通过室内实验分析了不同成分泥浆的护壁效果，并提出了相应的施工方案。张嘉鑫[8]则通过实际工程案例，评估了孔壁的稳定性变化，并结合实测数据提出了孔壁稳定性的变化规律。

　　泥浆性能对孔壁的影响至关重要，在钻孔灌注桩施工中，比重直接影响泥浆在孔内的表现[9-11]；粘度则决定了泥浆携带泥砂的能力，并在形成坚韧、光滑且致密的泥皮方面起到关键作用[12-13]。在软土地层中，泥浆的比重和粘度需根据土体的具体物理参数进行优化调整。例如，对于软弱砂性土，应适当提高泥浆的比重和粘度，而在黏性土中则需适当降低粘度。泥浆中的胶体颗粒通过形成胶凝体，能够提高泥浆的粘度和密度，增强孔壁的稳定性，有效防止塌孔现象。此外，胶凝体还能有效阻挡土粒进入泥浆，提升泥浆的过滤性能，保持孔壁稳定，防止地层物质向泥浆渗透，维持泥浆的稳定性。针对软土地层，泥浆的含砂率和胶体率应经过严格测试，既要确保泥浆的携砂能力满足规范要求，又要保证胶凝体具备足够的过滤性能[14]。

　　尽管已有研究为泥浆护壁技术的发展提供了重要的理论依据，但大多研究集中于比重和粘度对孔壁稳定性的影响，而关于如何针对复杂软土地层调整泥浆配比，尤其是外加剂对泥浆性能的具体影响，仍缺乏系统性的研究。在不同地质条件和钻孔方法下，泥浆的比重、粘度及配比需要进行精细化调整，以确保泥浆在稳定孔壁、提高钻进效率的同时，避免破坏地层及过度损耗泥浆。因此，深入研究适用于软土地层的泥浆护壁配比，不仅有助于提升孔壁稳定性，还可优化施工效率、降低工程风险，为未来类似工程提供理论依据和实践指导。

　　基于此，本文通过正交实验设计，系统研究了泥浆的比重、粘度、滤失量及泥皮厚度等关键指标在不同材料配比下的变化规律，并结合SEM扫描电镜分析，深入探讨了改性泥浆在提高孔壁稳定性方面的作用机理。研究结果为钻孔灌注桩施工提供了优化的泥浆配比方案，进一步推动了泥浆护壁技术在软土地层中的应用。

　　2工程概况

　　2.1项目概述

　　本文的研究对象为位于上海市松江区的松江南站北广场项目。该项目地面层面积达26700平方米；地下结构由两层组成，总面积为47600平方米。地面部分以景观绿化为主，覆土层厚度达到2.5米，可增强城市绿化并提供良好的休闲空间；地下一层的层高为7米，承载着重要的结构和设施。承重结构的下方主要由大量钻孔灌注桩支撑，钻孔灌注桩的施工中，需要大量的膨润土泥浆来维持孔壁的稳定，保证成桩质量。考虑到常规未改性泥浆在维持孔壁稳定性和清理钻渣等方面的局限性，本文进一步探讨了直径为1米、深度为40米的钻孔灌注桩所需改性泥浆的最优配比，项目具体位置见图1。

