引言
旋挖钻机自动化水平高,适应能力强。但受不同钻机的机械性能、人员操作水平、现场技术管理能力等存在的差异,特别是受场地地层条件的影响,加之行业尚未编制相关旋挖钻孔桩施工技规范,没有形成系统的工法研究,施工过程中大量的旋挖成桩的质量问题也随之产生,桩底沉渣过厚即是较普遍的质量通病之一。 桩底沉渣超标或过厚对桩基质量将产生严重的影响,主要体现在:沉渣过厚严重制约桩端承载力的发挥和增大桩的沉降位移,对桩基上层建筑整体结构安全会造成巨大不良隐患。鉴于以上问题,现行桩基规范对钻孔灌注桩孔底沉渣厚度提出了明确要求。在《建筑桩基技术规范》(JGJ94-2008)中,规定端承桩沉渣厚度≤50mm,摩擦桩沉渣厚度≤100mm,许多地方性行业规范也出台明确规定对此进行约束。然而在实际施工中,由于对旋挖钻机操作人员培训不够,现场技术管理人员对施工工序把握不严,特别是受复杂地层的影响,造成桩底沉渣超标问题依然严峻。因此,如何在旋挖钻孔桩施工过程中预防桩孔沉渣的产生,合理选择桩孔的二次清孔工艺,保证孔底沉渣满足设计和规范要求,成为困扰业界对旋挖钻机的客观评价和使用前景。 本文结合深圳地区旋挖钻孔灌注桩施工情况,分析了旋挖桩孔底沉渣产生的原因,提出了几种有效的二次清孔方法,论述了不同清孔方法的特点,提出了综合优化选择的方法。
1
旋挖桩桩底沉渣原因分析及控制措施
旋挖钻孔灌注桩桩底沉渣可能产生于旋挖钻机施工的钻进成孔、安放钢筋笼、灌注混凝土等多个环节中,分析认为沉渣产生的原因大致分为以下几类:
1.1 桩孔孔壁塌落
1.1.1原因分析 桩孔孔口填土层不稳定塌落孔内;泥浆比重过低,悬浮能力差;提升钻具太快,形成孔内向上的抽吸作用;提钻时孔内泥浆液面下降,未及时补充孔内泥浆;钻具提放刮碰孔壁;下放钢筋笼刮碰孔壁;终孔后未及时灌注砼,孔壁浸泡时间过长。
.1.2控制措施 孔口安放钢护筒保护孔口,护筒长度根据地层条件,适当加长;加大泥浆比重,提高泥浆的粘度,减少孔底沉淀;控制旋挖每回次进尺,严禁钻筒打满提钻,避免抽吸现场;钻具提高孔口前,及时补充孔内泥浆,保持泥浆液面高度;钻具提放时保持对中,慢提、慢放,防止刮碰;下放钢筋笼保持对中、垂直;终孔后及时灌注桩身混凝土,减少辅助作业时间。
1.2 泥浆沉淀
1.2.1原因分析
泥浆性能参数不合格,护壁效果不佳;灌注前等待时间过长,泥浆发生沉淀;泥浆含砂率高。
2.2.2控制措施
配制合适参数的泥浆,并及时检测、调整泥浆性能;缩短灌注等待时间,避免泥浆沉淀;设置泥浆沉淀池或者泥浆分离器将泥浆中泥砂沉淀分离,并调整泥浆性能。
1.3 钻孔残留
1.3.1原因分析
钻具钻底变形或者磨损过大,渣土泄露生成沉渣;钻底结构本身限制,如钻齿布置高度、间距等原因造成渣土残留过多生成沉渣。
2.3.2控制措施
选用合适钻具,经常检查钻底结构;减小旋转底和固定底间隙;及时补焊保径条,更换磨损严重的边齿;合理调整钻齿布置角度、间距;增加清渣次数,减少桩底残留。
1.4清孔工艺
1.4.1原因分析
清孔时的抽吸作用造成垮孔;清孔时泥浆性能不达标,沉渣无法携带出孔底;清孔工艺选择不合理,沉渣无法清除干净。
1.4.2控制措施
清孔时控制泵的抽吸力,减少对孔壁的冲击;清孔时换浆,并调整好泥浆性能指标;根据钻孔情况,选择适合的二次清孔工艺。
旋挖钻孔灌注桩二次清孔技术
旋挖钻孔施工过程中应采取适当措施避免沉渣产生,在钢筋笼、灌注导管安放后,对沉渣过厚的桩孔,须选用合适的二次清孔工艺进行沉渣处理。二次清孔是在完成旋挖成孔、下入钢筋笼和灌注导管后,利用灌注导管清除孔底沉渣的关键工序。桩孔二次清孔工艺的合理选择,对清除孔底沉渣,保证桩身工程质量极其重要。 目前,业内旋挖桩桩孔二次清孔技术按泥浆循环方式可分为以下三类:泥浆正循环清孔、反循环清孔和钻具无泥浆循环清孔。
