鉆孔灌注樁反循環(huán)工藝探討

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鉆孔灌注樁因孔底沉渣和孔壁泥皮過厚往往導(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。為解決這個難題工程技術(shù)人員經(jīng)過總結(jié)、探索，積極研究推廣鉆孔反循環(huán)制樁工藝。 
    泵吸反循環(huán)是通過砂石泵的抽吸作用，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，將鉆頭切削下來的鉆渣帶進(jìn)鉆桿內(nèi)腔，再經(jīng)過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，是形態(tài)各異的鉆渣群在有限的空間作懸浮運(yùn)動，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春地質(zhì)學(xué)院在利延哥爾公式基礎(chǔ)上進(jìn)行實驗給出的公式計算顆粒懸浮速度Vs計算公式為：
    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。 
    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600型水泵并聯(lián)送水，滿排量時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懸浮鉆渣。 
    綜上所述，反循環(huán)本身所具有的特點，給提高成孔效率、成樁質(zhì)量和綜合經(jīng)濟(jì)效益等方面帶來一系列的好處。 
    1、鉆進(jìn)速度與成樁效率有大幅度提高
    鉆頭在工作時的最有利條件是被切割下來的巖土屑，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，一般來說對于地層和技術(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)過程就是清孔過程，不但節(jié)省了時間同時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，有效地提高了勞動生產(chǎn)率。 
    2、孔壁穩(wěn)定、成孔質(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平衡地層壓力維持孔壁的穩(wěn)定。根據(jù)土力學(xué)計算以及大量實踐證明，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)澆注混凝土記錄時澆注深度與混凝土用量關(guān)系，很容易反算孔徑。計算結(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)鉆孔過程中因沖洗液濃度高、密度大所形成的過厚泥皮與孔底沉渣，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)束時更加明顯（筆者觀察此時孔內(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
    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，無軟弱層從而提高端承力。根據(jù)對比試驗，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，也就是說鉆渣來不及水化就被排出孔外，廢漿量勢必減少；另液、渣分離較為簡單，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，使這種工藝方法對地層適應(yīng)性廣，可順利鉆進(jìn)各種粘土、砂土、卵礫石層以及基巖層，對于直徑500-1800mm鉆孔樁施工都很適應(yīng)。 
    因反循環(huán)工藝對班組操作工人要求較高，實施起來有一定的難度，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)也有自身的缺點如水泵故障多、純鉆進(jìn)時間較正循環(huán)短、超徑卵石層鉆進(jìn)困難以及循環(huán)系統(tǒng)復(fù)雜等，但這些問題會隨著研究和應(yīng)用的深入逐步解決。