　　2.2地层分类及水文情况

　　根据地质勘察报告，拟建场地位于正常沉积区，岩性主要表现为粉质黏土、粉土和粉细砂的交替出现，地层厚度变化较为稳定，但地层结构复杂。自上而下，地层具有以下特性。

　　①填土层：主要由黏性土组成，上部含有植物根茎和细小杂物，少量腐殖物，局部含有砖块及水泥块等建筑废料，结构松散，土质不均。

　　②灰黄色黏土层：可塑性，中等压缩性，含有氧化铁斑点及铁锰质结核，自上而下逐渐变软，局部可能缺失。

　　③灰色淤泥质粉质黏土层：流塑性，较高压缩性，含少量有机质和腐殖物，局部夹有薄层粉砂。

　　④灰色黏土层：以软塑和流塑为主，较高压缩性，含有云母、有机质、泥钙质结核，腐殖物等。

　　⑤暗绿-草黄色粉质黏土层：中等压缩性，含氧化铁斑点，土质较为均匀。

　　⑥草黄色砂质粉土层：含云母、长石、石英等，局部为粉砂。另外，项目拟建地址位于冲海积平原上，地面高程介于2.2-3.5米。此区域主要由厚实的第四系地层覆盖，地下水位高。地表水情况如下：根据现场踏勘，拟建场地附近的向阳河水面标高为0.7米。地层勘查显示，河底深度内无显著的透水层，表明向阳河与场地的地下水水力联系较弱，对工程影响小。地下水情况如下：当前勘察数据表明，钻孔内地下水的稳定水位埋深范围为0.9-3.2米（标高-0.89至1.39米）。根据当地经验分析，浅层潜水的年平均高水位埋深为0.5米，年平均低水位埋深为1.5米。地下水主要分布在上层淤泥质、粉质黏土层及粉土和粉砂层中。拟建场地的承压水赋存在于粉（砂）性土层中，经验显示，承压水位通常低于潜水位，呈周期性变化，水头高度约为地面以下3.0米，含水量丰富。

　　在详细勘察现场地质条件的过程中发现，粉砂和细砂等地层极易出现孔壁坍塌和缩颈现象。这种地层条件若未采用有效的护壁技术，可能会严重影响桩基的施工质量，从而导致施工周期延长和成本增加。为此，本研究探讨了对膨润土泥浆进行合理的改性处理，以增强其稳定性和抗坍塌能力。通过对泥浆最优配比的探讨，不仅可以保护孔壁，还可以显著提高整个工程的安全性和经济性。采用改性膨润土泥浆的方法将对提升桩基施工的效率和质量具有重大的指导意义。

　　3材料及方法

　　3.1试验材料

　　考虑到松江南站北广场下方地层的复杂性，本研究选择钠基膨润土作为泥浆的主要成分。通过对膨润土进行X射线衍射（XRD）扫描分析，确定了其主要矿物成分。将膨润土样品研磨至适宜的粒度后，均匀地铺设在X射线衍射仪的样品台上，并以5°/min的扫描速度对5°-90°范围内的样品进行了分析。具体关键技术指标和矿物成分如表1所示。

　　泥浆改性剂能显著提升泥浆的性能，故选择合适的改性剂至关重要，需依据具体施工条件确定。本研究选用碳酸钠和羧甲基纤维钠作为泥浆的改性剂。碳酸钠主要用于调整泥浆pH值，以保持其在理想范围内，这样不仅能提高钻探效率，还能减缓钻头腐蚀。实验中使用的碳酸钠为白色颗粒状，密度为2.5 g/cm3，易溶于水。此外，羧甲基纤维钠则用于增加泥浆的粘度和减少过滤损失，从而促进泥皮形成，有效改善泥浆整体性能。实验所用羧甲基纤维钠具有800-1200 cp的粘度，水分含量不超过10%，pH值在8-9之间。

　　3.2实验设计

　　为了系统地优化泥浆配比，本文采用正交试验法进行实验设计。本研究依据《公路桥涵施工技术规范》[15]及其他相关规范的要求，选取膨润土、水、碳酸钠、羧甲基纤维素钠作为四个主要影响因素。考虑到不同材料对泥浆性能的影响，本试验采用了三个不同的水平，共设计了9组实验，以全面评估各因素的影响。根据正交试验设计原理，将各因素的不同水平值填入正交表中，形成详细的实验方案。并对试验结果进行统计分析处理，以确定四种材料相互作用下的最优泥浆配比，具体的试验设计如表2所示。

　　3.3泥浆制备及测试过程

　　泥浆的制备和性能测试细节如图2所示。泥浆的制备流程如下：①准备所有必需的试验材料，并根据试验设计进行准确称量；②按照指定比例将膨润土逐渐加入水中，边搅拌边缓慢倒入，避免一次性加入，持续搅拌至少1小时，以确保膨润土完全溶解；③加入纯碱并保证其完全溶解后，再加入羧甲基纤维素钠，持续搅拌以促进充分溶解；④在制备初期，若观察到泥浆表面有絮状透明物，表明纤维素钠未完全溶解，此时应将泥浆静置1-2小时后再次搅拌，以确保纤维素钠充分吸水并溶解。使用前需确保泥浆均匀一致。