2
泥浆正循环清孔
2.1.1 工艺原理
泥浆正循环清孔工艺是普遍采用的一种清孔方式,是由泥浆泵泵送的泥浆经过胶管,与孔口的灌注导管连接,并把泥浆送到孔底;送到孔底的泥浆悬浮并携带孔底沉渣,再经过灌注导管与孔壁之间的环状空间返回地面,流入循环沟、沉淀池,然后进入泥浆池循环使用。 正循环二次清孔工艺原理见图1示。
图1正循环二次清孔原理示意图
2.1.2 清孔操作注意事项
泥浆正循环清渣运行时须注意以下事项:
(1)选择合适的泥浆泵,泥浆流量过大,对孔壁冲刷大,容易塌孔;泥浆流量小,沉渣上升速度慢,清渣效果差,耗费时间长。实际施工中,流量、扬程作为选择泥浆泵的依据,可根据桩孔直径大小配制功率在12~30KW之间的3PN泥浆泵。
(2)减少管道接口,避免管道直径剧烈变化、运行方向剧烈变化,减小泥浆循环系统中的沿程阻力和局部阻力消耗。
(3)泥浆循环过程中,泥浆循环系统中含有较多的粗颗粒或岩渣,会反复循环带入孔内,影响清孔效果。应定期对沉淀池、泥浆池废渣进行清理,可加大、加长泥浆循环沟,并派专人沟内捞渣。
(4)清孔过程中,根据清渣效果适时上下提放、左右移动导管,加快扰动孔底沉渣,以达到快速清渣的效果。
2.2泥浆旋流器正循环清孔
2.2.1 工艺原理
为减少正循环二次清孔过程中泥浆中粗颗粒含量大,提高泥浆性能指标,缩短清孔时间,提升清孔效果,在泥浆正循环清孔系统中,引进了泥浆旋流器辅助清孔,即:在泥浆泵泵送泥浆入孔底的胶管上,在地面串联泥浆旋流器,在泥浆被泵入孔底前将泥浆中的粗颗粒排出,预先进行浆渣有效分离,保证优质泥浆进入孔底,减少岩渣的重复带入,并有效地提高了泥浆的携渣能力,大大缩短清孔时间,既提高工效,又保证清孔效果。泥浆旋流器二次清孔工艺平面布设见图2示。
图2旋流器二次清孔示意图
2.2.2 清孔操作注意事项
泥浆旋流器正循环二次清孔凭借旋流装置对泥浆进行有效分离,其操作简便、分离效果好,是普通泥浆正循环清孔系统的升级工艺,是我公司拥有的实用新型专利技术,同时被评为2011年度深圳市工程建设市级工法、广东省工程建设省级工法,具有实用性、有效性,为二次清孔提供了新的可靠选择。
泥浆旋流器正循环二次清孔时应注意:
(1)派专人负责旋流器工作状态,观察排渣口是否堵塞;如出现旋流器进口部分吸入块石、牡蛎壳、水泥块等较大异物时,会使进浆速度降低,应及时清除。
(2)如果旋流器进口泥浆中的固相粗颗粒含量过高,或底流口阀门调节过小,会使旋流器过载,会导致底流口堵塞,可通过调节底部阀门,以保持底部排渣通畅。
(3)旋流器出渣口设置专门的排渣池,并及时进行清理排渣。
(4)旋流器的选择应与泥浆泵量相匹配。
2.3 泵吸反循环二次清孔
2.3.1 工艺原理
为保证清孔满足设计和规范要求,对大桩、深桩通常的做法是采用泥浆泵吸反循环工艺。泵吸反循环二次清孔是利用砂石泵的抽吸作用,在灌注导管内腔造成负压状态,在大气压力作用下,处在灌注导管与孔壁之间环状空间中的泥浆流向孔底,被吸入灌注导管内腔,随即上升至地面泥浆循环系统,经泥浆沉淀池沉淀处理后,再由泥浆池、泥浆循环沟流入孔内。 泵吸反循环二次清孔工作原理见图3示。
图三泵吸反循环二次清孔工作原理示意图
2.3.2 清孔操作注意事项 采用泵吸反循环二次清孔具有抽吸能力强、清孔时间短、孔底干净的特点,但清孔时需注意:
