钻孔灌注桩气举反循环清孔工艺
时间：2021.03.04
创作：欧阳地 [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
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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。
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（泥浆密度11.5~12.5KN/M3）。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
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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http://bbs.job2299.com/
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。
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
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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，风管下放深度一般以气浆混合器至泥浆面距离与孔深之比的0.55～0.65来确定。
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
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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，孔内泥浆比重应小于1.20，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），一般取1.2 h0——混合器沉没深度（m）
ΔP——供气管道压力损失，一般取0.05～0.1MPa
四、气举反循环清孔速度
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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。
根据钻探水力学原理，冲洗液在钻孔内的上返速度是钻渣颗粒群悬浮速度的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。
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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。 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。
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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。
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。
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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。
时间：2021.03.04
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