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气举反循环清孔在嵌岩桩中的应用

一．前言
气举反循环是我国20世纪90年代引进推广的新技术，主要应用于成孔钻进和桩基清孔。清孔是钻孔灌注桩施工工艺中至关重要的一环,尤其对嵌岩桩而言,它直接影响端承力的发挥,在施工规范中也严格规定端承桩沉渣不得超过50mm ,有些工程甚至要求零沉渣控制。钻孔灌注桩清孔的传统方法主要有旋挖钻机回钻清孔、正循环清孔、泵吸反循环清孔。钻机回钻清孔速度快但清渣不彻底，不能满足沉渣要求；正循环清孔效率低，清渣不彻底；泵吸反循环清孔受泵的扬程限制，效率低。当桩长长，孔径大，沉渣指标严格时，传统方法不能满足施工要求，而气举反循环清孔则弥补了传统清孔方法的不足之处，以影响深度深、清孔速度快、清渣彻底能满足沉渣要求，得到了很快的推广和应用。本文主要针对气举反循环在钻孔灌注桩施工中清渣的应用展开讨论。
二． 气举反循环清孔的原理
如图1 所示,空气压缩机将压缩空气输进风管,空气经风管底部排出和泥浆形成气液混合物。孔底沉渣在喷出气体的冲击作用下悬浮起来,由于管内、外液体的密度差,孔内泥浆、空气、沉渣的三相流沿导管向上运行,被排出孔口,进入接渣篮。过滤出泥浆中的沉渣后,过滤后的泥浆又重新进入孔内，反复循环直至孔底沉渣厚度达到规范要求。
图1 气举反循环清孔示意图
参见图1,风管底部到孔内泥浆顶面深度为h1 ,从孔内泥浆顶面到导管内泥浆顶面高度差为h2 , 导管内三相流密度为ρn ,导管外液体密度为ρw,则作用于风管底部液面上内外液体柱压力差为:
ΔP =ρw * h1 - ρn ( h1 + h2 ) = (ρw - ρn) h1 - ρn * h2 ……①
正是这个压力差,驱动导管内风管底口以上的三相流沿导管上升,并克服循环过程中的各种阻力,形成反循环。考虑到供气管道的压力损失,故空气压力应按下式计算:
　　　　　　　　　　　　P =ρn * h1/ 102 + Ps……②
式中: Ps 供气管道压力损失,一般取0.05～0.1 MPa。
由①式可以看出,管外泥浆密度 ρw 和 h1 、h2 相对稳定的情况下,降低三相流的密度ρn (通过增大压气量实现) 将提高驱动气举反循环的压力差,因此送往孔内的空气流量和压力是影响气举反循环排渣能力的重要参数；h1越大，h2越小则压力差越大，所以当孔内缺浆时不能形成反循环，应保持孔内泥浆面达到合适高度从而增大h1减小h2；ρw为三相流密度，当孔内泥浆固相所占比例较大时也不能形成反循环，只有在ρw相对小的情况下，增大ρw与ρn的差值才能提高清孔效率。
由②式可以看出，空压机的选择应有P确定，主要受h1和ρn控制。当孔较深，泥浆比重较大时所需的压力较大。因此要根据工程的实际桩长计算P确定空压机型号；尽最大的可能减小Ps，应经常检查风管是否漏气，接头处是否严密使压力损失减到最小。
三． 气举反循环施工工艺
2.1 施工设备
表1 气举反循环清孔主要设备
设备名称 型 号 备 注
吊 车 QY16型 以具体桩长桩径确定
水 泵 3PNL泥浆泵 配有适量的泥浆管
空压机 8m3空压机 最大压力为0.8MP
灌注导管 250mm钢制导管 双密封圈、丝扣连接方式
风 管 25mm塑料风压管 长度根据孔深确定
接渣篮 自 制 周边用钢筋加固，四周用4mm筛网扎紧

