反循环清孔在钻孔灌注桩中的应用

浅谈气举反循环在钻孔灌注桩中的应用
一．前言
气举反循环是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。

以下主要是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。

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
图1 气举反循环清孔示意图
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
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、风管、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,正常风量为20m3/m
(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
上海市洋山港小岩礁嵌岩斜桩项目，钻孔灌注桩桩径为φ1900mm,单根桩长30米到40；全部为嵌岩斜桩，设计要求钻入微分化岩层后1米深，孔底沉渣厚度≤50mm 。

本工程采用的钻机钻进和清空都是用了反循环。

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。

通过上海市洋山国际港小岩礁嵌岩斜桩项目的施工实践证明,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,只需一台钻孔掘进用的空压机,因而施工成本并不增加。

图2 气举反循环清孔工艺流程
(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)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确保停止清孔后立即灌注。

六．结语
气举反循环清孔清渣速度快、清渣彻底、影响深度深，能够满足高标准的沉渣要求。