钻孔灌注桩反循环二次清孔工法

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1、钻孔灌注桩反循环二次清孔工法编制单位：山东省路桥集团有限公司 编制时间： 2008年 7 月钻孔灌注桩反循环二次清孔工法1. 前 言钻孔灌注桩因孔底沉渣过厚往往会导致承载力折减， 根据以往工 程对地下桩超声波检测结果分析， 在桩基混凝土灌注正常情况下， 桩 基混凝土边缘部位有缺陷， 多数是混凝土内局部有夹块造成的。 经分 析认为：夹块由两部分组成， 即泥浆中的砂砾沉淀物以及钢筋笼下放 过程从井壁上刮落的粘泥块过厚， 在灌注桩时， 沉淀物随着混凝土上 升，因有钢筋笼或井壁阻隔，使沉淀物停滞在局部范围内，并最终造 成成桩中局部缺陷。在黄河中下游的钻孔灌注桩的设计文件中， 通常明确要求沉渣厚 度小于

2、30cm,比现行规范要求高许多，且工程地质条件复杂，主要 穿越地层为分砂层、 亚砂层、粘土层，其间交替夹杂有胶结砾岩薄层， 因此沉渣厚度控制是成孔质量控制的难点和重点。 因为从提钻到灌注 砼，对于百米深桩来说通常需要 12 个小时以上，在这个过程中，因 为泥浆静置时间过长， 会产生一部分的沉淀， 钢筋笼下放过程中也会 从井壁上挂落部分泥块，这些就构成沉渣，可能会超过设计要求，如 果不采取措施就灌注，容易引发各种质量事故。因此，需要在灌注前 二次清孔。2. 工法特点2.1清孔彻底：能满足孔底沉淀厚度w 30c m的要求；2.2 清孔速度快 : 从黄河三桥的实践情况看，如果正循环清孔情 况比较好的

3、话，一般采用气举反循环清孔 50 分钟左右就可以达到要 求；2.3 转换迅速 : 可以在 10 分钟内，由清孔状态转换到混凝土灌注 状态；2.4 经济便捷 : 本工法需用的机械设备少，材料用量少，制作简 单，方便灵活；3. 适用范围3.1 、 本工法适用范围：孔深 150m 以内的孔径、对沉渣厚度要 求较高，水上（陆地）钻孔灌注桩的施工。3.2 、 适用地层：粘土层、砂层、砾石层、卵石层、岩层等地层4. 施工工艺4.1 清孔的意义钻孔深度达到设计要求并符合终孔条件后， 应进行清孔。 清孔的 主要目的是清除孔底沉渣， 而孔底沉渣则是影响灌注桩承载能力的主 要因素之一。清孔则是利用泥浆在流动时所具

4、有的动能冲击桩孔底部 的沉渣，使沉渣中的岩粒、 砂粒等处于悬浮状态，再利用泥浆胶体的 粘结力使悬浮着的沉渣随着泥浆的循环流动被带出桩孔， 最终将桩孔 内的沉渣清干净，这就是泥浆的排渣和清孔作用。钻孔灌注桩灌注前，由于从提钻到导管陈放完毕这个过程很长， 对于钻孔灌注桩来说， 必然会使第一次清孔后的沉渣增加， 如果不采 取措施，沉渣过多，容易引起灌注事故，直接影响桩基的承载力，危 及结构安全。因此，必须高度重视灌注前的二次清孔工作。4.2 清孔方式选择的理论依据 沉淀物主要由泥块和沉淀砂砾组成。 泥块主要是由钢筋笼下放刮落的井壁泥皮造成的；而砂砾沉淀物主要由泥浆中的悬浮颗粒造成 的。确定沉渣颗粒在

5、泥浆处于悬浮状态的临界沉降速度 v0 的思路 是：假定颗粒为球形，其重力为 G,颗粒在液体中的浮力为 P,球形 颗粒在液体中的沉降阻力为 R。当G P时，岩屑下降，速度逐渐增 大，R值也随之增大。当R值达到足以使作用在岩屑上的三种力保持 平衡时，即R=G-P时，岩屑将以恒速vO下降。通过推导可得出沉降 速度（即雷廷格尔公式）为v =陰選口 -历=上尹（口- Q V3c Q V p式中：S -球形颗粒的直径，m p s颗粒的密度，kg/m3; p泥浆的密度，kg/m3;k 颗粒的形状系数，圆形颗粒k为44.5，不规则形 状的颗粒k为2.54。泥质孔的颗粒的最大尺寸与钻具和地质条件有关。根据最大颗

