鉆孔灌注樁反循環(huán)二次清孔工法

1、鉆孔灌注樁反循環(huán)二次清孔工法編制單位：山東省路橋集團有限公司編制時間：2008 年 7 月鉆孔灌注樁反循環(huán)二次清孔工法1 .前 言鉆孔灌注樁因孔底沉渣過厚往往會導(dǎo)致承載力折減，根據(jù)以往工程對地下樁超聲波檢測結(jié)果分析，在樁基混凝土灌注正常情況下，樁基混凝土邊緣部位有缺陷，多數(shù)是混凝土內(nèi)局部有夾塊造成的。經(jīng)分析認為：夾塊由兩部分組成，即泥漿中的砂礫沉淀物以及鋼筋籠下放過程從井壁上刮落的粘泥塊過厚，在灌注樁時，沉淀物隨著混凝土上升，因有鋼筋籠或井壁阻隔，使沉淀物停滯在局部范圍內(nèi)，并最終造成成樁中局部缺陷。在黃河中下游的鉆孔灌注樁的設(shè)計文件中，通常明確要求沉渣厚度小于30cmi比現(xiàn)行規(guī)范要求高許多，且

2、工程地質(zhì)條件復(fù)雜，主要穿越地層為分砂層、亞砂層、粘土層，其間交替夾雜有膠結(jié)礫巖薄層，因此沉渣厚度控制是成孔質(zhì)量控制的難點和重點。因為從提鉆到灌注砼，對于百米深樁來說通常需要12個小時以上，在這個過程中，因為泥漿靜置時間過長，會產(chǎn)生一部分的沉淀，鋼筋籠下放過程中也會從井壁上掛落部分泥塊，這些就構(gòu)成沉渣，可能會超過設(shè)計要求，如果不采取措施就灌注，容易引發(fā)各種質(zhì)量事故。因此，需要在灌注前二次清孔。2 . 工法特點2.1 清孔徹底：能滿足孔底沉淀厚度w 30cm的要求；2.2 清孔速度快: 從黃河三橋的實踐情況看，如果正循環(huán)清孔情況比較好的話，一般采用氣舉反循環(huán)清孔50 分鐘左右就可以達到要求；2.3

3、 轉(zhuǎn)換迅速 : 可以在 10分鐘內(nèi)，由清孔狀態(tài)轉(zhuǎn)換到混凝土灌注狀態(tài)；3 . 適用范圍3.1 、 本工法適用范圍：孔深150m 以內(nèi)的孔徑、對沉渣厚度要求較高，水上（陸地）鉆孔灌注樁的施工。3.2 、 適用地層：粘土層、砂層、礫石層、卵石層、巖層等地層4 .施工工藝4.1 清孔的意義鉆孔深度達到設(shè)計要求并符合終孔條件后，應(yīng)進行清孔。清孔的主要目的 是清除孔底沉渣，而孔底沉渣則是影響灌注樁承載能力的主要因素之一。清孔 則是利用泥漿在流動時所具有的動能沖擊樁孔底部的沉渣，使沉渣中的巖粒、 砂粒等處于懸浮狀態(tài)，再利用泥漿膠體的粘結(jié)力使懸浮著的沉渣隨著泥漿的循 環(huán)流動被帶出樁孔，最終將樁孔內(nèi)的沉渣清干凈

4、，這就是泥漿的排渣和清孔作 用。鉆孔灌注樁灌注前，由于從提鉆到導(dǎo)管陳放完畢這個過程很長，對于鉆孔 灌注樁來說，必然會使第一次清孔后的沉渣增加，如果不采取措施，沉渣過 多，容易引起灌注事故，直接影響樁基的承載力，危及結(jié)構(gòu)安全。因此，必須 高度重視灌注前的二次清孔工作。4.2 清孔方式選擇的理論依據(jù)沉淀物主要由泥塊和沉淀砂礫組成。泥塊主要是由鋼筋籠下放刮落的井壁 泥皮造成的；而砂礫沉淀物主要由泥漿中的懸浮顆粒造成的。確定沉渣顆粒在泥漿處于懸浮狀態(tài)的臨界沉降速度 v0的思路是：假定顆粒 為球形，其重力為G,顆粒在液體中的浮力為P,球形顆粒在液體中的沉降阻力 為R當G P時，巖屑下降，速度逐漸增大，R

5、值也隨之增大。當R值達到足以 使作用在巖屑上的三種力保持平衡時,即R=G-P時，巖屑將以恒速v0下降。通 過推導(dǎo)可得出沉降速度（即雷廷格爾公式）為v =卜,虱d - S =上網(wǎng)6-初P P式中：S-球形顆粒的直徑，m ps一顆粒的密度，kg/m3; p 泥漿 的密度，kg/m3;k 一顆粒的形狀系數(shù)，圓形顆粒顆粒泥質(zhì)孔的顆粒的最大尺寸與鉆具和地質(zhì)條件有關(guān)。根據(jù)最大顆粒直徑可求出v0,從而求得泥漿流量。假設(shè)球形顆粒的直徑 Sim;顆粒的密度p s=2.3 Xl03kg/m3;泥漿的密度p x 103kg/m3;顆粒形狀系數(shù) k=4;求的 v0=0.29m/s。4. 3傳統(tǒng)正循環(huán)清孔法的弊端正循環(huán)

