鉆孔灌注樁反循環(huán)施工工藝研究
關(guān)鍵詞：樁基礎(chǔ)，鉆孔，反循環(huán)，施工工藝
0引言
鉆孔灌注樁因孔底沉渣和孔壁泥皮過(guò)厚往往導(dǎo)致承載力折減，形成上述質(zhì)量通病的原因是該工藝采取了高濃度、高密度泥漿介質(zhì)（沖洗液）施工的結(jié)果。為解決這個(gè)難題工程技術(shù)人員經(jīng)過(guò)總結(jié)、探索，積極研究推廣鉆孔反循環(huán)制樁工藝。
1鉆孔灌注樁反循環(huán)施工原理及特點(diǎn)
泵吸反循環(huán)是通過(guò)砂石泵的抽吸作用，在鉆桿內(nèi)腔形成負(fù)壓，在孔內(nèi)液柱和大氣壓的作用下，孔壁與環(huán)狀空間的沖洗液流向孔底，將鉆頭切削下來(lái)的鉆渣帶進(jìn)鉆桿內(nèi)腔，再經(jīng)過(guò)砂石泵排至地面沉淀池內(nèi)；沉淀鉆渣后，沖洗液流向孔內(nèi)，形成反循環(huán)。反循環(huán)與正循環(huán)的本質(zhì)區(qū)別在于沉渣的沖洗、上返流速存在巨大差異，反循環(huán)沖洗液攜帶鉆渣后迅速進(jìn)入過(guò)水?dāng)嗝孑^小的鉆桿內(nèi)腔，可以獲得比正循環(huán)高出數(shù)十倍的上返速度。
根據(jù)鉆探水力學(xué)原理，沖洗液在鉆孔內(nèi)的上返速度Va的1.2-1.3倍，即Va=（1.2-1.3）Vs.反循環(huán)鉆進(jìn)鉆渣在鉆桿內(nèi)運(yùn)動(dòng)，是形態(tài)各異的鉆渣群在有限的空間作懸浮運(yùn)動(dòng)，鉆渣顆粒要占據(jù)一定液體斷面，在這種特定條件下可以采用長(zhǎng)春地質(zhì)學(xué)院在利延哥爾公式基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)給出的公式計(jì)算顆粒懸浮速度Vs計(jì)算公式為：
Vs=3.1×k1×（ds×（rs-ra）/（k2×r2））的1/2次方
Vs-鉆渣顆粒群懸浮速度（m/s）
ds-顆粒群最大顆粒粒徑（m）
rs-鉆渣顆粒的密度（kg/dm3）
ra-沖洗液的密度（kg/dm3）
k1-巖屑濃度系數(shù)；k1=0.9-1.1，濃度越大，k1越小；
k2-巖屑顆粒系數(shù)，k2=1-1.1，球形顆粒為1，越不規(guī)則，k2的值越大。
目前，泵吸反循環(huán)鉆桿內(nèi)徑大多數(shù)為150mm，用上述公式計(jì)算可知，塊狀為120mm，rs為2.1kg/dm3，ra為1.05kg/dm3，懸浮速度為1.02m/s，按照Va=（1.2-1.3）Vs計(jì)算，Va達(dá)到1.33m/s就可以把幾何尺寸小于鉆桿內(nèi)徑的鉆渣排除。目前常用8BS砂石泵額定排量為180m3/h，滿負(fù)荷時(shí)沖洗液上返流速可以達(dá)到2.83m/s，可以看出該速度遠(yuǎn)大于鉆渣上返所需流速1.33m/s的要求，因此進(jìn)入鉆桿內(nèi)的鉆渣能夠被有效的抽吸上來(lái)。
而正循環(huán)鉆進(jìn)沖洗液攜帶鉆渣后進(jìn)入鉆桿與孔壁形成的環(huán)閉空間后上返速度是很低的。試計(jì)算φ89mm鉆桿與φ0.8m鉆孔的環(huán)閉空間，斷面積為0.495m2，當(dāng)采用兩臺(tái)600型水泵并聯(lián)送水，滿排量時(shí)沖洗液的上返速度僅達(dá)到0.04m/s，根據(jù)上述公式可見正循環(huán)鉆進(jìn)只有依靠高濃度高密度泥漿來(lái)懸浮鉆渣。
綜上所述，反循環(huán)本身所具有的特點(diǎn)，給提高成孔效率、成樁質(zhì)量和綜合經(jīng)濟(jì)效益等方面帶來(lái)一系列的好處。
2鉆孔灌注樁反循環(huán)施工的優(yōu)點(diǎn)
�。�1）鉆進(jìn)速度與成樁效率有大幅度提高
鉆頭在工作時(shí)的最有利條件是被切割下來(lái)的巖土屑，立即能夠從孔底帶出并送到地面，這樣可以減少二次破碎，不會(huì)降低效率以及鉆頭的磨損。沖洗液攜帶鉆渣的能力正比例于介質(zhì)的密度和其運(yùn)動(dòng)速度的平方，所以影響有效排渣的因素是沖洗液的上返速度。由于鉆孔樁施工的土層多為松散、顆粒差異又較大的土層，因此鉆進(jìn)速度的高低主要取決于排渣的速度。
