1、鉆孔灌注樁反循環清孔工法編制單位：中國鐵建大橋工程局集團有限公司福平鐵路FPZQ-4標項目經理部二分部編制時間：2014年12月鉆孔灌注樁反循環清孔工法1.前 言鉆孔灌注樁因孔底沉渣過厚往往會導致承載力折減，根據以往工程對樁基超聲波檢測結果分析，在樁基混凝土灌注正常情況下，樁基混凝土邊緣部位有缺陷，多數是混凝土內局部有夾塊造成的。經分析認為：夾塊由兩部分組成，即泥漿中的砂礫沉淀物以及鋼筋籠下放過程從井壁上刮落的粘泥塊過厚，在灌注樁時，沉淀物隨著混凝土上升，因有鋼筋籠或井壁阻隔，使沉淀物停滯在局部范圍內，并最終造成成樁中局部缺陷。從提鉆到灌注砼，對于百米深樁來說通常需要12個小時以上，在這個過程

2、中，由于泥漿靜置時間過長，會產生一部分的沉淀，鋼筋籠下放過程中也會從井壁上掛落部分泥塊，這些就構成沉渣，可能會超過設計要求，如果不采取措施就灌注，容易引發各種質量事故。因此，需要在灌注前二次清孔。2.工法特點2.1清孔徹底：能滿足孔底沉淀厚度5cm的要求；2.2清孔速度快:一般采用氣舉反循環清孔50分鐘左右就可以達到要求；2.3轉換迅速:可以在10分鐘內，由清孔狀態轉換到混凝土灌注狀態；2.4經濟便捷:本工法需用的機械設備少，材料用量少，制作簡單，方便靈活；3.適用范圍3.1、 本工法適用范圍：孔深150m 以內的對沉渣厚度要求較高，水上（陸地）鉆孔灌注樁的施工。3.2、 適用地層：粘土層、砂

3、層、礫石層、卵石層、巖層等地層。4.施工工藝4.1清孔的意義鉆孔深度達到設計要求并符合終孔條件后，應進行清孔。清孔的主要目的是清除孔底沉渣，而孔底沉渣則是影響灌注樁承載能力的主要因素之一。清孔則是利用泥漿在流動時所具有的動能沖擊樁孔底部的沉渣，使沉渣中的巖粒、砂粒等處于懸浮狀態，再利用泥漿膠體的粘結力使懸浮著的沉渣隨著泥漿的循環流動被帶出樁孔，最終將樁孔內的沉渣清干凈，這就是泥漿的排渣和清孔作用。鉆孔灌注樁灌注前，由于從提鉆到導管陳放完畢這個過程很長，對于鉆孔灌注樁來說，必然會使第一次清孔后的沉渣增加，如果不采取措施，沉渣過多，容易引起灌注事故，直接影響樁基的承載力，危及結構安全。因此，必須高

4、度重視灌注前的二次清孔工作。4.2清孔方式選擇的理論依據沉淀物主要由泥塊和沉淀砂礫組成。泥塊主要是由鋼筋籠下放刮落的井壁泥皮造成的；而砂礫沉淀物主要由泥漿中的懸浮顆粒造成的。確定沉渣顆粒在泥漿處于懸浮狀態的臨界沉降速度v0的思路是：假定顆粒為球形，其重力為G，顆粒在液體中的浮力為P，球形顆粒在液體中的沉降阻力為R。當GP時，巖屑下降，速度逐漸增大，R值也隨之增大。當R值達到足以使作用在巖屑上的三種力保持平衡時, 即R=G-P時，巖屑將以恒速v0下降。通過推導可得出沉降速度（即雷廷格爾公式）為式中： -球形顆粒的直徑，m；s顆粒的密度，kg/m3；泥漿的密度，kg/m3； k顆粒的形狀系數，圓形

5、顆粒k為44.5，不規則形狀的顆粒k為2.54。 泥質孔的顆粒的最大尺寸與鉆具和地質條件有關。根據最大顆粒直徑可求出v0，從而求得泥漿流量。假設球形顆粒的直徑=0.01m；顆粒的密度s=2.3×103kg/m3；泥漿的密度=1.1×103kg/m3；顆粒形狀系數k=4；求的v0=0.29m/s。4. 3傳統正循環清孔法的弊端正循環清孔是泥漿由鉆桿或導管注入孔底，帶動沉淀物上浮，在重力作用下泥漿中砂礫等沉淀物有下沉的趨勢，如果泥漿泵流量偏小，將出現大顆粒砂礫懸浮在一定高度以下；如果想把大的沉渣顆粒排出孔外，一方面是加大泥漿的循環速度，另一方面是加大泥漿的密度，但是，受現有泥漿