6、清孔是泥漿由鉆桿或?qū)Ч茏⑷肟椎祝瑤映恋砦锷细?，在重力作?下泥漿中砂礫等沉淀物有下沉的趨勢，如果泥漿泵流量偏小，將出現(xiàn)大顆粒砂 礫懸浮在一定高度以下；如果想把大的沉渣顆粒排出孔外，一方面是加大泥漿的循環(huán)速度，另一方面是加大泥漿的密度，但是，受現(xiàn)有泥漿泵排量的限制， 泥漿的循環(huán)速度不可能提高很多，加大泥漿比重的方法也不可行。另外因為井 壁處泥漿比井中心部位流速慢，造成泥漿含砂率不均勻，最終不能將泥漿中大 顆粒完全置換到井外去，因此本工法不采用這種方法。如果用正循環(huán)清孔，0 2,常用6PNL砂石泵額定排量為280m3/h,假定采用2 臺并聯(lián)送水，泥漿攜帶鉆渣后進入鉆桿與孔壁形成的環(huán)閉空間后上返速

7、度是很 低的，滿排量時漿5m/s。根據(jù)上述公式可見正循環(huán)鉆進只有依靠高濃度高密度 泥漿來懸浮鉆渣，最終端沉渣厚度不能保證符合設(shè)計要求，從而容易引發(fā)質(zhì)量 隱患。表1鉆孔用泥漿泵的主要性能名稱鉆進方式型號泵流量（m/h）泵壓（mpa）動力（kw）泥漿泵正循環(huán)6PNL23032030砂石泉反循環(huán)8BS400754.4反循環(huán)清孔反循環(huán)清孔通常采用兩種方式，一種是泵吸反循環(huán)，另一種是氣舉反循環(huán)。泵吸反循環(huán)是通過砂石泵的抽吸作用，在鉆桿內(nèi)腔形成負壓，在孔內(nèi)液柱 和大氣壓的作用下，孔壁與環(huán)狀空間的泥漿流向孔底，將沉渣帶進鉆桿（導(dǎo)管） 內(nèi)腔，再經(jīng)過砂石泵排至地面沉淀池內(nèi)；沉淀鉆渣后，泥漿流向孔內(nèi)，形成反 循環(huán)

8、。采用泵吸反循環(huán)法進行二次清孔，目前常用 8BSa石泵額定排量為400m3/h,假定采用。滿負荷時泥漿上返流速可以達到 1.58m/s,可以看出該速 度遠大于鉆渣上返所需流速0.29m/s的要求，因此進入導(dǎo)管內(nèi)的鉆渣能夠被有效 的抽吸上來。由于現(xiàn)有的離心泵的泵壓較小，無法滿足直徑2m,深達120多米的鉆孔灌注樁清孔的需要，因此，本工法推薦氣舉反循環(huán)4.1.1.1 氣舉反循環(huán)的原理氣舉反循環(huán)的原理是：壓縮空氣經(jīng)風管向?qū)Ч埽ㄅ旁埽ㄅ旁埽┬纬韶?壓區(qū)，在大氣壓的作用下，汽水混合物排出管外；孔底泥漿及沉淀物的混合物 沿著導(dǎo)管上升，補充到負壓區(qū)；為防止孔中泥漿水頭過小，及時用泥漿泵將優(yōu) 質(zhì)（含砂率

9、低）泥漿補充到孔內(nèi)，并形成循環(huán)系統(tǒng)。4.1.1.2 氣舉反循環(huán)的設(shè)備氣舉反循環(huán)的設(shè)備非常簡單，主要的構(gòu)造見圖2所示。除了風管、排渣金屬管、排渣軟管、法蘭盤接頭外，現(xiàn)場只需要一臺920m3/h空壓機就可完成整套施工工藝。圖 2 給出了兩種形式的氣舉反循環(huán)設(shè)備。形式1 是直接利用導(dǎo)管作為排渣管，優(yōu)點是操作簡便、工序轉(zhuǎn)換速度快，現(xiàn)場只要沉放風管即可，缺點是需要的風量較大，需要大型的空壓機。形式2是在導(dǎo)管內(nèi)增加了一根金屬排渣管，其缺點是現(xiàn)場操作量比形式1 復(fù)雜，其優(yōu)點是現(xiàn)場需要一個較小的空壓機就可實現(xiàn)。由理論計算和工程實踐，以120m鉆孔灌注樁為例，在此給出氣舉反循環(huán)系 統(tǒng)的幾個參考數(shù)據(jù)：風管的入水深

