钻孔灌注桩反循环二次清孔工
法
时间：2021.03.06 创作：欧阳道 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；
欧阳道创编 2021.03.06
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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。
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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
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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。
表1钻孔用泥浆泵的主要性能 泵名称 钻进方式 型号 3流量泵压(mpa) 动力(kw) (m/h) 泥浆泵 砂石泵 正循环 反循环 6PNL 8BS 230～320 400 0.275～0.245 0.370～0.355 30 75 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
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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、排渣金属管、排渣软管、法兰盘接头外，现场只需要一台9～20m3/h空压机就可完成整套施工工艺。
图2给出了两种形式的气举反循环设备。形式1是直接利用导管作为排渣管，优点是操作简便、工序转换速度快，现场只要沉放风管即可，缺点是需要的风量较大，需要大型的空压机。形式2是在导管内增加了一根金属排渣管，其缺点是现场操作量比形式1复杂，其优点是现场需要一个较小的空压机就可实现。
由理论计算和工程实践，以120m钻孔灌注桩为例，在此给出气举反循环系统的几个参考数据：风管的入水深度在30～40m，要求制作的风管长度为36m，分为3节，每节12m，中间用法兰盘连接；风压（mpa）可按公式H/100+0.05计算，H为风管口入水深度（m），考虑到风管接头密实性等因素，需要0.6～0.8mpa风压；风量可以根据《桥涵》（上册）（人民交通出版社1999.11）空气吸泥机一章的有关公式计算； 5.质量标准及质量控制
清孔完成后，孔底沉渣应严格控制在30cm以内，泥浆指标合格（泥浆相对密度：1.03～1.10；粘度：17～20s；含沙率：<2﹪），并应立即进行检查验收。检查验收合格后，应立即灌注水下混凝土，以免渣土重新沉淀，造成沉渣过厚而影响桩的承载力。
因为泵吸反循环比较简单，运用较多，在此只提出气举反循环的操作注意事项：
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① 出浆管底口距离井口深度不宜小于30m，以形成足够的备压，但也不能小于5m，否则不能形成有效的反循环体系；
② 出浆管及高压进气管的法兰盘连接紧密，确保不漏气；
③ 气举反循环过程中，保证有足够的优质泥浆补充到井孔内，并且要在开启反循环前先送浆，时刻观察护筒内泥浆面的变化情况，防止泥浆补充不足，水头下降过大造成塌孔；
④ 为防止孔内沉淀物堵塞出浆管，在气举反循环前，要把导管提离孔底一段距离，待反循环形成后，视出浆清孔逐步下沉；
⑤由于桩孔较大，要左、右移动导管及前后移动平台，使清孔比较彻底。 6.机具设备
6.1泵吸反循环清孔设备：排渣软管、8BS砂石泵。
6.2气举反循环清孔设备：除了风管、排渣金属管、排渣软管、法兰盘接头外，现场只需要一台9～20m3/h空压机就可完成整套施工工艺。 7.安全措施
7.1、起重安全：本工法用到的主要的施工机械是汽车吊，因此要注意起重安全，严格执行起重操作规程，不能因为起重点重量不大而掉以轻心。
7.2、用电安全：、严格用电管理，施工现场的一切电源电路的安装和拆除，必须由持证电工操作，电器必须严格接地、接零和漏电保护器，场地电缆应架空，严禁拖地和埋压土中。 8.环保措施
1）施工机械注意保养，维修时防止油料洒落污染河水；
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2）废弃砼，清洗罐车、导管的废水必须集中处理。
3）经常对施工机械进行保养，尽量减少噪音污染。
4）施工过程中的废弃物、边角料、包装袋等及时收集、清理、集中处理。 9.效益分析
9.1反循环法二次清孔技术给我们带来的第一个效益就是质量安全：灌注混凝土是保证成桩质量的关键工序，“断桩”、“夹泥”、“堵管”等常见的灌注质量事故都与孔内混凝土上部压力过大有一定关系。正循环为了有效的排渣，选用的泥浆（泥浆）密度高、浓度大，势必造成孔内压力大，这样混凝土人导管排出的阻力增大，浇注困难；另外正循环钻孔过程中因泥浆浓度高、密度大所形成的孔底沉渣，很难从孔中完全清除，所以其中一部分在浇注过程中卷入泥浆中更加大混凝土抬升的阻力，这种阻力在灌注临近结束时更加明显（可以观察此时孔内排出的泥浆密度、浓度明显加大，流淌缓慢，偶尔有大块的絮状泥块出现），若处理不当，很容易使临近桩顶10m左右混凝土质量差、强度低，而该部分又是桩受力的关键位置。反循环二次清孔技术的运用使钻渣清理较为彻底，因此灌注较为顺畅，桩顶沉渣少，桩身混凝土质量明显提高。
9.2 反循环法二次清孔技术大大缩短了百米深桩的清孔时间，提高了成孔效率。通常，对于百米深桩而言，采用正循环法进行清孔，要达到沉渣厚度小于30cm的要求，大约需要10个小时的时间，而采用反循环法进行二次清孔，一般只要1个小时就可以达到浇注状态。
9.3 经济效益明显。对于黄河中下游这种地质条件而言，如采用反循环法成孔，一个设计钻深120m，直
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径2.0m的钻孔灌注桩的成孔时间大约为5天；采用正循环法成孔，反循环清孔的工艺，成孔时间在7天左右；但是反循环施工工艺的设备功率大约是正循环工艺设备的2倍，这样算下来，每一个孔大约可以节约30％的费用。
综上所述，反循环本身所具有的特点，给提高成孔效率、成桩质量和综合经济效益等方面带来一系列的好处。
10.工程实例
从施工经济性、安全性出发，济南黄河三桥项目对全部的钻孔灌注桩工程采用正循环钻孔，反循环清孔的施工方案，成功的把沉渣厚度控制在设计要求以内，取得了满意的效果。
黄河三桥钻孔灌注桩施工从2005年3月20日开始，到2005年12月16日结束，直径1.8～2.0m,孔深80～120m,共完成337棵桩，全部采用反循环清孔法进行灌注前二次清孔，保证了沉渣厚度控制设计文件中不大于30cm的要求，经超声波检测表明全部达到I类桩标准。
滨州黄河大桥主塔桩基，直径1.5m，孔深115m，从2002年10开始，到2006年1月结束，共完成50棵桩，全部采用反循环清孔法进行灌注前二次清孔，保证了沉渣厚度控制设计文件中不大于30cm的要求，经超声波检测表明，全部的达到I类桩标准。 时间：2021.03.06 创作：欧阳道 欧阳道创编 2021.03.06
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