6、泵排量的限制，泥漿的循環速度不可能提高很多，加大泥漿比重的方法也不可行。另外因為井壁處泥漿比井中心部位流速慢，造成泥漿含砂率不均勻，最終不能將泥漿中大顆粒完全置換到井外去，因此本工法不采用這種方法。如果用正循環清孔，3.0m的孔的斷面積為7.065m2,常用6PNL泥漿泵額定排量為280m3/h,假定采用2臺并聯送水，泥漿攜帶鉆渣后進入鉆桿與孔壁形成的環閉空間后上返速度是很低的，滿排量時漿液的上返速度僅達到0.022m/s。根據上述公式可見正循環鉆進只有依靠高濃度高密度泥漿來懸浮鉆渣，最終端沉渣厚度不能保證符合設計要求，從而容易引發質量隱患。表1鉆孔用泥漿泵的主要性能名稱鉆進方式型號泵流量(m

7、3/h)泵壓(mpa)動力(kw)泥漿泵正循環6PNL2303200.2750.24530砂石泵反循環8BS4000.3700.355754.4反循環清孔反循環清孔通常采用兩種方式，一種是泵吸反循環，另一種是氣舉反循環。泵吸反循環是通過砂石泵的抽吸作用，在鉆桿內腔形成負壓，在孔內液柱和大氣壓的作用下，孔壁與環狀空間的泥漿流向孔底，將沉渣帶進鉆桿（導管）內腔，再經過砂石泵排至地面沉淀池內；沉淀鉆渣后，泥漿流向孔內，形成反循環。采用泵吸反循環法進行二次清孔，目前常用8BS砂石泵額定排量為400m3/h，假定采用0.3m的導管進行清孔，滿負荷時泥漿上返流速可以達到1.58m/s，可以看出該速度遠大于

8、鉆渣上返所需流速0.29m/s的要求，因此進入導管內的鉆渣能夠被有效的抽吸上來。由于現有的離心泵的泵壓較小，無法滿足直徑3m，深達100多米的鉆孔灌注樁清孔的需要；對于直徑3.0m，設計深度100m的樁采用氣舉反循環法進行二次清孔。 氣舉反循環 4.4.2.1氣舉反循環的原理氣舉反循環的原理是：壓縮空氣經風管向導管（排渣管）內送風，風管內的空氣與泥漿混合物密度（約為0.6）小于導管（排渣管）內泥漿密度（約為1.1），形成負壓區，在大氣壓的作用下，汽水混合物排出管外；孔底泥漿及沉淀物的混合物沿著導管上升，補充到負壓區；為防止孔中泥漿水頭過小，及時用泥漿泵將優質（含砂率低）泥漿補充到孔內，并形成循

9、環系統。4.4.2.2氣舉反循環的設備氣舉反循環的設備非常簡單，主要的構造見圖2所示。除了風管、排渣金屬管、排渣軟管、法蘭盤接頭外，現場只需要一臺920m3/h空壓機就可完成整套施工工藝。上圖給出了兩種形式的氣舉反循環設備。形式1是直接利用導管作為排渣管，優點是操作簡便、工序轉換速度快，現場只要沉放風管即可，缺點是需要的風量較大，需要大型的空壓機。形式2是在導管內增加了一根金屬排渣管，其缺點是現場操作量比形式1復雜，其優點是現場需要一個較小的空壓機就可實現。由理論計算和工程實踐，以120m鉆孔灌注樁為例，在此給出氣舉反循環系統的幾個參考數據：風管的入水深度在3040m，要求制作的風管長度為36

10、m，分為3節，每節12m，中間用法蘭盤連接；風壓（mpa）可按公式H/100+0.05計算，H為風管口入水深度（m），考慮到風管接頭密實性等因素，需要0.60.8mpa風壓；風量可以根據橋涵（上冊）（人民交通出版社1999.11）空氣吸泥機一章的有關公式計算，經計算12m3空壓機即可滿足要求。5.質量標準及質量控制清孔完成后，孔底沉渣應嚴格控制在5cm以內，泥漿指標合格（泥漿相對密度：1.031.10；粘度：1720s；含沙率：<2），并應立即進行檢查驗收。檢查驗收合格后，應立即灌注水下混凝土，以免渣土重新沉淀，造成沉渣過厚而影響樁的承載力。因為泵吸反循環比較簡單，運用較多，在此只提出氣