10、度在 3040m要求制作的風管長度為36m 分為3節(jié)，每節(jié)12m中間用法蘭盤連接；風壓（mpam , mpa風壓；風量可以 根據(jù)橋涵（上冊）（空氣吸泥機一章的有關(guān)公式計算；5. 質(zhì)量標準及質(zhì)量控制%）,并應(yīng)立即進行檢查驗收。檢查驗收合格后，應(yīng)立即灌注水下混凝土，以免渣土重新沉淀，造成沉渣過厚而影響樁的承載力。因為泵吸反循環(huán)比較簡單，運用較多，在此只提出氣舉反循環(huán)的操作注意事項： 出漿管底口距離井口深度不宜小于 30m以形成足夠的備壓，但也不能 小于5m否則不能形成有效的反循環(huán)體系； 出漿管及高壓進氣管的法蘭盤連接緊密，確保不漏氣； 氣舉反循環(huán)過程中，保證有足夠的優(yōu)質(zhì)泥漿補充到井孔內(nèi)，并且要在開

11、啟反循環(huán)前先送漿，時刻觀察護筒內(nèi)泥漿面的變化情況，防止泥漿補充不足，水頭下降過大造成塌孔； 為防止孔內(nèi)沉淀物堵塞出漿管，在氣舉反循環(huán)前，要把導(dǎo)管提離孔底一段距離，待反循環(huán)形成后，視出漿清孔逐步下沉；由于樁孔較大，要左、右移動導(dǎo)管及前后移動平臺，使清孔比較徹底。6. 機具設(shè)備8BS砂石泵。接頭外，現(xiàn)場只需要一臺920m3/h空壓機就可完成整套施工工藝。7. 安全措施7.1 、起重安全：本工法用到的主要的施工機械是汽車吊，因此要注意起重安全，嚴格執(zhí)行起重操作規(guī)程，不能因為起重點重量不大而掉以輕心。7.2 、用電安全：、嚴格用電管理，施工現(xiàn)場的一切電源電路的安裝和拆除，必須由持證電工操作，電器必須嚴

12、格接地、接零和漏電保護器，場地電纜應(yīng)架空，嚴禁拖地和埋壓土中。8. 環(huán)保措施1 ）施工機械注意保養(yǎng)，維修時防止油料灑落污染河水；2）廢棄砼，清洗罐車、導(dǎo)管的廢水必須集中處理。3）經(jīng)常對施工機械進行保養(yǎng)，盡量減少噪音污染。4）施工過程中的廢棄物、邊角料、包裝袋等及時收集、清理、集中處理。9. 效益分析9.1 反循環(huán)法二次清孔技術(shù)給我們帶來的第一個效益就是質(zhì)量安全：灌注混凝土是保證成樁質(zhì)量的關(guān)鍵工序，“斷樁”、“夾泥”、“堵管”等常見的灌注質(zhì)量事故都與孔內(nèi)混凝土上部壓力過大有一定關(guān)系。正循環(huán)為了有效的排渣，選用的泥漿（泥漿）密度高、濃度大，勢必造成孔內(nèi)壓力大，這樣混凝土人導(dǎo)管排出的阻力增大，澆注困

13、難；另外正循環(huán)鉆孔過程中因泥漿濃度高、密度大所形成的孔底沉渣，很難從孔中完全清除，所以其中一部分在澆注過程中卷入泥漿中更加大混凝土抬升的阻力，這種阻力在灌注臨近結(jié)束時更加明顯（可以觀察此時孔內(nèi)排出的泥漿密度、濃度明顯加大，流淌緩慢，偶爾有大塊的絮狀泥塊出現(xiàn)），若處理不當，很容易使臨近樁頂 10m左右混凝土質(zhì)量差、強度低，而該部分又是樁受力的關(guān)鍵位置。反循環(huán)二次清孔技術(shù)的運用使鉆渣清理較為徹底，因此灌注較為順暢，樁頂沉渣少，樁身混凝土質(zhì)量明顯提高。9.2 反循環(huán)法二次清孔技術(shù)大大縮短了百米深樁的清孔時間，提高了成孔效率。通常，對于百米深樁而言，采用正循環(huán)法進行清孔，要達到沉渣厚度小于30cm的要求，大約需要10個小時的時間，而采用反循環(huán)法進行二次清孔，一般只要 1 個小時就可以達到澆注狀態(tài)。9.3 經(jīng)濟效益明顯。對于黃河中下游這種地質(zhì)條件而言，如采用反循環(huán)法成孔，一個設(shè)計鉆深120m直徑的鉆孔灌注樁的成孔時間大約為 5天；采用正循環(huán)法成孔，反循環(huán)清孔的工藝，成孔時間在7天左右；但是反循環(huán)施工工藝的設(shè)備功率大約是正循環(huán)工藝設(shè)備的2 倍，這樣算下來，每一個孔大約可以節(jié)約30的費用。綜上所述，反循環(huán)本身所具有的特點，給提高成孔效率、成樁質(zhì)量和綜合經(jīng)濟效益等方面帶來一系列的好處。10. 工程實例從施工經(jīng)濟性、安全性出發(fā)，濟南