2.2 施工工艺
清孔前准备工作:测量并记录孔深，和终孔深度相
对比，计算沉渣厚度；检查导管、塑料风压管、空压
机组、水泵等各种设备是否完好。
工艺流程:
(1) 钢筋笼下放完毕后,下入灌注导管至孔底10mm处。
(2) 将风管从灌注导管内下放至导管底口200mm处。
(3) 并将风压管的另一端从中引出与空压机组连接。
(4) 将接渣篮放在出渣口下，并保证孔内泥浆高度，
以防塌孔。
(5) 开动空压机清孔，风量、风压由小到大,正常风
图2 气举反循环清孔工艺流程图
量为8m3/h,风压为0.4-0.7MPa。
(6) 测量孔内沉渣厚度和泥浆比重,确认达到质量标准后,先关空压机，卸下导管帽,拔出风压管,进行正常灌注。
四． 工程实践及效果与质量评价
广东河源电厂建设的2×600MW 超超临界燃煤发电机组，钻孔灌注桩桩径为Φ800、1000、1100、1250mm，约2316根，单根桩长平均7米到25米；全部为嵌岩桩，要求入岩深度为2D，孔底沉渣厚度≤50mm。本工程采用了气举反循环清孔。通过预埋声测管，做超声波检测，孔底沉渣均能满足设计要求。
通过广东河源电厂的施工实践证明,气举反循环进行嵌岩桩清孔效果较为理想，主要技术优势如下：
(1)与传统清孔工艺相比大大缩短了二次清孔
的时间。
(2)清孔质量好，清渣彻底，二次清孔后,全部
达到50mm以下,满足了设计要求。
(3)桩基的桩端承载力提高，最终沉降量减小。
(4)配置设备少,只需添置一台空压机,因而施工
图3 气举反循环清孔实景
成本增加不多。
(5)工艺简单,经过简单培训施工人员便能掌握。

五． 施工中需要注意的问题
(1)灌注导管要密封不漏气。将导管下至距孔底100mm处清孔效果最佳，这样能保证沉渣顺利的进入导管。当沉渣过多时（≥1.0米）可以先拆除一节导管，确保导管口在沉渣面以上100mm。当沉渣减少再将导管长度按孔深配置。上下活动导管，可以提高清孔效率。
(2)塑料风管不能插入过深，也不宜插入过浅。如果风管超过导管口，压缩空气会在导管口外冒出不会形成反循环；如果插入过浅对孔底的沉渣扰动较小，清孔效果不好。一般在导管口上200mm为宜。
(3)保证孔内泥浆在护筒底口以上，以防泥浆循环时将孔壁冲塌。清孔时间不宜过长，在沉渣满足要求以后立即进行灌注成桩。
(4)将泥浆比重调整到合适的范围。如果泥浆比重小于1.05，泥浆的含渣的能力较差。在遇到沙层时细沙循环在孔内沉淀。可以调整泥浆比重达到1.10左右，并在接渣篮下挖一大坑使细沙在坑中沉淀；如果泥浆比重大于1.30，则导管内外的压力差相对较小，不能形成反循环。特别对于成孔后放置时间较长的孔，底部泥浆比重更大，可以先用正循环将泥浆混合均匀，再用反循环清孔，边清渣边加清水，直至沉渣和泥浆指标都符合要求。
(5)注意空压机的正确启动，送气时风量、风压应由少到大,防止导管的瞬时上浮和风压管的破裂。并注意空压机的日常维护，特别注意润滑油的添加。
(6)正确判断清渣的质量。沉渣测定可用沉渣测厚仪。在工程中用测绳检测最为常见，首先要测量孔深，当锤击孔底时，感觉有反弹，声音较清脆时说明清渣效果较好。
(7) 清渣完毕后立即灌注成桩。清孔时不可能将形成沉渣的颗粒物全部清除干净，有一些必定悬浮在泥浆中，如果等待时间过长必定还会沉淀形成沉渣，特别在泥浆比重较小时沉淀速度更快。所以在清孔时就要做好灌注的各种准备，确保停止清孔后立即灌注。
六．结论
实践证明气举反循环清孔清渣速度快、清渣彻底、影响深度深，使高标准沉渣要求的实现成为现实。气举反循环清孔使清孔工艺上升了一个新台阶，在工程实践中会应用的越来越广泛。