气举反循环清孔工艺.doc

钻孔灌注桩气举反循环清孔工艺摘要: 钻孔灌注桩因机具设备简便、 施工方便, 成孔质量可靠, 施工费用低等原因, 被广泛地应用于高层建筑、 公路桥梁等工程基础工程。钻孔灌注桩沉渣清理是控制桩身质量关键, 传统钻孔灌注桩施工为正循环钻进、 正或反循环清孔成孔工艺, 而近几年在浙江一带出现钻孔灌注桩气举反循环清孔工艺, 其清孔效果远好于通常清孔工艺。本文就此介绍气举反循环清孔工艺利用, 并比较对工程质量以及经济效益带来影响。 关键词: 钻孔灌注桩 气举反循环 二次清孔 一、 钻孔灌注桩工艺: 传统钻孔灌注桩多采取回转钻成孔灌注桩、 潜水电钻成孔灌注桩。成孔前先安装钢板护筒, 以作保护孔口、 定位导向 维护泥浆面、 预防塌方用。钻机就位后开始钻孔, 钻孔时电机带动导管、 导管根部钻头旋转, 破坏土层结构, 形成钻渣。钻孔应采取泥浆护壁方法, 预防塌孔。现场须设置泥浆池, 泥浆经过泥浆泵吸入导管, 从导管底部排出, 带动钻渣向上从桩孔中溢出, 再排入沉淀池。 钻孔施工至设计标高时, 立刻进行第一次清孔。第一次清孔时, 通常采取循环换浆法, 反复用泥浆循环清孔, 清空过程中必需立刻补充泥浆, 并保持浆面稳定。孔中土颗粒、 岩石屑等钻渣随浆液溢出孔外, 以达成第一次清理沉渣目。清渣完成后, 安装钢筋笼, 在浇筑砼前须进行第二次清孔。 第一次清孔属于正循环清孔方法, 本文关键探讨第二次清孔工艺。 二、 正、 反循环清孔工艺介绍: 1、 正循环清孔工艺 第二次正循环清孔采取循环灌浆法, 让钻头在原位继续转动, 经过导管注入清水, 控制泥浆密度在10KN/m3以下; 对于孔壁土层性能差、 不稳定则注入泥浆（泥浆密度11.512.5KN/M3）。注入冲洗液携带钻渣后进入钻杆与孔壁形成环闭空间上返, 排出桩孔以外, 以达成沉渣清理效果。简单说, 正循化清孔定义就是沉渣从导管外溢出清渣工艺。 2、 反循环清孔工艺 以前文所述、 顾名思义, 反循环清孔定义就是沉渣从导管内排出清渣工艺。反循环清孔工艺有多个, 通常有泵吸法、 空气吸泥机法等种。多年来出现气举反循环法相对工艺更为简单, 清孔效果显著 推广较快。 气举反循环清孔是利用空压机压缩空气, 经过安装在导管内风管送至桩孔内, 高压气与泥浆混合, 在导管内形成一个密度小于泥浆浆气混合物, 浆气混合物因其比重小而上升, 在导管内混合器底端形成负压, 下面泥浆在负压作用下上升, 并在气压动量联合作用下, 不停补浆, 上升至混合器泥浆与气体形成气浆混合物后继续上升, 从而形成流动, 因为导管内断面积大大小于导管外壁与桩壁间环状断面积, 便形成了流速、 流量极大反循环, 携带沉渣从导管内反出, 排出导管以外。 3、 气举反循环清孔工艺设备比较 反循环工艺较正循环工艺而言, 增加空压机一台、 风管一套。该风管在二次清孔时安装在导管内, 故导管上部对应增加连接阀门, 风管下部是气浆混合器。反循环工艺造成沉渣从导管内反出, 导管上部增加三通一套, 排至接渣篮。 相对其它反循环清孔工艺, 气举反循环工艺送风管安装在导管内, 不像其它反循环清孔工艺在导管外安装风管, 降低拔出风管时与钢筋笼牵挂危险、 更保护泥浆护壁, 且气浆混合器制作简单, 操作更为方便, 故更适适用于小孔径（直径500-800）钻孔灌注桩。 因气举反循环工艺特点, 钻孔灌注桩第一次清孔时并不适用气举反循环清孔工艺了。不然, 须逐节拔出导管, 再安装风管, 待第一次清空完成后, 再次拔出、 拆除导管与风管, 待钢筋笼就位后, 再二次安装风管进行第二次清孔。这么后果是增加了作业时间, 且因为反循环二次清孔效果很好, 这么做也显得毫无必需。 三、 气举反循环清孔工艺操作要领 1、 导管下放深度以出浆管底距沉淤面300400mm为宜, 风管下放深度通常以气浆混合器至泥浆面距离与孔深之比0.550.65来确定。 