11、舉反循環的操作注意事項：導管下放深度以出漿管底距沉淤面300400mm為宜，風管下放深度一般以氣漿混合器至泥漿面距離與孔深之比的0.550.65來確定。出漿管底口距離井口深度不宜小于30m，以形成足夠的備壓，但也不能小于5m，否則不能形成有效的反循環體系； 出漿管及高壓進氣管的法蘭盤連接緊密，確保不漏氣； 氣舉反循環過程中，保證有足夠的優質泥漿補充到井孔內，并且要在開啟反循環前先送漿，時刻觀察護筒內泥漿面的變化情況，防止泥漿補充不足，水頭下降過大造成塌孔；送風量應從小到大，風壓應稍大于孔底水頭壓力，當孔底沉渣較厚、塊度較大，或沉淀板結時，可適當加大送風量，并搖動出水管（導管），以利排渣。 為防

12、止孔內沉淀物堵塞出漿管，在氣舉反循環前，要把導管提離孔底一段距離，待反循環形成后，視出漿清孔逐步下沉；由于樁孔較大，要左、右移動導管及前后移動平臺，使清孔比較徹底。隨著鉆渣的排出，孔底沉淤厚度較小，出水管（導管）應同步跟進，以保持管底口與沉淤面的距離。反循環法清孔時所需風壓P的計算。P=s·h0/1000+P s泥漿比重（KN/m3），一般取1.2 h0混合器沉沒深度（m）P供氣管道壓力損失，一般取0.050.1MPa 6.機具設備6.1泵吸反循環清孔設備：排渣軟管、8BS砂石泵。6.2氣舉反循環清孔設備：除了風管、排渣金屬管、排渣軟管、法蘭盤接頭外，現場只需要一臺920m3/h空壓

13、機就可完成整套施工工藝。導管出水管直徑200mm，送風管直徑（水管）25mm，漿氣混合器用25mm水管制作，在1m左右長度范圍內打6排孔、每排4個8mm孔即可。7.安全措施7.1、起重安全：本工法用到的主要的施工機械是吊車，因此要注意起重安全，嚴格執行起重操作規程，不能因為起重點重量不大而掉以輕心。7.2、用電安全：、嚴格用電管理，施工現場的一切電源電路的安裝和拆除，必須由持證電工操作，電器必須嚴格接地、接零和漏電保護器，場地電纜應走專門通道。8.環保措施1）施工機械注意保養，維修時防止油料灑落污染海水；2）廢棄砼，清洗罐車、導管的廢水必須集中處理。3）經常對施工機械進行保養，盡量減少噪音污染

14、。4）施工過程中的廢棄物、邊角料、包裝袋等及時收集、清理、集中處理。9.效益分析9.1反循環法二次清孔技術給我們帶來的第一個效益就是質量安全：灌注混凝土是保證成樁質量的關鍵工序，“斷樁”、“夾泥”、“堵管”等常見的灌注質量事故都與孔內混凝土上部壓力過大有一定關系。正循環為了有效的排渣，選用的泥漿（泥漿）密度高、濃度大，勢必造成孔內壓力大，這樣混凝土入導管排出的阻力增大，澆注困難；另外正循環鉆孔過程中因泥漿濃度高、密度大所形成的孔底沉渣，很難從孔中完全清除，所以其中一部分在澆注過程中卷入泥漿中更加大混凝土抬升的阻力，這種阻力在灌注臨近結束時更加明顯（可以觀察此時孔內排出的泥漿密度、濃度明顯加大，流淌緩慢，偶爾有大塊的絮狀泥塊出現），若處理不當，很容易使臨近樁頂10m左右混凝土質量差、強度低，而該部分又是樁受力的關鍵位置。反循環二次清孔技術的運用使鉆渣清理較為徹底，因此灌注較為順暢，樁頂沉渣少，樁身混凝土質量明顯提高。9.2 反循環法二次清孔技術大大縮短了百米深樁的清孔時間，提高了成孔效率。通常，對于百米深樁而言，采用正循環法進行清孔，要達到沉渣厚度小于