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(guò)厚往往會(huì)導(dǎo)致承載力折減，根據(jù)以往工程對(duì)地下樁超聲波檢測(cè)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(guò)程從井壁上刮落的粘泥塊過(guò)厚，在灌注樁時(shí)，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(jì)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?yàn)閺奶徙@到灌注砼，對(duì)于百米深樁來(lái)說(shuō)通常需要12個(gè)小時(shí)以上，在這個(gè)過(guò)程中，因?yàn)槟酀{靜置時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)產(chǎn)生一部分的沉淀，鋼筋籠下放過(guò)程中也會(huì)從井壁上掛落部分泥塊，這些就構(gòu)成沉渣，可能會(huì)超過(guò)設(shè)計(jì)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(shí)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(jiǎn)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(duì)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(jì)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(dòng)時(shí)所具有的動(dòng)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(dòng)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(gè)過(guò)程很長(zhǎng)，對(duì)于鉆孔灌注樁來(lái)說(shuō)，必然會(huì)使第一次清孔后的沉渣增加，如果不采取措施，沉渣過(guò)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(shí)，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(shí), 即R=G-P時(shí)，巖屑將以恒速v0下降。通過(guò)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=2.3×103kg/m3；泥漿的密度=1.1×103kg/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)清孔是泥漿由鉆桿或?qū)Ч茏⑷肟椎祝瑤?dòng)沉淀物上浮，在重力

6、作用下泥漿中砂礫等沉淀物有下沉的趨勢(shì)，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?yàn)榫谔幠酀{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(tái)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(shí)漿液的上返速度僅達(dá)

7、到0.05m/s。根據(jù)上述公式可見正循環(huán)鉆進(jìn)只有依靠高濃度高密度泥漿來(lái)懸浮鉆渣，最終端沉渣厚度不能保證符合設(shè)計(jì)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(hào)泵流量(m3/h)泵壓(mpa)動(dòng)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(guò)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(guò)砂石泵排至地面沉淀池內(nèi)；沉淀鉆渣后

8、，泥漿流向孔內(nèi)，形成反循環(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(shí)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(lái)。由于現(xiàn)有的離心泵的泵壓較小，無(wú)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(duì)于直徑1.8m,設(shè)計(jì)深度90m以下的樁，采用泵吸反循環(huán)法進(jìn)行二次清孔；對(duì)于直徑2.0m，設(shè)計(jì)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

9、空氣經(jīng)風(fēng)管向?qū)Ч埽ㄅ旁埽﹥?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(guò)小，及時(shí)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(jiǎn)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(chǎng)只需要一臺(tái)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(jiǎn)便、工序轉(zhuǎn)換速度快，現(xiàn)場(chǎng)只要沉放

10、風(fēng)管即可，缺點(diǎn)是需要的風(fēng)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(chǎng)操作量比形式1復(fù)雜，其優(yōu)點(diǎn)是現(xiàn)場(chǎng)需要一個(gè)較小的空壓機(jī)就可實(shí)現(xiàn)。由理論計(jì)算和工程實(shí)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(gè)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(zhǎng)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(jì)算，H為風(fēng)管口入水深度（m），考慮到風(fēng)管接頭密實(shí)性等因素，需要0.60.8mpa風(fēng)壓；風(fēng)量可以根據(jù)橋涵（上冊(cè)）（人民交通出版社1999.11）空氣吸泥機(jī)一章的有關(guān)公式計(jì)算；5.質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及質(zhì)量控制清孔完成后，孔底沉

11、渣應(yīng)嚴(yán)格控制在30cm以內(nèi)，泥漿指標(biāo)合格（泥漿相對(duì)密度：1.031.10；粘度：1720s；含沙率：<2），并應(yīng)立即進(jìn)行檢查驗(yàn)收。檢查驗(yàn)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(guò)厚而影響樁的承載力。因?yàn)楸梦囱h(huán)比較簡(jiǎn)單，運(yùn)用較多，在此只提出氣舉反循環(huán)的操作注意事項(xiàng)： 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(guò)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(shí)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(guò)大造成塌孔

12、； 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(dòng)導(dǎo)管及前后移動(dòng)平臺(tái)，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(chǎng)只需要一臺(tái)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?yàn)槠鹬攸c(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(chǎng)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

13、須嚴(yán)格接地、接零和漏電保護(hù)器，場(chǎng)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(shí)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(duì)施工機(jī)械進(jìn)行保養(yǎng)，盡量減少噪音污染。4）施工過(guò)程中的廢棄物、邊角料、包裝袋等及時(shí)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(lái)的第一個(gè)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(guò)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(shì)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；

14、另外正循環(huán)鉆孔過(guò)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(guò)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(shí)更加明顯（可以觀察此時(shí)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(shí)間，提高了成孔效率。通常，對(duì)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

15、約需要10個(gè)小時(shí)的時(shí)間，而采用反循環(huán)法進(jìn)行二次清孔，一般只要1個(gè)小時(shí)就可以達(dá)到澆注狀態(tài)。9.3 經(jīng)濟(jì)效益明顯。對(duì)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(gè)設(shè)計(jì)鉆深120m，直徑2.0m的鉆孔灌注樁的成孔時(shí)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(shí)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(lái)，每一個(gè)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(lái)一系列的好處。10.工程實(shí)例從施工經(jīng)濟(jì)性、安全性出發(fā)，濟(jì)南黃河三橋項(xiàng)目對(duì)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(jì)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20