2、 关键参数: 空压机风量69m3/min, 导管出水管直径200mm, 送风管直径（水管）25mm, 浆气混合器用25mm水管制作, 在1m左右长度范围内打6排孔、 每排4个8mm孔即可。 3、 开始送风时应先孔内送浆（补浆）, 停止清孔时应先关气后断浆。清孔过程中, 尤其要注意补浆量, 严防因补浆不足（水头损失）而造成塌孔。 4、 送风量应从小到大, 风压应稍大于孔底水头压力, 当孔底沉渣较厚、 块度较大, 或沉淀板结时, 可合适加大送风量, 并摇动出水管（导管）, 以利排渣。 5、 伴随钻渣排出, 孔底沉淤厚度较小, 出水管（导管）应同时跟进, 以保持管底口与沉淤面距离。 6、 清孔后, 孔内泥浆比重应小于1.20, 粘度1820s, 孔底沉渣厚度5cm。 7、 反循环法清孔时所需风压P计算。 P=sh0/1000+P s泥浆比重（KN/m3）, 通常取1.2 h0混合器淹没深度（m） P供气管道压力损失, 通常取0.050.1MPa 四、 气举反循环清孔速度 气举反循环与正循环在沉渣冲洗、 上返流速存在巨大差异。 气举反循环冲洗液携带钻渣后快速进入过水断面较小钻杆内腔, 能够取得比正循环高出数倍上返速度。 依据钻探水力学原理, 冲洗液在钻孔内上返速度是钻渣颗粒群悬浮速度1.2-1.3倍, 即Va=（1.2-1.3）Vs。反循环清孔至钻渣在导管内运动, 使形态各异钻渣群在有限空间作悬浮运动, 上升速度较快。因为返浆速度较大, 以内径200mm导管为例, 粒径约100-150mm石块也能清运出来。这一优点和泵吸反循环清孔工艺相类似, 不过泵吸法循环系统复杂, 砂石泵故障多是关键缺点; 这一优点是空气吸泥机法所不能比拟, 通常经过空气吸泥机法清孔, 因为空气混合室结构、 送风管距孔底距离较近等原因, 只能清出约50mm粒径石子。 而正循环清孔, 冲洗液携带钻渣后进入钻杆与孔壁形成环形空间上返, 因为冲洗液上返断面面积大, 上返速度较慢, 所以可能部分比重较大渣层颗粒会回落, 须反复循环清孔, 耽搁时间。在选择基岩作持力层时, 这种情况显得尤为显著。 本单位施工某高层建筑桩基施工验证了上述见解。该工程设计为直径1000钻孔灌注桩, 持力层为基岩, 桩基入岩深度1300, 设计选3根桩试桩, 做破坏试验。当初对第一根桩、 第二根桩有意作了对比试验。第一根桩二次清孔时不安装风管, 清孔2小时后, 再安装风管, 20分钟内, 又清理出石渣26kg; 第二根桩二次清孔时, 安装风管清孔, 30分钟内清理完成, 对比效果显著。 五 气举反循环清孔质量 经过上述试验已表明, 气举反循环清孔因为返浆速度快, 清渣效果很好, 沉渣层较薄, 而沉渣层厚度大小与单桩承载力高低亲密相关。还是以上述高层建筑桩基为例, 该工程3根装在试桩时极限承载力均达成14500KN以上, 这在浙江湖州市一带是较为罕见。该工程桩基施工完成后, 对桩身质量进行钻芯取样检验, 其沉渣厚度在20mm以内, 也证实了这一点。 从另一角度, 在桩基持力层为基岩前提下, 正循环为了有效排渣, 选择泥浆（冲洗液）密度较高、 浓度较大, 势必造成孔内压力大, 对孔壁四面作用力也大, 孔壁四面泥皮较厚, 降低了孔四面摩阻力, 也降低了单桩承载力。 故从质量角度来看 应推荐气举反循环清孔工艺。 六、 经济效果分析 表面上看, 气举反循环工艺增加了设备, 增加了工程成本, 其实不然, 下面从多个方面分析经济效果。 1、 沉渣厚度减小, 提升单桩承载力, 优化桩径, 降低工程造价。 单桩承载力大小, 取决于桩周土摩阻力与桩底端承力, 气举反循环清孔过程中形成泥皮较薄从而使摩阻力增大, 桩底沉渣清除较为根本, 无软弱层从而提升桩端承力, 按试桩结果设计时, 势必降低桩基工程成本。 2、 清渣速度快, 缩短工期, 降低施工成本。 钻孔灌注桩桩基采取气举反循环法清孔施工时, 每根桩清孔约降低2个小时时间, 提升了劳动生产率, 加紧设备周转周期, 直接降低了工程施工成本。 3、 清渣速度快, 泥浆排放量降低, 降低环境污染, 降低施工清运处理成本。 