　　泥浆的性能指标包括比重、粘度、pH值、滤失量和泥皮厚度，均需符合《公路桥涵施工技术规范》的规定。此外，为了从微观层面分析改性剂对泥浆性能的影响，对改性后的泥皮进行了扫描电子显微镜（SEM）分析。

　　4结果讨论

　　4.1实验结果分析

　　正交试验的结果如表3所示。实验数据表明，随着膨润土含量的增加，泥浆的比重、粘度及泥皮厚度均表现出上升趋势。泥浆比重介于1.075-1.162 g/cm3之间，粘度在17.97-26.08 Pa·s之间，不同配比下泥浆的比重和流变性质存在显著差异。pH值维持在9.4-9.8之间，保持较稳定的碱性环境，有利于泥浆的稳定性及钻具的防腐性能。滤失量介于8.9-11.5 ml之间，说明改性泥浆具有较好的渗透性和保水性。泥皮厚度范围为0.83-1.74 mm，较薄的泥皮有助于增强孔壁的稳定性，并且改性泥浆的性能指标均符合相关规范的要求，如表4所示。

　　4.2极差分析

　　极差分析的结果展示如表5和表6所示，用于评估不同因素对泥浆性能指标的影响。在表中，K1、K2、K3分别表示对应因素不同水平下的实验结果之和的平均值。例如，因素1（膨润土）在水平1下的K1值为三组实验数据的总和后的平均值，同理K2、K3与K1算法相同。极差R则表示同一因素不同水平下实验结果的最大值与最小值之差，R值较大表明该因素对应指标的影响程度较大。

　　4.3外加剂对泥浆比重的影响

　　如图3所示，不同外加剂对泥浆比重的影响呈现显著差异。膨润土的添加对泥浆比重的影响最大，其次是水含量，而羧甲基纤维素钠和纯碱对泥浆比重的影响较小。具体而言，随着膨润土含量的增加，泥浆比重呈线性上升趋势，从1.077g/cm3增加至1.095 g/cm3。其原因在于膨润土具有极好的吸水膨胀特性，并且膨润土的悬浮性和分散性使得膨润土颗粒能够均匀地分散在水中，增加了单位体积内的固体含量，使得泥浆比重增加。另外，伴随着膨润土的加入，泥浆溶液中自由状态的水分子也会和膨润土结合，使得溶液体积减少，比重增大。这种比重的增加对于提高孔壁稳定性尤为重要，特别是在钻进如粉砂层这类易塌地层时。适当增加膨润土的比例，不仅可以增大泥浆比重，而且可以有效地防止孔壁坍塌，从而保障钻孔作业的安全和效率。

　　4.4外加剂对泥浆粘度的影响

　　根据图4可知，不同外加剂对泥浆粘度的影响也呈现出显著的差异。羧甲基纤维素钠对泥浆粘度的影响最为显著，随着其添加量的增加，泥浆的粘度呈现出显著的线性增长趋势。相对而言，水的添加显著降低了泥浆的粘度，而膨润土和纯碱的影响则相对较小。出现这种现象的原因在于，羧甲基纤维素钠在水中水化后形成的三维网状结构显著增加了流体的内部摩擦力，从而提高了泥浆的粘度。相反，增加水的比例会稀释泥浆，减少内部颗粒间的相互作用，增加了整体的流动性，从而导致粘度下降。

　　4.5外加剂对泥浆其他性能的影响

　　如图5(a)所示，随着羧甲基纤维素钠（CMC）含量的增加，泥浆的滤失量呈显著下降的趋势。这一现象的主要原因是CMC在水中形成的网状结构日益密集，这种结构有效地固定了水分子和细小颗粒，减少了它们在外力作用下的流动性。此外，CMC还能形成较为稳定的泥皮，有效地封堵泥浆中的微孔，阻止水分的过度流失。这不仅提高了泥浆的携带钻屑回流能力，而且减少了地层流体与泥浆的交换，从而保护了地层的原始性质。