正、反循環(huán)兩種鉆進(jìn)速度的差異，隨著鉆孔直徑以及土層顆粒的增大而增大，一般來(lái)說(shuō)對(duì)于地層和技術(shù)要求相同的情況，反循環(huán)施工速度為正循環(huán)的2倍左
右。
反循環(huán)鉆進(jìn)過(guò)程就是清孔過(guò)程，不但節(jié)省了時(shí)間同時(shí)又可靠地保證孔底沉渣符合要求。機(jī)械鉆進(jìn)速度的提高和清孔時(shí)間的縮短促進(jìn)施工效率的提高、成樁周
期縮短，有效地提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率。
�。�2）孔壁穩(wěn)定孔質(zhì)量好
反循環(huán)鉆孔樁孔壁的穩(wěn)定，主要是利用靜水壓力來(lái)平衡地層壓力維持孔壁的穩(wěn)定。根據(jù)土力學(xué)計(jì)算以及大量實(shí)踐證明，只要保持孔壁任何深度處壓力不小于0.2Mpa，即使是在粘聚力較差的流沙層，使用經(jīng)過(guò)處理的泥漿（沖洗液）也可以保持鉆孔不坍塌、不縮頸、不擴(kuò)頸；反循環(huán)鉆孔根據(jù)澆注混凝土記錄時(shí)澆注深度與混凝土用量關(guān)系，很容易反算孔徑。計(jì)算結(jié)果表明由于孔壁穩(wěn)定，從上到下孔壁的直徑都是在有效控制范圍之內(nèi)。這樣就可以有效的防止縮頸、擴(kuò)頸不良現(xiàn)象出現(xiàn)并避免混凝土的浪費(fèi)。
�。�3）混凝土澆注質(zhì)量得到有效保證
灌注混凝土是保證成樁質(zhì)量的關(guān)鍵工序，“斷樁”、“夾泥”、“堵管”等常見的灌注質(zhì)量事故都與孔內(nèi)混凝土上部壓力過(guò)大有一定關(guān)系�？變�(nèi)壓力值與沖洗液的濃度、密度、粘度有直接的關(guān)系。正循環(huán)為了有效的排渣，選用的泥漿（沖洗液）密度高、濃度大，勢(shì)必造成孔內(nèi)壓力大，這樣混凝土人導(dǎo)管排出的阻力增大，澆注困難；另外正循環(huán)鉆孔過(guò)程中因沖洗液濃度高、密度大所形成的過(guò)厚泥皮與孔底沉渣，很難從孔中完全清除，所以其中一部分在澆注過(guò)程中卷入沖洗液中更加大混凝土抬升的阻力，這種阻力在灌注臨近結(jié)束時(shí)更加明顯（筆者觀察此時(shí)孔內(nèi)排出的泥漿密度、濃度明顯加大，流淌緩慢），若處理不當(dāng)，很容易使臨近樁頂10m左右混凝土質(zhì)量差、強(qiáng)度低，而該部分又是樁受力的關(guān)鍵位置。反循環(huán)成孔由于泥漿（沖洗液）密度、濃度、粘度都較低，形成泥皮較薄和鉆渣清理較為徹底，因此灌注較為順暢，樁頂泥漿少，樁身混凝土質(zhì)量明顯提高。
�。�4）提高單樁承載力，降低工程造價(jià)
單樁承載力的大小，取決于樁周土的摩阻力與樁底端承力，反循環(huán)鉆孔過(guò)程
中形成的泥皮較薄從而使摩阻力增大，樁底沉渣清除較為徹底，無(wú)軟弱層從而提高端承力。根據(jù)對(duì)比試驗(yàn)，一般反循環(huán)比正循環(huán)提高承載力10%-20%，因此單位承載力造價(jià)必然降低。
�。�5）非運(yùn)廢漿量減少，施工成本降低
根據(jù)定額，廢漿排運(yùn)費(fèi)約占工程成本8%-10%.反循環(huán)鉆頭切削的粘土土層成塊狀，隨即被吸入鉆桿內(nèi)腔，也就是說(shuō)鉆渣來(lái)不及水化就被排出孔外，廢漿量勢(shì)必減少；另液、渣分離較為簡(jiǎn)單，這樣施工成本必然降低。
�。�6）適應(yīng)性廣
反循環(huán)排渣的特點(diǎn)，使這種工藝方法對(duì)地層適應(yīng)性廣，可順利鉆進(jìn)各種粘土、砂土、卵礫石層以及基巖層，對(duì)于直徑500-1800mm鉆孔樁施工都很適應(yīng)。
3結(jié)語(yǔ)
因反循環(huán)工藝對(duì)班組操作工人要求較高，實(shí)施起來(lái)有一定的難度，筆者建議加強(qiáng)班組操作工人的培訓(xùn)，加以推廣。當(dāng)然反循環(huán)鉆進(jìn)也有自身的缺點(diǎn)如水泵故障多、純鉆進(jìn)時(shí)間較正循環(huán)短、超徑卵石層鉆進(jìn)困難以及循環(huán)系統(tǒng)復(fù)雜等，但這些問(wèn)題會(huì)隨著研究和應(yīng)用的深入逐步解決。
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