6、粒直径可求出vO,从而求得泥浆流量。假设球形颗粒的直径S =0.01m;颗粒的密度p s=2.3 x 103kg/m3;泥浆的密度p =1.1 x 103kg/m3;颗粒形状系数k=4;求的 v0=0.29m/s。4. 3传统正循环清孔法的弊端正循环清孔是泥浆由钻杆或导管注入孔底，带动沉淀物上浮，在重力作用下泥浆中砂砾等沉淀物有下沉的趋势，如果泥浆泵流量偏 小，将出现大颗粒砂砾悬浮在一定高度以下；如果想把大的沉渣颗粒排出孔外，一方面是加大泥浆的循环速度，另一方面是加大泥浆的密 度，但是，受现有泥浆泵排量的限制，泥浆的循环速度不可能提高很 多，加大泥浆比重的方法也不可行。另外因为井壁处泥浆比井中

7、心部 位流速慢，造成泥浆含砂率不均匀，最终不能将泥浆中大颗粒完全置 换到井外去，因此本工法不采用这种方法。如果用正循环清孔，尼.Om的孔的断面积为3.14m2,常用6PNL砂 石泵额定排量为280m3/h,假定采用2台并联送水，泥浆携带钻渣后 进入钻杆与孔壁形成的环闭空间后上返速度是很低的，满排量时浆液的上返速度仅达到0.05m/s。根据上述公式可见正循环钻进只有依靠 高浓度高密度泥浆来悬浮钻渣，最终端沉渣厚度不能保证符合设计要 求，从而容易引发质量隐患。表1钻孔用泥浆泵的主要性能名称钻进方式型号泵 流 量泵压（mpa）动力（kw）3(m /h)泥浆泵正循环6PNL2303200.275 0.

8、24530砂石泵反循环8BS4000.370 0.355754.4反循环清孔441反循环清孔通常采用两种方式，一种是泵吸反循环，另一 种是气举反循环。泵吸反循环是通过砂石泵的抽吸作用，在钻杆内腔形成负压，在孔内液柱和大气压的作用下，孔壁与环状空间的泥浆流 向孔底，将沉渣带进钻杆（导管）内腔，再经过砂石泵排至地面沉淀 池内；沉淀钻渣后，泥浆流向孔内，形成反循环。采用泵吸反循环法进行二次清孔，目前常用8BS砂石泵额定排量 为400m3/h,假定采用0.3m的导管进行清孔，满负荷时泥浆上返流 速可以达到1.58m/s，可以看出该速度远大于钻渣上返所需流速 0.29m/s的要求，因此进入导管内的钻渣能

9、够被有效的抽吸上来。由于现有的离心泵的泵压较小，无法满足直径 2m深达120多 米的钻孔灌注桩清孔的需要，因此，本工法推荐对于直径 1.8m,设计 深度90m以下的桩，采用泵吸反循环法进行二次清孔；对于直径2.0m, 设计深度120 m的桩采用气举反循环法进行二次清孔。4.4.2气举反循环4.4.2.1气举反循环的原理气举反循环的原理是：压缩空气经风管向导管（排渣管）内送风， 风管内的空气与泥浆混合物密度（约为 0.6 ）小于导管（排渣管）内 泥浆密度（约为1.1 ）,形成负压区，在大气压的作用下，汽水混合 物排出管外；孔底泥浆及沉淀物的混合物沿着导管上升，补充到负压 区；为防止孔中泥浆水头过

10、小，及时用泥浆泵将优质（含砂率低）泥 浆补充到孔内，并形成循环系统。度深水入管风压高那=恥一一度深水入管风压高4.4.2.2 气举反循环的设备气举反循环的设备非常简单， 主要的构造见图 2 所示。除了风管、 排渣金属管、排渣软管、法兰盘接头外，现场只需要一台920mVh空压机就可完成整套施工工艺。图 2 给出了两种形式的气举反循环设备。 形式 1 是直接利用导管 作为排渣管，优点是操作简便、工序转换速度快，现场只要沉放风管 即可，缺点是需要的风量较大，需要大型的空压机。形式 2 是在导管 内增加了一根金属排渣管， 其缺点是现场操作量比形式 1 复杂，其优 点是现场需要一个较小的空压机就可实现。

