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

Y、一0—1—

1.刖s

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,

樁基混凝土邊沿部位有缺陷，多數(shù)是混凝土內(nèi)局部有夾塊導(dǎo)致的。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)，

并最終導(dǎo)致成樁中局部缺陷。

在黃河中下游的鉆孔灌注樁的設(shè)計文獻中，通常明確規(guī)定沉渣厚度

小于30cm,比現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定高許多，且工程地質(zhì)條件復(fù)雜，重要穿

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。由于從提鉆到灌注

碎，對于百米深樁來說通常需要12個小時以上，在這個過程中，由

于泥漿靜置時間過長，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，也許會超過設(shè)計規(guī)定,

假如不采用措施就灌注，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W30cm的規(guī)定；

2.2清孔速度快:從黃河三橋的實踐情況看，假如正循環(huán)清孔情

況比較好的話，一般采用氣舉反循環(huán)清孔50分鐘左右就可以達成規(guī)

定；

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)濟便捷：本工法需用的機械設(shè)備少，材料用量少，制作簡樸,

方便靈活；

3,合用范圍

3.1.本工法合用范圍：孔深150m以內(nèi)的孔徑、對沉渣厚度規(guī)

定較高，水上（陸地）鉆孔灌注樁的施工。

3.2、合用地層：粘土層、砂層、礫石層、卵石層、巖層等地層

4.施TT.藝

4.1清孔的意義

鉆孔深度達成設(shè)計規(guī)定并符合終孔條，'牛后，應(yīng)進行清孔。清孔的

重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

重要因素之一。清孔則是運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、砂粒等處在懸浮狀態(tài)，再運用泥漿膠體

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長，假如不

采用措施，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)

沉淀物重要由泥塊和沉淀砂礫組成。泥塊重要是由鋼筋籠下放刮

落的井壁泥皮導(dǎo)致的；而砂礫沉淀物重要由泥漿中的懸浮顆粒導(dǎo)致

的。

擬定沉渣顆粒在泥漿處在懸浮狀態(tài)的臨界沉降速度vO的思緒是:

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)G>P時，巖屑下降，速度逐漸增大，R

值也隨之增大。當(dāng)R值達成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vO下降。通過推導(dǎo)可得出沉降速度（即

雷廷格爾公式）為

式中：6--球形顆粒的直徑，m；Ps—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k為4?4.5,不規(guī)則形狀的

顆粒k為2.5?4。

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vO,從而求得泥漿流量。

假設(shè)球形顆粒的直徑5=0.01m；顆粒的密度PS=2.3X

103kg/m3；泥漿的密度P=l.lX103kg/m3；顆粒形狀系數(shù)k=4；求的

v0=0.29m/so

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?，?/p>

動沉淀物上浮，在重力作用下泥漿中砂礫等沉淀物有下沉的趨勢，

假如泥漿泵流量偏小，將出現(xiàn)大顆粒砂礫懸浮在一定高度以下；假如

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)速度不也許提高很多，加大泥漿比重的方法也不可行。此外由于

井壁處泥漿比井中心部位流速慢，導(dǎo)致泥漿含砂率不均勻，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。

假如用正循環(huán)清孔，＜1)2.0m的孔的斷面積為

3.14用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)閉空間后上返速度是

很低的，滿排量時漿液的上返速度僅達成0.05m/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)計規(guī)定，從而容易引發(fā)質(zhì)量隱患。

表1鉆孔用泥漿泵的重要性能

泵流量

名稱鉆進方式型號泵壓(mpa)動力(kw)

(m3/h)

泥漿泵正循環(huán)6PNL230?3200.275-0.24530

砂石泵反循環(huán)8BS4000.370-0.35575

4.4反循環(huán)清孑」

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，將沉渣帶進鉆桿（導(dǎo)管）內(nèi)腔，再通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)。

采用泵吸反循環(huán)法進行二次清孔，目前常用8BS砂石泵額定排

量為400m3/h,假定采用小0.3m的導(dǎo)管進行清孔，滿負(fù)荷時泥漿上

返流速可以達成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的規(guī)定，因此進入導(dǎo)管內(nèi)的鉆渣可以被有效的抽吸上來c

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，本工法推薦對于直徑L8m,設(shè)計

深度90m以下的樁，采用泵吸反循環(huán)法進行二次清孔;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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

漿補充到孔內(nèi)，并形成循環(huán)系統(tǒng)。

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4.4.2.2氣舉反循環(huán)的設(shè)備

氣舉反循環(huán)的設(shè)備非常簡樸,重要的構(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9?

20m3/h空壓機就可完畢整套施工工藝。

圖2給出了兩種形式的氣舉反循環(huán)設(shè)備。形式1是直接運用導(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(fēng)管即可,

缺陷是需要的風(fēng)量較大，需要大型的空壓機。形式2是在導(dǎo)管內(nèi)增長

了一根金屬排渣管，其缺陷是現(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(fēng)管的入水深度在30?40m,規(guī)定制作的

風(fēng)管長度為36ni,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（ni）,考

慮到風(fēng)管接頭密實性等因素，需要0.6?0.8mpa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

清孔完畢后，孔底沉渣應(yīng)嚴(yán)格控制在30cm以內(nèi)，泥漿指標(biāo)合格

（泥漿相對密度：1.03-1.10；粘度：17?20s；含沙率：＜2%）,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，導(dǎo)致沉渣過厚而影響樁的承載力。

由于泵吸反循環(huán)比較簡樸，運用較多，在此只提出氣舉反循環(huán)

的操作注意事項：

①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；

②出漿管及高壓進氣管的法蘭盤連接緊密，保證不漏氣；

③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)，

并且要在啟動反循環(huán)前先送漿，時刻觀測護筒內(nèi)泥漿面的變化情況,

防止泥漿補充局限性，水頭下降過大導(dǎo)致塌孔；

④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;

⑤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

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9?20nl3/h空壓機就可完畢整套施工工

藝。

7.安全措施

7.1.起重安全：本工法用到的重要的施工機械是汽車吊，因此

要注意起重安全，嚴(yán)格執(zhí)行起重操作規(guī)程，不能由于起重點重量不

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T操作，電器必須嚴(yán)珞接地、接零和漏電保護器,

場地電纜應(yīng)架空，嚴(yán)禁拖地和埋壓土中。

8.環(huán)保措施

1）施工機械注意保養(yǎng)，維修時防止油料灑落污染河水；

2）廢棄碎，清洗罐車、導(dǎo)管的廢水必須集中解決。

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、

集中解決。

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

必導(dǎo)致孔內(nèi)壓力大，這樣混凝土人導(dǎo)管排出的阻力增大，澆注困難；

此外正循環(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

測此時孔內(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)），若解決不妥，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c

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,

要達成沉渣厚度小于30cm的規(guī)定，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個小時就可以達成澆注狀態(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