　　根据图5(b)的数据，可以观察到随着膨润土含量的增加，泥皮厚度显著减小。这一变化主要与泥浆的粘度增加有关。膨润土的掺入提升了泥浆的整体粘度，使泥浆能更均匀地覆盖钻孔壁，形成一层连续且均匀的泥皮，从而避免了不必要的厚泥皮积累。类似地，CMC的添加也对泥皮厚度产生了影响，使泥皮变得更加致密和均匀。

　　4.6最优配比分析

　　泥浆的比重和粘度是钻探效率和设备安全的关键因素。过高的比重可能会导致钻井设备承受额外载荷，加剧设备磨损并增加能源消耗。同时，高比重泥浆可能压实孔壁附近地层，扰乱地层原状态并引发地层流体侵入，影响地质数据的准确性。另一方面，过高的粘度会降低泥浆的循环效率，提高泵送和循环过程中的能量需求，并可能导致钻屑清除不畅，增加堵塞钻孔或损坏钻头的风险。根据所进行的正交试验结果分析及规范要求，针对特定地层条件下，最优泥浆配比为膨润土:水:纯碱:羧甲基纤维素钠=130:880:4:0.8。在此配比下，泥浆的粘度和比重不仅符合行业规范要求，还能有效维持孔壁稳定，最大化地发挥其在钻探中的关键作用。这种优化配比的实施，是基于深入的实验数据分析和现场应用考虑的结果，确保了钻探操作的高效与安全。

　　4.7 SEM扫描电镜分析

　　通过对比原状膨润土泥饼与改性膨润土泥皮的扫描电子显微镜（SEM）图像，可以分析改性前后泥浆性能提升的原因。图6（a）和（b）显示，未改性膨润土泥饼的表面较为光滑，颗粒结构松散；然而改性后的泥皮表面粗糙，材料附着明显，结构致密。而在图6（c）和（d）中，改性后的泥饼表面孔隙被改性剂的聚合物有效填充，孔隙结构明显减少且深度变浅。图6（e）和（f）中，改性后的膨润土泥饼依然保持了其原有的不规则片状结构，尽管泥皮的表面特性和孔隙分布发生了显著变化，但膨润土的基本晶体结构并未遭到破坏。改性膨润土泥浆在提高泥浆流变性能的同时，也保持了其良好的性能。

　　5结论

　　松江站交通枢纽下方地层复杂，主要为软土地层，具有较高的水文地质复杂性。基于地质勘察报告，结合地质与水文条件，本文针对软土地层的特点对泥浆的护壁性能进行了系统研究。通过正交试验设计，本文对泥浆的比重、粘度、pH值及滤失量等关键性能指标进行了详细分析，得出了适用于软土地层的泥浆配比优化方案，为相关施工工艺的优化提供了重要的参考依据。具体结论如下：

　　①采用四因素三水平的正交试验设计，对膨润土、水、纯碱及纤维素钠的不同配比进行了研究，系统分析了这些外加剂对泥浆性能的影响。

　　②通过直观分析及方差分析法得出，影响泥浆比重的最主要因素是膨润土和水的含量，其他因素如纤维素钠和纯碱的影响较小。粘度的主要影响因素为纤维素钠和水，膨润土与纯碱对其影响相对较小。

　　③根据正交试验的结果，明确了各外加剂对泥浆比重和粘度的具体影响机制。最终得出适合软土地层钻孔灌注桩施工的最优泥浆配合比为膨润土：水：纯碱：纤维素钠=130:880:4:0.8，此配比在满足规范要求的同时，能够有效提高泥浆性能，确保孔壁稳定。

　　④通过SEM扫描电镜分析发现，改性泥饼的表面更加粗糙，且改性剂能够有效填充泥饼的孔隙。改性剂不仅增强了泥饼的致密性，还促进了膨润土颗粒的紧密胶结，从而提高了泥浆的护壁效果。这一结果表明改性泥浆的综合性能优于未改性泥浆，具有更好的抗渗透性和稳定性。

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