(1)清孔时需增加6BS反循环砂石泵,整体循环系统管路布设较复杂,反循环现场操作专业性较强,真空度的形成具有一定的难度。
(2)由于泵吸反循环砂石泵流量可达180m3 /h,抽吸能力超强,形成的负压对孔壁稳定有一定的影响,对深厚淤泥、砂层厚的桩孔,应控制反循环流量。
(3)清孔时,应注意保持护筒内泥浆面的水头高度,保持回流入孔内的泥浆量与抽吸量平衡一致。泵吸反循环泥浆使用量较大,需控制好泥浆的性能和参数,做好废浆废渣的处理。
2.4 气举反循环处理方法
2.4.1 工艺原理
气举反循环清孔是在导管内安插一根长约2/3孔深的镀锌管将高压空气送入导管内2/3孔深处,与导管内泥浆混合,经充气后在导管内产生低压区,连续充气导管内外压差不断增大,当达到一定的压力差后,平衡打破,则迫使泥浆在高压作用下从导管内上返喷出,同时孔底岩渣被高速泥浆携带从导管上返喷出孔口。 气举反循环原理如下图4示。
图4 气举反循环原理
2.4.2 清孔操作注意事项
气举反循环二次清孔工艺压力差大,流速快,携渣能力强。清渣工艺运行时,除减少阻力、移动导管、分离泥浆中泥砂等,还须注意:
(1)气举反循环设备配置较为复杂,在进行实际工作之前必须进行一定的调试和优化,尤其是空压机选型,设置合适的进气管长度直接影响循环清渣效率。
(2)气举反循环会引起桩孔底部产生抽吸负压,在不稳定地层使用须防止塌孔。
(3)反循环作业过程中,须始终保持护筒内泥浆液面的水头高度,保持回流入孔内的泥浆量与抽吸量平衡一致,防止产生塌孔。
2.5 “潜水电泵+泥浆净化器”二次清孔系统
2.5.1 工艺原理
为解决大直径桩、超深桩的二次清孔效果差、泥浆循环复杂、泥浆排放量大等难题,我司研发出“潜水电泵+泥浆净化器”二次清孔系统, 即:采用潜水电泵与灌注导管连接,当潜水电泵开动时,直接抽吸孔底沉渣,形成泥浆反循环;潜水电泵用胶管与泥浆净化装置相连,抽吸上来的泥浆进入泥浆净化系统,实现浆渣分离,渣直接排出装车外运,泥浆重新通过泥浆净化器出口流入孔口,以保持孔内泥浆液面高度,维护孔壁稳定,并循环使用,以达到清孔的目的。
“潜水电泵+泥浆净化器”二次清孔系统工作原理见图5、图6示。
图5 “潜水电泵+泥浆净化器”二次清孔系统原理图
图6 “潜水电泵+泥浆净化器”二次清孔现场布设图
2.5.2 清孔操作注意事项
(1)泥浆净化装置型号的选择将根据潜水电泵型号、处理能力等综合考虑,当潜水电泵流量不大于100 m3/h时,可选择ZX-100型;当潜水电泵流量大于或等于100 m3/h时,可选择ZX-200型,以达到流量和处理能力之间的平衡,满足泥浆净化能力的需求。
(2)孔口潜水电泵是二次清孔过程中重要的机具设备,潜水电泵分别与灌注导管和泥浆净化装置相连,形成泥浆反循环二次清孔工艺;为了确保潜水电泵的密封性,一般将潜水电泵沉入到泥浆液面下,防止漏气。
(3)清孔系统安装完成后,进行专项检查,包括:灌注导管离孔底高度、各接口的密封性、泥浆净化装置的稳定性、各类电器的安全性等,检查符合要求进行二次清孔。
(4)清孔过程中,密切监测孔口泥浆液面的高度,保持潜水电泵抽排泥浆量与回流的泥浆量基本一致,以确保孔内泥浆的水头高度,以保持孔壁稳定。
3.6旋挖钻斗清孔(无泥浆循环清孔)
2.6.1 工艺原理
旋挖钻斗清孔即利用专用的捞渣钻斗清除孔内的沉渣,在钻进成孔过程和灌注混凝土前,不需要使用泥浆正循环或反循环进行孔内清孔的一种清孔方式。这种清孔方式,主要由旋挖钻斗捞取钻孔底沉渣,同时依靠泥浆起到保护孔壁稳定和悬浮沉渣的作用,使孔内泥浆中的粗颗或钻渣在较长时间内处于悬浮状态,在钢筋笼、灌注导管安装后,孔底保持少沉渣或无沉渣。
