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(rèn)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30cm，比現(xiàn)行規(guī)范要求高許多，且工程地質(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

2、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(diǎn)和重點(diǎn)。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(diǎn)2.1清孔徹底：能滿足孔底沉淀厚度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(dá)到要求；2.3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)；2.4經(jīng)濟(jì)便捷:本工

3、法需用的機(jī)械設(shè)備少，材料用量少，制作簡單，方便靈活；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(dá)到設(shè)計要求并符合終孔條件后，應(yīng)進(jìn)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，這就是泥漿的排渣和清孔作用。鉆孔灌

4、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(dāng)GP時，巖屑下降，速度逐漸增大，R值也隨之增大。當(dāng)R值達(dá)到足以使作用在巖屑上的三種力保持

5、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）為式中： -球形顆粒的直徑，m；s顆粒的密度，kg/m3；泥漿的密度，kg/m3； k顆粒的形狀系數(shù)，圓形顆粒k為44.5，不規(guī)則形狀的顆粒k為2.54。 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=0.01m；顆粒的密度s=2.3103kg/m3；泥漿的密度=1.1103kg/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)清孔是泥漿由鉆桿或?qū)Ч茏⑷肟椎?，帶動沉淀物上浮，在重力作用下泥漿中砂礫等沉淀物

6、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，2.0m的孔的斷面積為3.14m2,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(jìn)入鉆桿與孔壁形成的環(huán)閉空間后上返速度是很低的，滿排量時漿液的上返速度僅達(dá)到0.05m/s。根據(jù)上

7、述公式可見正循環(huán)鉆進(jìn)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(jìn)方式型號泵流量(m3/h)泵壓(mpa)動力(kw)泥漿泵正循環(huán)6PNL2303200.2750.24530砂石泵反循環(huán)8BS4000.3700.355754.4反循環(huán)清孔4.4.1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(fù)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(jìn)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

8、環(huán)。采用泵吸反循環(huán)法進(jìn)行二次清孔，目前常用8BS砂石泵額定排量為400m3/h，假定采用0.3m的導(dǎo)管進(jìn)行清孔，滿負(fù)荷時泥漿上返流速可以達(dá)到1.58m/s，可以看出該速度遠(yuǎn)大于鉆渣上返所需流速0.29m/s的要求，因此進(jìn)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(dá)120多米的鉆孔灌注樁清孔的需要，因此，本工法推薦對于直徑1.8m,設(shè)計深度90m以下的樁，采用泵吸反循環(huán)法進(jìn)行二次清孔；對于直徑2.0m，設(shè)計深度120m的樁采用氣舉反循環(huán)法進(jìn)行二次清孔。 4.4.2 氣舉反循環(huán) 4.4.2.1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(fēng)管向?qū)Ч埽ㄅ旁?/p>

9、）內(nèi)送風(fēng)，風(fēng)管內(nèi)的空氣與泥漿混合物密度（約為0.6）小于導(dǎo)管（排渣管）內(nèi)泥漿密度（約為1.1），形成負(fù)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(bǔ)充到負(fù)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)（含砂率低）泥漿補(bǔ)充到孔內(nèi)，并形成循環(huán)系統(tǒng)。4.4.2.2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(fēng)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(jī)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(diǎn)是操作簡便、工序轉(zhuǎn)換速度快，現(xiàn)場只要沉放風(fēng)管即可，缺點(diǎn)是需要的風(fēng)

10、量較大，需要大型的空壓機(jī)。形式2是在導(dǎo)管內(nèi)增加了一根金屬排渣管，其缺點(diǎn)是現(xiàn)場操作量比形式1復(fù)雜，其優(yōu)點(diǎn)是現(xiàn)場需要一個較小的空壓機(jī)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(fēng)管的入水深度在3040m，要求制作的風(fēng)管長度為36m，分為3節(jié)，每節(jié)12m，中間用法蘭盤連接；風(fēng)壓（mpa）可按公式H/100+0.05計算，H為風(fēng)管口入水深度（m），考慮到風(fēng)管接頭密實性等因素，需要0.60.8mpa風(fēng)壓；風(fēng)量可以根據(jù)橋涵（上冊）（人民交通出版社1999.11）空氣吸泥機(jī)一章的有關(guān)公式計算；5.質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及質(zhì)量控制清孔完成后，孔底沉渣應(yīng)嚴(yán)格控制在30cm以

11、內(nèi)，泥漿指標(biāo)合格（泥漿相對密度：1.031.10；粘度：1720s；含沙率：2），并應(yīng)立即進(jìn)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(yùn)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(jìn)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(bǔ)充到井孔內(nèi)，并且要在開啟反循環(huán)前先送漿，時刻觀察護(hù)筒內(nèi)泥漿面的變化情況，防止泥漿補(bǔ)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，

12、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(jī)具設(shè)備6.1泵吸反循環(huán)清孔設(shè)備：排渣軟管、8BS砂石泵。6.2氣舉反循環(huán)清孔設(shè)備：除了風(fēng)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(jī)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(jī)械是汽車吊，因此要注意起重安全，嚴(yán)格執(zhí)行起重操作規(guī)程，不能因為起重點(diǎn)重量不大而掉以輕心。7.2、用電安全：、嚴(yán)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(yán)格接地、接零和漏電保護(hù)器，場

13、地電纜應(yīng)架空，嚴(yán)禁拖地和埋壓土中。8.環(huán)保措施1）施工機(jī)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(jī)械進(jìn)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，澆注困難；另外正循環(huán)鉆孔過程中因泥漿濃度高

14、、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(dāng)，很容易使臨近樁頂10m左右混凝土質(zhì)量差、強(qiáng)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(yùn)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(jìn)行清孔，要達(dá)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

15、循環(huán)法進(jìn)行二次清孔，一般只要1個小時就可以達(dá)到澆注狀態(tài)。9.3 經(jīng)濟(jì)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2.0m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(fèi)用。綜上所述，反循環(huán)本身所具有的特點(diǎn)，給提高成孔效率、成樁質(zhì)量和綜合經(jīng)濟(jì)效益等方面帶來一系列的好處。10.工程實例從施工經(jīng)濟(jì)性、安全性出發(fā)，濟(jì)南黃河三橋項目對全部的鉆孔灌注樁工程采用正循環(huán)鉆孔，反循環(huán)清孔的施工方案，成功的把沉渣厚度控制在設(shè)計要求以內(nèi)，取得了滿意的效果。黃河三橋鉆孔灌注樁施工從2