11、由理论计算和工程实践，以 120m 钻孔灌注桩为例，在此给出气 举反循环系统的几个参考数据：风管的入水深度在3040m要求制作的风管长度为36m,分为3节，每节12n,中间用法兰盘连接；风 压（mpa可按公式H/100+0.05计算，H为风管口入水深度（m）,考 虑到风管接头密实性等因素，需要0.60.8mpa风压；风量可以根据 桥涵（上册）（人民交通出版社 1999.11 ）空气吸泥机一章的有关 公式计算；5. 质量标准及质量控制清孔完成后，孔底沉渣应严格控制在 30cm以内，泥浆指标合格 （泥浆相对密度：1.031.10 ;粘度：1720s;含沙率：2%）,并 应立即进行检查验收。检查验收

12、合格后，应立即灌注水下混凝土，以 免渣土重新沉淀，造成沉渣过厚而影响桩的承载力。因为泵吸反循环比较简单， 运用较多， 在此只提出气举反循环的操作注意事项： 出浆管底口距离井口深度不宜小于 30m以形成足够的备压, 但也不能小于5m否则不能形成有效的反循环体系； 出浆管及高压进气管的法兰盘连接紧密，确保不漏气； 气举反循环过程中，保证有足够的优质泥浆补充到井孔内， 并且要在开启反循环前先送浆，时刻观察护筒内泥浆面的变化情况， 防止泥浆补充不足，水头下降过大造成塌孔； 为防止孔内沉淀物堵塞出浆管，在气举反循环前，要把导管 提离孔底一段距离，待反循环形成后，视出浆清孔逐步下沉； 由于桩孔较大，要左、

13、右移动导管及前后移动平台，使清孔比 较彻底。6. 机具设备6.1泵吸反循环清孔设备：排渣软管、8BS砂石泵。6.2 气举反循环清孔设备：除了风管、排渣金属管、排渣软管、 法兰盘接头外，现场只需要一台920m3/h空压机就可完成整套施工 工艺。7. 安全措施7.1 、起重安全：本工法用到的主要的施工机械是汽车吊，因此 要注意起重安全， 严格执行起重操作规程， 不能因为起重点重量不大 而掉以轻心。7.2 、用电安全：、严格用电管理，施工现场的一切电源电路的安 装和拆除，必须由持证电工操作，电器必须严格接地、接零和漏电保 护器，场地电缆应架空，严禁拖地和埋压土中。8. 环保措施1 ）施工机械注意保养

14、，维修时防止油料洒落污染河水；2）废弃砼，清洗罐车、导管的废水必须集中处理。3）经常对施工机械进行保养，尽量减少噪音污染。4）施工过程中的废弃物、边角料、包装袋等及时收集、清理、 集中处理。9. 效益分析9.1 反循环法二次清孔技术给我们带来的第一个效益就是质量安 全：灌注混凝土是保证成桩质量的关键工序， “断桩”、“夹泥”、“堵 管”等常见的灌注质量事故都与孔内混凝土上部压力过大有一定关 系。正循环为了有效的排渣，选用的泥浆（泥浆）密度高、浓度大， 势必造成孔内压力大， 这样混凝土人导管排出的阻力增大， 浇注困难； 另外正循环钻孔过程中因泥浆浓度高、 密度大所形成的孔底沉渣， 很 难从孔中完

15、全清除， 所以其中一部分在浇注过程中卷入泥浆中更加大 混凝土抬升的阻力， 这种阻力在灌注临近结束时更加明显 （可以观察 此时孔内排出的泥浆密度、浓度明显加大，流淌缓慢，偶尔有大块的 絮状泥块出现），若处理不当，很容易使临近桩顶 10m左右混凝土质 量差、强度低， 而该部分又是桩受力的关键位置。反循环二次清孔技 术的运用使钻渣清理较为彻底，因此灌注较为顺畅，桩顶沉渣少，桩 身混凝土质量明显提高。9.2 反循环法二次清孔技术大大缩短了百米深桩的清孔时间， 提 高了成孔效率。通常，对于百米深桩而言，采用正循环法进行清孔， 要达到沉渣厚度小于30cm的要求，大约需要10个小时的时间，而采 用反循环法进行二次清孔，一般只要 1 个小时就可以达到浇注状态。9.3 经济效益明显。 对于黄河中下游这种地质条件而言， 如采用 反循环法成孔，一个设计钻深120m，直径2.0m的钻孔灌注桩的成孔 时间大约为 5 天；采用正循环法成孔，反循环清孔的工艺，成孔时间 在 7 天左右；但是反循环施工工艺的设备功率大约是正循环工艺设备的 2 倍，这样算下来，每一个孔大约可以节约 30的费用。综上所述，反循环本身所具有的特点，给提高成孔效率、成桩质 量和综合经济效益等方面带来一系列的好处。10. 工程实例从施工经