钻孔灌注桩反循环二次清孔工法

钻孔灌注桩反循环二次清孔工法

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≤30cm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v0下降。通过推导可得出沉降速度（即雷廷格尔公式）为

式中：δ--球形颗粒的直径，m；ρs—颗粒的密度，kg/m3；ρ—泥浆的密度，kg/m3；

k—颗粒的形状系数，圆形颗粒k为4～4.5，不规则形状的颗粒k为2.5～4。

泥质孔的颗粒的最大尺寸与钻具和地质条件有关。根据最大颗粒直径可求出v0，从而求得泥浆流量。

假设球形颗粒的直径δ=0.01m；颗粒的密度ρs=2.3×

103kg/m3；泥浆的密度ρ=1.1×103kg/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，φ2.0m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。

4.4反循环清孔

4.4.1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φ0.3m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120m 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。

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、