依据预算定额, 废浆排运费约占工程成本8%-10%, 每根桩降低2小时排放时间, 且气举反循环法清孔渣分离轻易, 以笔者施工30米深钻孔灌注桩为例, 泥浆排放成本相比以前下降约5%。 七、 总结 经过以上分析, 从工期、 质量、 环境保护、 经济等多角度分析, 钻孔灌注桩气举反循环二次清孔施工工艺值得推广, 其在桩基持力层为基岩、 孔径在500-800mm钻孔灌注桩施工中优越性更是其她工艺无法比拟。大口径气举反循环钻进成孔过程故障判定 大口径气举反循环钻进成孔过程故障判定现在, 大口径钻孔灌注桩在重大基础工程中得到了广泛应用。因为大口径钻孔灌注桩为隐蔽工程及其施工工艺复杂性, 故在施工中, 风险是相当大。大口径钻孔灌注桩施工施工分三大步骤-成孔、 钢笼制作与安装、 混凝土灌注。其中以成孔过程中事故发生率相对较大。为此, 在成孔施工中怎样立刻判定故障发生并立刻处理在大口径钻孔灌注桩施工中是至关关键。鉴于大口径钻孔灌注桩成孔孔径大、 钻孔深等特点, 施工通常都采取气举反循环工艺方法。依据这几年来, 从事大口径经验及经过各方面调查, 就总结了大口径钻孔灌注桩成孔过程中钻具裂隙判定、 孔壁稳定性判定和孔内障碍物判定方法作以下总结。1.钻具裂隙判定 序号钻具部位现象裂隙部位检验方法备注1孔内液面以上钻具钻杆外壁漏气外壁眼睛观察反循环排渣口出气不出水、 空压机气压显著偏低内壁或水龙头观察空压机及出渣口反循环排渣口出水较少气量较大、 空压机气压较小内壁或密封圈观察空压机及出渣口气室离钻头底距离太短情况下也可能造成此现象2孔内液面至气室段钻具孔内有围绕钻杆中心气泡(气泡主离钻杆中心较近)外壁(离液面较近)悬吊钻具重新起动空压机观察钻孔液面气泡大小及密集程度决定裂隙大小（气室离钻头底距离太短情况下也可能造成此现象）孔内有围绕钻杆中心气泡(气泡均布钻孔液面)外壁(离气室较近)悬吊钻具重新起动空压机观察钻孔液面反循环排渣口出水量偏小、 空压机气压偏小(出渣口有时有少许气出现)内壁(离气室较近)观察空压机及出渣口反循环排渣口出水量小、 气量较大、 空压机气压偏小内壁(离液面较近)观察空压机及出渣口3气室以下至孔底段钻具施工中假如在此段钻具出现裂隙是极难判定, 为此施工前应做好以下三点: 1.尽可能降低此段钻具2.下钻前,对此段钻具进行加固3.上下提钻时加强检验在气举反循环成孔钻杆通常为双壁钻杆或单壁钻杆外有两根送气管。上述外壁指双壁钻杆外壁或单壁钻杆送气管。空压机气压显著偏低是指空压机实际压力与钻进中气室在该段埋深形成反循环所需空气压力之间压力差比较悬殊。2.孔壁稳定性判定序号判定指标现象稳定性判定原因备注1渣粒出渣量比钻孔进尺计算量严重偏多不稳定局部孔壁坍塌出渣量比钻孔进尺计算量严重偏少不稳定地层松散出现孔洞出渣量与钻孔进尺计算量基础相符稳定地层稳定、 孔径正常渣粒破碎严重稳定地层较致密渣粒基础无破碎不稳定地层松散2泥浆泥浆粘度急速变小不稳定孔壁松散、 泥浆漏失、 地层水侵入粘度变大或不变稳定无地层水侵入及泥浆漏失泥浆漏失严重不稳定地层裂隙或松散泥浆基础无漏失稳定地层密实无裂隙3钻进情况钻进速度相对较快不稳定地层相对松散钻进速度相对较慢稳定地层相对致密钻头晃动猛烈不稳定地层阻力较小、 有扩孔可能钻头基础无晃动稳定无扩孔情况上述是从单个现象来判定孔壁稳定, 但实际过程中部分现象可能是其它问题造成假象, 故问题分析时应结合全部现象综合考虑分析孔壁稳定性。3.孔内障碍物判定序号障碍物现象备注1孔内有障碍物.钻机扭矩应力忽然增大当任何一个现象比较显著且频繁连续发生时, 都可能是孔内障碍物造成。.钻机电流负荷增大.钻机抖动猛烈.钻杆偏离中心、 间断性崩跳转动.钻头、 钻杆堵塞.渣粒有铁屑或非岩土层物质空压机压力与气室埋深计算压力严重不符2孔内无障碍物无上述现象上述三种事故判定方法在通常情况下含有一定指导作用, 但碰到特殊情况时, 应依据成孔特殊环境或施工条件加以综合分析。