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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、公路桥梁等工程的基础工程。钻孔灌注桩沉渣的清理是控制桩身质量的关键,传统的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,其清孔效果远好于一般清孔工艺。本文就此介绍气举反循环清孔工艺的运用,并比较对工程监理质量以及经济效益带来的影响。
      [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:
      传统的钻孔灌注桩多采用回转钻成孔灌注桩、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、防止塌方用。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。钻孔应采用泥浆护壁措施,防止塌孔。现场须设置泥浆池,泥浆通过泥浆泵吸入导管,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,立即进行第一次清孔。第一次清孔时,一般采用循环换浆法,反复用泥浆循环清孔,清空过程中必须及时补充泥浆,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,以达到第一次清理沉渣目的。清渣完成后,安装钢筋笼,在浇筑砼前须进行第二次清孔。
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      第一次清孔属于正循环清孔方法,本文主要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用循环灌浆法,让钻头在原位继续转动,通过导管注入清水,控制泥浆密度在10KN/m3以下;对于孔壁土层性能差、不稳定的则注入泥浆(~)。注入冲洗液携带钻渣后进入钻杆与孔壁形成的环闭空间上返,排出桩孔以外,以达到沉渣清理效果。简单的说,正循化清孔的定义就是沉渣从导管外溢出的清渣工艺。
      2、反循环清孔工艺
      从前文所述、顾名思义,反循环清孔的定义就是沉渣从导管内排出的清渣工艺。反循环清孔工艺有多种,一般有泵吸法、空气吸泥机法等种。近年来出现的气举反循环法相对工艺更为简单,清孔效果明显,推广较快。监理工程师论坛/
      气举反循环清孔是利用空压机的压缩空气,通过安装在导管内的风管送至桩孔内,高压气与泥浆混合,在导管内形成一种密度小于泥浆的浆气混合物,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,下面的泥浆在负压的作用下上升,并在气压动量的联合作用下,不断补浆,上升至混合器的泥浆与气体形成气浆混合物后继续上升,从而形成流动,因为导管的内断面积大大小于导管外壁与桩壁间的环状断面积,便形成了流速、流量极大的反循环,携带沉渣从导管内反出,排出导管以外。
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      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,故导管上部相应增加连接阀门,风管下部是气浆混合器。反循环工艺导致沉渣从导管内反出,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,气举反循环工艺的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,减少拔出风管时与钢筋笼牵挂的危险、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。否则,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。这样的后果是增加了作业时间,且由于反循环二次清孔效果较好,这样做也显得毫无必要。
      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300~400mm为宜,~。
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      2、主要参数:空压机的风量6~9m3/min,导管出水管直径>Φ200mm,送风管直径(水管)Φ25mm,浆气混合器用Φ25mm水管制作,在1m左右长度范围内打6排孔、每排4个Φ8mm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,特别要注意补浆量,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,可适当加大送风量,并摇动出水管(导管),以利排渣。
      5、随着钻渣的排出,孔底沉淤厚度较小,出水管(导管)应同步跟进,以保持管底口与沉淤面的距离。
      6、清孔后,,粘度18~20s,孔底沉渣厚度≤5cm。
      7、反循环法清孔时所需风压P的计算。
      P=γs·h0/1000+ΔP
      γs——泥浆比重(KN/m3),
      h0——混合器沉没深度(m)
      ΔP——供气管道压力损失,~
      四、气举反循环清孔速度
      气举反循环与正循环在沉渣的冲洗、上返流速存在巨大差异。
      气举反循环冲洗液携带钻渣后迅速进入过水断面较小的钻杆内腔,可以获得比正循环高出数倍的上返速度。 
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      根据钻探水力学原理,-,即Va=(-)Vs。反循环清孔至钻渣在导管内运动,使形态各异的钻渣群在有限的空间作悬浮运动,上升速度较快。由于返浆速度较大,以内径200mm的导管为例,粒径约100-150mm的石块也能清运出来。这一优点和泵吸反循环清孔工艺相类似,但是泵吸法循环系统复杂,砂石泵故障多是主要缺点;这一优点是空气吸泥机法所不能比拟的,一般通过空气吸泥机法清孔,由于空气混合室构造、送风管距孔底距离较近等原因,只能清出约50mm粒径的石子。
      而正循环清孔,冲洗液携带钻渣后进入钻杆与孔壁形成的环形空间上返,由于冲洗液上返断面面积大,上返速度较慢,因此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。在选用基岩作持力层时,这种情况显得尤为明显。
      本单位施工的的某高层建筑桩基施工验证了上述观点。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。当时对第一根桩、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,对比效果明显。
      五、气举反循环清孔质量
      通过上述试验已表明,气举反循环清孔由于返浆速度快,清渣效果较好,沉渣层较薄,而沉渣层厚度大小与单桩承载力高低密切相关。还是以上述的高层建筑桩基为例,该工程3根装在试桩时极限承载力均达到14500KN以上,这在浙江湖州市一带是较为罕见的。该工程桩基施工完成后,对桩身质量进行钻芯取样检查,其沉渣厚度在20mm以内,也证明了这一点。
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      从另一角度,在桩基持力层为基岩的前提下,正循环为了有效的排渣,选用的泥浆(冲洗液)密度较高、浓度较大,势必造成孔内压力大,对孔壁四周作用力也大,孔壁四周泥皮较厚,降低了孔四周摩阻力,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,下面从几个方面分析经济效果。
      1、沉渣厚度减小,提高单桩承载力,优化桩径,降低工程造价。
      单桩承载力的大小,取决于桩周土的摩阻力与桩底端承力,气举反循环清孔过程中形成的泥皮较薄从而使摩阻力增大,桩底沉渣清除较为彻底,无软弱层从而提高桩的端承力,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。
      钻孔灌注桩桩基采用气举反循环法清孔施工时,每根桩清孔约减少2个小时时间,提高了劳动生产率,加快设备周转周期,直接降低了工程施工成本。
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      3、清渣速度快,泥浆排放量减少,减少环境污染,降低施工清运处理成本。
      根据预算定额,废浆排运费约占工程成本8%-10%,每根桩减少2小时排放时间,且气举反循环法清孔渣分离容易,以笔者施工的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
      通过以上分析,从工期、质量、环保、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钻孔灌注桩施工中的优越性更是其他工艺无法比拟的。