2.6.2 旋挖钻斗无泥浆循环清孔实践
(1)工程概况:深圳福田中心区国信金融大厦桩基础大直径钻孔灌注桩桩径为φ1800、φ2000、φ2200、φ2600mm,桩孔深度38~41mm,桩底持力层为入中风化花岗岩2m或入微风化花岗岩0.5m,微风化花岗岩抗压强度达到75MPa。
(2)桩基础施工及清孔措施:桩基础施工选择三一重工SR420Ⅱ旋挖钻机,孔口埋设3m护筒,采用纳基粉、氢氧化纳、CMC调制成化学泥浆。 以桩径φ2600mm孔为例: 上部填土、粉质粘土、残积土及强风化岩层(约38m深)采用旋挖取土钻斗按直径φ2200mm、φ2600mm分二级依次成孔,由于旋挖成孔以静态泥浆无循环钻进,且成孔速度快(约需6h),孔壁泥波薄,因此,此阶段泥浆控制在比重1.08~1.20、粘度18~20S。 下部中风化、微风化岩层坚硬、入岩深,旋挖硬岩钻进采用分级扩孔,即先用直径φ800mm截齿钻筒钻进,钻至设计终孔深度后,直接取出岩芯;终孔深度确定后,依次采用直径φ1300mm、φ1500mm、φ1800mm、φ2000mm、φ2200mm、φ2400mm、φ2600mm旋挖钻斗或钻筒从上而下扩孔钻进,每级孔钻进完成后,采用捞渣钻斗清孔。这种岩层分级扩孔、捞渣,缩短了每级孔钻进硬岩的施工时间,减小硬岩钻进的阻力,提高入岩钻进效率。为减小钻具截齿与硬岩摩擦的热能,岩层钻进时泥浆控制为低比重、中粘度,比重为1.05~1.15、粘度18~22S。 在终孔后、下入钢筋笼、灌注导管之前,采用氢氧化纳调整孔底段泥浆性能,使孔底以上10m左右范围内形成小比重(比重1.05~1.10)、大粘度(粘度22~25S)泥浆,使孔底段泥浆状态处于絮状,保持泥浆中的粗颗粒处于悬浮状态,确保在钢筋笼、灌注导管安放后,孔底沉渣满足设计要求。
(3)旋挖钻进、成桩效果:国信大厦旋挖桩施工直径φ2600mm、深度41m、入中(微)风化花岗岩3m的桩,采用无泥浆循环清孔,每2.0~2.5天完成成桩;施工直径φ2000mm及以下桩,每天可完成2~3根。 3.6.3 旋挖钻斗无泥浆循环清渣注意事项
(1)做好孔口、孔壁的保护。采用旋挖捞渣钻斗清渣,应充分做好孔口护筒埋设,切实维持好护筒内泥浆液面的水头高度,防止钻进过程中孔口垮塌和孔壁坍孔。由于桩径大,每次旋挖钻斗提离孔口前,护筒内泥浆面都会下降1.2m左右,此时需进行及时补浆,维持护筒内液面高度。
(2)捞渣钻斗结构合理。钻进至桩孔设计持力层深度后,使用截齿捞砂斗在不加压的情况下空转数圈,使得桩底尽量平坦,便于清渣;岩层钻进清渣导板尽量短小或平底,以便于孔底渣土进入筒体;清渣导板高度越小,清渣效果越理想。清渣钻斗钻底结构必须依据截齿斗底形状进行对应修改,尽量减小导板和中心锥高度。
(3)泥浆管理是关键。旋挖钻机应设置专门的泥浆班组,派专人负责泥浆的调制和管理。
(4)控制泥浆性能是旋挖钻斗清渣过程中的关键,要想实现无泥浆循环清孔,必须科学合理掌握泥浆的调配,并动态使用好泥浆。如:上部土层钻进时间短,此时应适当加大泥浆比重,维护孔壁稳定;岩层钻进回转阻力大,时间相对较长,泥浆比重可适当降低;终孔后旋挖钻斗捞渣处理后,由于需要安放钢筋笼、灌注导管,此时将泥浆调制成低比重、高粘度,使底部段泥浆形成絮状和稠度,提升泥浆的悬浮能力,避免泥浆内固相颗粒沉入孔底。
(5)钻具清渣后,缩短辅助作业时间,即刻下笼灌注桩身混凝土,最大限度减少孔底沉渣量。
未完待续!感兴趣的工友们可以看下一篇哦!!!
End
联系客服